传感器技术及应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1传感器的作用与功能 1

1.2传感器的分类 3

1.2.1按工作原理分类 3

1.2.2按被测量分类 4

1.3传感器技术的特点 4

1.4传感器技术的发展 5

1.4.1新原理、新材料和新工艺传感器的发展 6

1.4.2传感器的微型化、集成化、多功能化和智能化发展 8

1.4.3多传感器融合与网络化发展 10

1.5传感器技术相关的一些基本概念 10

1.6本教材的特点及主要内容 11

思考题与习题 12

第2章 传感器的特性 13

2.1传感器静态特性的一般描述 13

2.2传感器的静态标定 13

2.2.1静态标定条件 14

2.2.2传感器的静态特性 14

2.3传感器的主要静态性能指标及其计算 15

2.3.1测量范围与量程 15

2.3.2静态灵敏度 15

2.3.3分辨力与分辨率 16

2.3.4时漂与温漂 16

2.3.5传感器的测量误差 17

2.3.6线性度 17

2.3.7符合度 19

2.3.8迟滞 19

2.3.9非线性迟滞 20

2.3.10重复性 20

2.3.11综合误差 21

2.3.12计算实例 23

2.4非线性传感器静态性能指标计算的进一步讨论 26

2.4.1问题的提出 26

2.4.2数据的基本处理 26

2.4.3误差的描述 27

2.4.4符合度的计算 27

2.4.5迟滞的计算 28

2.4.6符合性迟滞的计算 28

2.4.7重复性的计算 29

2.4.8综合误差的计算 30

2.4.9计算实例 31

2.5传感器动态特性方程 39

2.5.1微分方程 39

2.5.2传递函数 40

2.5.3状态方程 40

2.6传感器动态响应及动态性能指标 41

2.6.1时域动态性能指标 41

2.6.2频域动态性能指标 47

2.7传感器动态特性测试与动态模型建立 53

2.7.1传感器动态标定 53

2.7.2由实验阶跃响应曲线获取传感器传递函数的回归分析法 54

2.7.3由实验频率特性获取传感器传递函数的回归法 59

2.7.4应用实例——高频响、低量程的加速度传感器幅频特性测试及改进 60

2.8传感器噪声及其减小的方法 64

2.8.1传感器噪声产生的原因 64

2.8.2传感器的信噪比 65

2.8.3传感器低噪声化的方法 66

思考题与习题 67

第3章 基本弹性敏感元件的力学特性 69

3.1概述 69

3.2弹性敏感元件的基本特性 70

3.2.1刚度与柔度 70

3.2.2弹性滞后 70

3.2.3弹性后效与蠕变 70

3.2.4弹性材料的机械品质因数 71

3.2.5位移描述 72

3.2.6应变描述 73

3.2.7应力描述 75

3.2.8广义胡克定律 77

3.2.9固有谐振频率 78

3.2.10弹性元件的热特性 78

3.3基本弹性敏感元件的力学特性 80

3.3.1弹性柱体 80

3.3.2弹性弦丝的固有振动 83

3.3.3悬臂梁 84

3.3.4双端固支梁 86

3.3.5周边固支圆平膜片 87

3.3.6周边固支矩形平膜片 89

3.3.7周边固支波纹膜片 93

3.3.8 E形圆膜片 94

3.3.9薄壁圆柱壳体 96

3.3.10弹簧管（包端管 99

3.3.11波纹管 100

3.4弹性敏感元件的材料 100

思考题与习题 101

第4章 电位器式传感器 103

4.1概述 103

4.2线绕式电位器的特性 104

4.2.1灵敏度 104

4.2.2阶梯特性和阶梯误差 104

4.2.3分辨率 105

4.3非线性电位器 105

4.3.1功用 105

4.3.2实现途径 105

4.4电位器的负载特性及负载误差 107

4.4.1电位器的负载特性 107

4.4.2电位器的负载误差 107

4.4.3减小负载误差的措施 108

4.5电位器的结构与材料 110

4.5.1电阻丝 110

4.5.2电刷 111

4.5.3骨架 112

4.6非线绕式电位器 113

4.7典型的电位器式传感器 113

4.7.1电位器式压力传感器 113

4.7.2电位器式加速度传感器 115

思考题与习题 115

第5章 应变式传感器 118

5.1应变式变换原理 118

5.2金属应变片 119

5.2.1结构及应变效应 119

5.2.2横向效应及横向灵敏度 120

5.2.3电阻应变片的种类 122

5.2.4电阻应变片的材料 123

5.2.5应变片的主要参数 126

5.3应变片的动态响应特性 127

5.3.1应变波的传播过程 127

5.3.2应变片工作频率范围的估算 128

5.4应变片的温度误差及其补偿 130

5.4.1温度误差产生的原因 130

5.4.2温度误差的补偿方法 131

5.5电桥原理 133

5.5.1电桥的平衡 133

5.5.2电桥的不平衡输出 134

5.5.3电桥的非线性误差 135

