传感器原理与应用PDF电子书下载

0.1 “传感器原理与应用”课程在相关专业中的作用及编写本教材的目的 1

0.1.1 传感器及其在相关专业中的作用 1

0.1.2 编写《传感器原理与应用》教材的目的 1

第0章　绪论 1

0.2 本课程与其他课程的关系 2

0.3 本教材的编写方式 2

第1章　传感器的基本概念 3

1.1 传感器在科学技术中的作用 3

1.1.1 科学技术的研究方法与数学模型 3

1.1.2 数学模型的定义及工程建模步骤 3

1.1.3 数据资料与传感器 4

1.1.4 控制事物规律与传感器 4

1.1.5 传感器在科学技术中作用的结论 4

1.4 传感器的定义、组成框图及各组成部分的作用 5

1.4.1 传感器的定义 5

1.2 传感器转换的常见非电量 5

1.3 测控技术研究的内容 5

1.4.2 传感器的组成框图及各组成部分作用 6

1.5 传感器的分类 6

1.6 传感器工作原理的发展历程 7

1.6.1 模拟式传感器 7

1.6.2 数字式传感器 7

1.6.4 模糊式传感器 8

1.6.5 虚拟传感器 8

1.6.3 智能传感器 8

第2章　传感器的基本特性 9

2.1 传感器的静态特性 9

2.1.1 静态方程式及不同条件下的工作分析 9

2.1.2 静态特性的主要技术指标 10

2.2 传感器的动态特性 15

2.2.1 动态特性的一般数学模型 15

2.2.2 传感器的传递函数 16

2.2.3 传感器的频率传递函数 17

2.2.4 传感器的动态响应 18

2.3 传感器不失真检测转换条件 23

第3章　弹性敏感元件 25

3.1 传感器常用弹性敏感元件的基本特性 25

3.1.1 弹性特性 25

3.1.2 弹性滞后 26

3.1.3 弹性后效 26

3.1.4 弹性元件的固有频率 27

3.2 传感器常用弹性敏感元件及其工作原理的数学模型 27

3.2.1 弹性等截面轴（实心和空心） 27

3.2.2 悬臂梁的工作原理 30

3.2.3 等强度（变截面）梁的工作原理 33

3.2.4 转轴、扭转棒的工作原理 34

3.2.5 薄壁圆筒弹性元件的工作原理 36

3.2.6 等截面薄板（平膜片）的工作原理 38

3.3 弹性敏感元件的应用 39

3.3.1 力→应力和应变型变换 39

3.3.2 力、力矩→应力、应变和挠度型变换 40

3.3.3 压力、差压→应力、应变和挠度型变换 41

3.3.4 扭矩（转矩）→应变和扭转角型变换 42

4.1 构成原理及信号变换原理 43

4.1.1 电阻应变式传感器构成原理 43

4.1.2 信号变换原理 43

4.1.3 使用特点 43

4.2 应变片（计）的工作原理 43

4.2.1 构成原理及信号变换原理 43

第4章 电阻应变式传感器 43

4.2.2 金属电阻应变效应 44

4.2.4 半导体应变片的工作原理 46

4.2.3 应变片的工作原理表达式 46

4.2.5 应变片的结构 47

4.3 应变片的主要特性 48

4.3.1 应变片的静态特性 48

4.3.2 应变片的动态特性 51

4.4 应变片的工作误差 53

4.4.1 测量材料误差 53

4.4.2 应变片工作温度误差及其补偿 54

4.5.1 直流电桥转换原理 56

4.5 应变式传感器的测量电路 56

4.5.2 直流电桥的电压灵敏度及对称电桥 57

4.5.3 电桥的输出特性 58

4.5.4 电桥的非线性误差及补偿 62

4.5.5 电桥的灵敏度 64

4.5.6 交流电桥 65

4.6 应变式传感器的应用 69

4.6.1 变应式传感器的构成原理及非电量转换 69

4.6.2 应变式传感器的应用举例 70

4.7 固态压阻式传感器 76

4.7.1 压阻式传感器的工作原理 76

4.7.2 压阻式压力传感器的工作原理 77

4.7.3 压阻式加速度传感器的工作原理 78

第5章　电容式传感器 80

5.1 电容式传感器的构成、工作原理及工作方式 80

5.1.1 电容式传感器的构成及各元件的作用 80

5.1.2 平行板电容式变换元件的工作原理 80

5.1.3 平行板电容器的工作方式 81

5.2 电容式变换元件的主要特性 86

5.2.1 单组式输出特性 86

5.2.2 差动式输出特性 86

5.2.3 变间隙式差动电容的电压输出特性 87

5.2.4 电容式变换元件的等效电路 88

5.2.5 电容式变换（传感）元件的高阻抗、小功率和易受干扰特性 89

5.2.6 静电引力特性 89

5.3.1 变间隙式工作原理引起的非线性误差 90

5.3 电容式变换元件的误差及补偿 90

5.3.2 温度误差 92

5.3.3 电容电场的边缘效应 94

5.3.4 寄生电容与分布电容的影响及补偿 95

5.4 电容式传感器的测量电路 96

5.4.1 交流不平衡电桥 96

5.4.2 变压器式电桥 98

5.4.3 运算放大器测量电路 100

5.4.4 差动脉冲宽度调制电路 101

5.5.1 电容式位移传感器 103

5.5 电容式传感器的应用 103

5.5.2 电容式液位计 104

5.5.3 电容式压差传感器 105

第6章　电感式传感器 108

6.1 电感式传感器 109

6.1.1 电感式传感器的组成及工作原理 109

6.1.2 电感式传感器的工作方式 110

6.1.3 电感式传感器的输出特性 111

6.1.4 差动变间隙电感式传感器 112

6.1.5 单线圈螺管型电感式传感器 114

6.1.6 差动螺管型电感式传感器 116

6.1.7 电感式传感器的等效电路 118

6.2 互感式传感器（差动变压器） 121

6.2.1 差动变压器的构成 121

6.2.2 差动变压器的工作原理 122

6.3 电感式传感器的测量电路 124

6.3.1 交流电桥原理 124

6.3.2 变压器式交流电桥原理 126

6.3.4 差动整流电路 128

6.3.3 相敏检波电路 128

6.4 电感式传感器的误差 129

6.4.1 零位误差 129

6.4.2 饱和电流误差 130

6.4.3 非线性误差 130

6.4.4 温度误差 131

6.4.5 电磁引力引起的误差 131

6.5 电感式传感器的应用 132

6.5.1 差动电感式位移传感器 132

6.5.2 差动变压器式应变测量传感器 134

第7章　电涡流式传感器 136

7.1 电涡流式传感器的工作原理 136

7.1.1 电涡流式传感器的结构 136

7.1.2 高频反射电涡流式传感器的工作原理 137

7.1.3 低频透射电涡流式传感器的工作原理 140

7.2 电涡流式传感器的测量电路 142

7.2.2 谐振电路 143

7.2.1 交流电桥测量电路 143

7.3 电涡流式传感器的应用 147

7.3.1 电涡流式测厚传感器 147

7.3.2 电涡流式位移传感器 148

7.3.3 电涡流式测温传感器 148

7.3.4 电涡流式转速传感器 148

7.3.5 电涡流式膜厚测量传感器 149

8.1.2 惯性（相对）测量原理的数学模型 151

8.1.1 惯性测量原理 151

8.1 磁电式传感器的惯性测量原理及其数学模型 151

第8章　磁电（电动）式传感器 151

8.2 磁电式传感器的机电变换原理 153

8.2.1 磁电式传感器的分类 153

8.2.2 相对运动调制型磁电式传感器工作原理 154

8.2.3 磁阻调制（变磁阻）型磁电式传感器工作原理 155

8.3 磁电式传感器的动态特性 156

8.3.1 机械阻抗的概念 157

8.3.2 磁电式传感器的机械阻抗 160

8.3.3 磁电式传感器的传递矩阵 161

8.4 磁电式传感器的测量电路 165

8.4.1 加速度测量电路原理 166

8.4.2 位移测量电路原理 166

8.5 磁电式传感器的应用 167

8.5.1 磁电式转速传感器 167

8.5.2 磁电式扭矩传感器 167

9.1 压电效应及工作原理 169

9.1.1 石英晶体的压电效应 169

第9章　压电式传感器 169

9.1.2 压电式传感器的工作原理 171

9.1.3 压电陶瓷的压电效应 173

9.1.4 压电式传感器工作原理的一般表达式 175

9.1.5 压电元件的基本变形及工作方式 176

9.1.6 压电常数和耦合系数 178

9.2 压电式传感器的等效电路 178

9.2.1 压电元件的等效电路 178

9.3.1 电压放大器原理 180

9.2.2 压电式传感器的等效电路 180

9.3 压电式传感器的测量电路 180

9.3.2 电荷放大器原理 182

9.4 压电式传感器的应用 184

9.4.1 压电元件的应用 185

9.4.2 压电式加速度传感器 186

9.4.3 压电式力传感器 189

9.4.4 压电式压力传感器 190

10.1.1 磁致伸缩效应 191

10.1.2 压磁效应 191

10.1 磁性材料的两种效应 191

第10章　压磁式传感器 191

10.2 压磁式传感器的工作原理 192

10.2.1 磁化原理 192