5.6典型的应变式传感器 137

5.6.1应变式力传感器 138

5.6.2应变式加速度传感器 146

5.6.3应变式压力传感器 147

5.6.4应变式位移传感器 150

5.6.5应变式转矩传感器 152

思考题与习题 153

第6章 压阻式传感器 156

6.1压阻式变换原理 156

6.1.1半导体材料的压阻效应 156

6.1.2单晶硅的晶向、晶面的表示 157

6.1.3压阻系数 158

6.2扩散电阻的阻值与几何参数的确定 162

6.3典型的压阻式传感器 164

6.3.1压阻式压力传感器 164

6.3.2压阻式加速度传感器 171

6.4压阻式传感器温度漂移的补偿 174

思考题与习题 177

第7章 热电式传感器 178

7.1概述 178

7.1.1温度的概念 178

7.1.2温标 178

7.1.3温度标准的传递 179

7.1.4温度计的标定与校正 180

7.1.5测温方法与测温仪器的分类 180

7.2热电阻测温传感器 181

7.2.1金属热电阻 181

7.2.2半导体热敏电阻 183

7.2.3测温电桥电路 185

7.3热电偶测温 186

7.3.1热电效应 186

7.3.2热电偶的工作机理 187

7.3.3热电偶的基本定律 188

7.3.4热电偶的误差及补偿 190

7.3.5热电偶的组成、分类及特点 193

7.4半导体P-N结测温传感器 194

7.5其他测温系统 195

7.5.1全辐射式测温系统 195

7.5.2亮度式测温系统 195

7.5.3比色式测温系统 197

7.6应用实例 198

7.6.1基于热敏电阻的双功能温度报警器 198

7.6.2基于热电阻的气体质量流量传感器 202

思考题与习题 203

第8章 电容式传感器 205

8.1基本电容式敏感元件 205

8.2电容式敏感元件的主要特性 206

8.2.1变间隙电容式敏感元件 206

8.2.2变面积电容式敏感元件 208

8.2.3变介电常数电容式敏感元件 209

8.2.4电容式敏感元件的等效电路 209

8.3电容式变换元件的信号转换电路 210

8.3.1运算放大器式电路 210

8.3.2交流不平衡电桥 210

8.3.3变压器式电桥线路 211

8.3.4二极管电路 212

8.3.5差动脉冲调宽电路 214

8.4典型的电容式传感器 215

8.4.1电容式压力传感器 215

8.4.2电容式加速度传感器 216

8.5电容式传感器的结构及抗干扰问题 217

8.5.1温度变化对结构稳定性的影响 217

8.5.2温度变化对介质介电常数的影响 217

8.5.3绝缘问题 218

8.5.4寄生电容的干扰与防止 218

思考题与习题 220

第9章 变磁路式传感器 222

9.1电感式变换原理 222

9.1.1简单电感式变换原理 222

9.1.2差动电感式变换元件 227

9.2差动变压器式变换元件 228

9.2.1磁路分析 228

9.2.2电路分析 230

9.3电涡流式变换原理 230

9.3.1电涡流效应 230

9.3.2等效电路分析 231

9.3.3信号转换电路 232

9.4霍尔效应及元件 233

9.4.1霍尔效应 233

9.4.2霍尔元件 235

9.5典型的变磁路式传感器 235

9.5.1变磁阻式加速度传感器 235

9.5.2霍尔式振动位移传感器 235

9.5.3电涡流式振动位移传感器及其应用 236

9.5.4电磁式振动位移传感器及其应用 236

9.5.5差动电感式压力传感器 237

9.5.6力平衡伺服式加速度传感器 238

9.5.7磁电式涡轮流量传感器 241

9.5.8磁栅式位移传感器 242

9.5.9感应同步器式位移传感器 244

思考题与习题 248

第10章 压电式传感器 251

10.1石英晶体 251

10.1.1石英晶体的压电机理 251

10.1.2石英晶体的压电常数 253

10.1.3石英晶体几何切型的分类 255

10.1.4石英晶体的性能 256

10.1.5石英压电谐振器的热敏感性 256

10.2压电陶瓷 257

10.2.1压电陶瓷的压电机理 257

10.2.2压电陶瓷的压电常数 257

10.2.3常用压电陶瓷 258

10.3聚偏二氟乙烯 259

10.4压电换能元件的等效电路 259

10.5压电换能元件的信号转换电路 260

10.5.1电荷放大器与电压放大器 260

10.5.2压电元件的并联与串联 261

10.6压电式传感器的抗干扰问题 262

10.6.1环境温度的影响 262

10.6.2环境湿度的影响 263

10.6.3横向灵敏度 264

10.6.4基座应变的影响 264

10.6.5声噪声 265

10.6.6电缆噪声 265

10.6.7接地回路噪声 265

10.7典型的压电式传感器 266

10.7.1压电式加速度传感器 266

10.7.2压电式压力传感器 268

10.7.3压电式超声波传感器 269