10.2.2 压磁式传感器的工作原理表达式 192

10.3 压磁式传感器工作原理的物理机理 196

10.3.1 压磁元件的构成 196

10.3.3 压磁式传感器的结构 197

10.3.2 工作原理的物理机理 197

10.4 交流压磁式传感器 198

10.5 压磁式传感器的测量电路 198

10.6 压磁式传感器的应用举例 199

10.6.1 利用磁致伸缩效应构成的非接触式扭矩传感器的原理 199

10.6.2 GS-312A压磁式测力传感器 200

第11章　热电式传感器 202

11.1 热电式传感器的工作原理 202

11.1.1 热电效应 202

11.1.2 热电势及其极性 204

11.1.3 热电偶的基本定律 206

11.1.4 热电偶测量温度的基本原理 208

11.2 冷端温度的补偿及其方法 209

11.2.1 冷端补偿 209

11.2.2 冷端补偿的方法 209

11.3 常用热电偶的种类 211

11.4.1 单点温度测量电路 212

11.4 热电偶实用测量电路 212

11.4.2 两点间温差测量电路 213

11.4.3 平均温度测量电路 213

11.4.4 若干点温度之和测量电路 214

11.4.5 若干只热电偶共用一台仪表的测量电路 214

11.5 热电阻式传感器 215

11.5.1 金属热电阻的工作原理 215

11.5.2 热电阻的测量电路 217

11.5.3 金属热电阻的灵敏度 218

11.6 半导体热敏电阻 219

11.6.1 热敏电阻的结构形式 219

11.6.2 负温度系数（NTC）热敏电阻的主要特性 220

11.6.3 热敏电阻的线性化 221

11.7 热电式传感器的应用 224

11.7.1 热电式金属材料鉴别仪 224

11.7.2 铂电阻测量真空度 225

12.2.1 洛伦兹力的形成 227

12.2 霍耳式传感器的工作原理 227

12.1 霍耳效应 227

第12章　霍耳式传感器 227

12.2.2 电场力的形成 228

12.2.3 霍耳电势的形成 228

12.2.4 载流体中的电流 229

12.3 霍耳元件的符号、基本电路、霍耳元件的组合使用及输出电路 230

12.3.1 霍耳元件的符号和基本电路 230

12.3.2 霍耳元件组合使用的电路 230

12.3.3 霍耳电势的输出电路 231

12.4.1 零位误差及补偿 232

12.4 霍耳元件的测量误差及补偿 232

12.4.2 霍耳元件的温度误差及补偿 233

12.5 霍耳式传感器的应用 236

12.5.1 在测量与控制系统中作测量和计算元件 236

12.5.2 在测量系统中作变换元件 237

12.5.3 其他非电量的测量 239

12.5.4 测量高压电流 239

13.1.1 智能化传感器的组成框图 240

第13章　智能传感器 240

13.1 智能化传感器 240

13.1.2 智能化传感器的工作原理 241

13.1.3 智能化传感器的软件设计简介 241

13.2 智能化传感器的软件功能举例 242

13.2.1 零位和满量程误差自校正功能 242

13.2.2 传感器特性补偿功能 243

13.2.3 温度补偿功能 244

13.2.4 量程自动转换功能 245

13.3 智能式传感器 246

第14章　能量变换型传感器 247

14.1 被测量的分类 247

14.2 传感器的能量变换原理 247

14.2.1 自源型传感器的能量变换原理 248

14.2.2 无源型传感器的能量变换原理 248

14.3 能量变换型传感器的传递矩阵 249

14.3.1 二端口传感器的一般表达式 249

14.3.2 二端口传感器的传递矩阵 250

14.3.3 二端口传感器的负载效应 251

14.3.4 传感器的输入、输出特性 252

14.3.5 负载效应的理论机理及清除方法 253

14.4 能量变换型传感器的能量变换类型与特点 253

14.4.1 能量变换型传感器 253

14.4.2 能量控制型传感器 254

14.5 能量变换型传感器的应用 255

14.5.1 电子式预付费热能表 255

14.5.2 电子式预付费电能表 256

15.1 闭环式传感器的一般工作原理及特点 257

第15章　闭环式传感器 257

15.2 力平衡式闭环传感器 258

15.2.1 工作原理 259

15.2.2 闭环式传感器的特性 259

15.3 电荷平衡式闭环传感器 264

15.3.1 构成 264

15.3.2 工作原理 264

参考文献 266