10.7.4压电式温度传感器 271

思考题与习题 274

第11章 谐振式传感器 276

11.1谐振状态及其评估 276

11.1.1谐振现象 276

11.1.2谐振子的机械品质因数Q值 278

11.2闭环自激系统的实现 279

11.2.1基本结构 279

11.2.2闭环系统的实现条件 280

11.3敏感机理及特点 281

11.3.1敏感机理 281

11.3.2谐振式测量原理的特点 281

11.4频率输出谐振式传感器的测量方法比较 282

11.5谐振弦式压力传感器 283

11.5.1结构与原理 283

11.5.2特性方程 283

11.5.3激励方式 284

11.6振动筒式压力传感器 284

11.6.1结构与原理 284

11.6.2特性方程 285

11.6.3激励方式 286

11.6.4特性的解算 287

11.7谐振膜式压力传感器 288

11.7.1结构与原理 288

11.7.2特性方程 289

11.8石英谐振梁式压力传感器 289

11.8.1结构与原理 289

11.8.2特性方程 290

11.9谐振式科里奥利直接质量流量传感器 291

11.9.1结构与工作原理 291

11.9.2信号检测电路 294

11.9.3密度的测量 295

11.9.4双组分流体的测量 295

11.9.5分类与应用特点 296

思考题与习题 298

第12章 声表面波传感器 300

12.1概述 300

12.2声表面波叉指换能器 301

12.2.1叉指换能器的基本特性 301

12.2.2叉指换能器的基本分析模型 303

12.3声表面波谐振器 304

12.3.1结构组成及其工作原理 304

12.3.2频率和温度的稳定性 306

12.4典型的声表面波传感器 306

12.4.1 SAW应变传感器 307

12.4.2 SAW压力传感器 308

12.4.3 SAW加速度传感器 311

12.4.4 SAW气体传感器 312

12.4.5 SAW流量传感器 315

12.4.6 SAW湿度传感器 317

思考题与习题 318

第13章 光纤传感器 319

13.1概述 319

13.2光纤 319

13.2.1光纤的结构与种类 319

13.2.2传光原理 320

13.2.3光纤的集光能力 322

13.2.4光纤的传输损耗 323

13.3强度调制光纤传感器 325

13.3.1光纤微弯传感器 325

13.3.2反射式光纤位移传感器 326

13.3.3反射式光纤压力传感器 329

13.4相位调制光纤传感器 330

13.4.1相位调制的原理 330

13.4.2相位调制光纤压力传感器 331

13.4.3相位调制光纤力传感器 332

13.4.4基于萨格纳克干涉仪的光纤陀螺 333

13.5频率调制光纤传感器 334

13.6分布式光纤传感器 336

思考题与习题 338

第14章 微机械传感器 339

14.1概述 339

14.1.1微传感器的发展 339

14.1.2微传感器中应用的材料 340

14.1.3微传感器中应用的加工工艺 340

14.1.4微传感器中敏感结构的模型问题 341

14.1.5微传感器中微弱信号的处理问题 341

14.2硅电容式集成压力传感器 342

14.3硅电容式微机械加速度传感器 343

14.3.1单轴加速度传感器 343

14.3.2三轴加速度传感器 344

14.4微机械陀螺 345

14.4.1硅电容式表面微机械陀螺 345

14.4.2输出频率的硅微机械陀螺 346

14.5微机械磁通门传感器 347

14.6微机械二氧化碳气体传感器 347

14.7微机械科氏质量流量传感器 348

14.8毫米波图像传感器 349

14.9基于皮拉尼真空计的微小型压力传感器 350

14.10硅谐振式压力微传感器 351

14.10.1热激励硅微结构谐振式压力传感器 351

14.10.2差动输出的微结构谐振式压力传感器 355

思考题与习题 356

第15章 传感器技术的智能化发展 358

15.1传感器技术智能化的含义 358

15.2基本传感器 360

15.3智能化传感器中的软件 361

15.3.1标度变换技术 361

15.3.2数字调零技术 362

15.3.3非线性补偿 362

15.3.4温度补偿 362

15.3.5数字滤波技术 362

15.4典型应用 362

15.4.1光电式智能化压力传感器 362

15.4.2智能化差压传感器 363

15.4.3全向空速智能化传感器 365

15.4.4智能化结构传感器系统 366

15.4.5嵌入式智能化大气数据传感器系统 367

15.4.6智能化流量传感器系统 367

15.5发展前景 368

思考题与习题 369

附录 370

附录A基本常数 370

附录B国际制词冠 371

附录C国际单位制（SI）的主要单位 371

附录D国际单位制（SI）下空气与常见液体的物理性质 377

参考文献 378