传感器和信号调节PDF电子书下载

第1章 利用传感器的测量系统简介 1

1.1 一般概念和术语 1

1.1.1 测量系统 1

1.1.2 换能器、传感器和执行器 2

1.1.3 信号调节和显示 3

1.1.4 接口、数据域和变换 4

1.2 传感器的分类 5

1.3 通用输入-输出配置 9

1.3.1 干扰输入和调整输入 9

1.3.2 补偿技术 10

1.4 测量系统的静态特性 11

1.4.1 精确度、精密度和灵敏度 11

1.4.2 其他特性：线性和分辨率 14

1.4.3 系统误差 15

1.4.4 随机误差 16

1.5 动态特性 18

1.5.1 零阶测量系统 19

1.5.2 一阶测量系统 19

1.5.3 二阶测量系统 22

1.6 传感器的其他特性 26

1.6.1 输入特性：阻抗 27

1.6.2 可靠性 28

1.7 初级传感器 30

1.7.1 温度传感器：双金属传感器 31

1.7.2 压力传感器 32

1.7.3 流速和流量传感器 34

1.7.4 液位传感器 41

1.7.5 力和转矩传感器 42

1.7.6 加速度和倾斜传感器 43

1.7.7 速度传感器 44

1.8 传感器使用的材料 45

1.8.1 导体、半导体和电介质 47

1.8.2 磁性材料 50

1.9 微传感器工艺 52

1.9.1 厚膜工艺 52

1.9.2 薄膜工艺 53

1.9.3 微机械加工工艺 54

习题 57

参考文献 59

第2章 电阻式传感器 61

2.1 电位器 61

2.2 应变计 67

2.2.1 基本原理：压阻效应 67

2.2.2 类型和应用 71

2.3 电阻式温度检测器 74

2.4 热敏电阻 79

2.4.1 模型 79

2.4.2 热敏电阻的类型和应用 86

2.4.3 线性化 90

2.5 磁敏电阻 92

2.6 光敏电阻（LDR） 96

2.7 电阻式湿度计 101

2.8 电阻式气体传感器 103

2.9 液体电导率传感器 107

习题 109

参考文献 111

第3章 电阻式传感器的信号调节 113

3.1 电阻的测量 113

3.2 分压器 118

3.2.1 电位器 120

3.2.2 用于热敏电阻 123

3.2.3 动态测量 125

3.2.4 分压器用的放大器 126

3.3 惠斯登电桥：平衡测量 128

3.4 惠斯登电桥：偏转测量 130

3.4.1 灵敏度和线性 130

3.4.2 电阻式传感器电桥的模拟线性化 133

3.4.3 传感器电桥的校准和平衡 134

3.4.4 差值测量、平均值测量和补偿 135

3.4.5 惠斯登电桥的电源 139

3.4.6 惠斯登电桥的检测方法 142

3.5 差动放大器和仪表放大器 143

3.5.1 差动放大器 143

3.5.2 利用两个运算放大器的仪表放大器 148

3.5.3 利用三个运算放大器的仪表放大器 150

3.6 干扰 155

3.6.1 干扰的类型和抑制 155

3.6.2 信号电路接地 158

3.6.3 屏蔽接地 159

3.6.4 隔离放大器 163

习题 165

参考文献 173

第4章 变电抗式传感器和磁电式传感器 174

4.1 电容式传感器 174

4.1.1 可变电容器 174

4.1.2 差动电容器 181

4.2 电感式传感器 184

4.2.1 变磁阻式传感器 184

4.2.2 涡流式传感器 189

4.2.3 线性可调差接变压器（LVDT） 192

4.2.4 可调变压器：自动同步器、分解器和感应同步器 199

4.2.5 磁弹性传感器和磁致伸缩传感器 210

4.2.6 威甘德（Wiegand）传感器和脉冲-合金线传感器 213

4.2.7 饱和磁心（磁通闸门）传感器 215

4.2.8 超导量子干涉器件（SQUID） 216

4.3 磁电式传感器 218

4.3.1 基于法拉第定律的传感器 218

4.3.2 霍耳式传感器 223

习题 227

参考文献 229

第5章 变抗式传感器的信号调节 232

5.1 问题和解决方案 232

5.2 交流电桥 236

5.2.1 灵敏度和线性 236

5.2.2 电容性电桥的模拟线性化 239

5.2.3 交流放大器和电源去耦 240

5.2.4 静电屏蔽和有源屏蔽 245

5.2.5 交直流信号变换器 247

5.3 载波放大器和相干检波 251

5.3.1 载波放大器的工作原理和结构 251

5.3.2 相敏检波器 257

5.3.3 在线性可调差接变压器中的应用 261

5.4 供电容式传感器使用的特殊信号调节器 263

5.5 分解器-数字变换器和数字-分解器变换器 266

5.5.1 自动同步器-分解器变换器 266

5.5.2 数字-分解器变换器 269

5.5.3 分解器-数字变换器 270

习题 271

参考文献 275

第6章 有源传感器 277

6.1 热电式传感器：热电偶 277

6.1.1 可逆的热电效应 277

6.1.2 常用的热电偶 281

6.1.3 实用的热电偶定律 284

6.1.4 热电偶回路中的冷端补偿 287

6.2 压电式传感器 290

6.2.1 压电效应 290

6.2.2 压电材料 293

6.2.3 应用 294

6.3 热电式传感器 300

6.3.1 热电效应 300

6.3.2 热电材料 302

6.3.3 辐射定律：普朗克定律、维恩定律和斯忒藩-玻尔兹曼定律 302

6.3.4 应用 304

6.4 光电式传感器 306

6.4.1 光电效应 306

6.4.2 材料和应用 307

6.5 电化学传感器 308

习题 311

参考文献 314

第7章 有源传感器的信号调节 316

7.1 斩波放大器和低漂移放大器 316

7.1.1 运算放大器中的失调和漂移 316

7.1.2 斩波放大器 322

7.1.3 自动调零放大器 323

7.1.4 组合放大器 325

7.1.5 仪表放大器的失调和漂移 326

7.2 静电计放大器和互阻抗放大器 327

7.2.1 互阻抗放大器 328

7.2.2 通过积分进行电流测量 331

7.2.3 设计静电计电路时的注意事项 332

7.3 电荷放大器 333

7.4 放大器的噪声 338

7.4.1 噪声的基础知识 339

7.4.2 运算放大器的噪声 342

7.4.3 互阻抗放大器的噪声 349

7.4.4 电荷放大器的噪声 350

7.4.5 仪表放大器的噪声 352

7.5 电阻器的噪声和漂移 354

7.5.1 固定电阻器的漂移 354

7.5.2 可调电阻器（电位器）的漂移 356

7.5.3 电阻器的噪声 357

习题 358

参考文献 363

第8章 数字式传感器和智能传感器 365

8.1 位置编码器 365

8.1.1 增量位置编码器 365

8.1.2 绝对位置编码器 372

8.2 谐振式传感器 376

8.2.1 基于石英谐振器的传感器 377

8.2.2 表面声波（SAW）传感器 382

8.2.3 振动金属丝应变计 383

8.2.4 振动圆筒传感器 384

8.2.5 数字式流量计 385

8.3 可变振荡器 387

8.3.1 正弦振荡器 388

8.3.2 张弛振荡器 389

8.3.3 可变CMOS振荡器 391

8.3.4 可变振荡器的线性 393

8.4 变换成频率、周期或持续时间 395

8.4.1 电压-频率变换 395

8.4.2 检测量-频率直接变换 397

8.4.3 检测量-持续时间直接变换 400

8.5 传感器-微控制器直接连接 402

8.5.1 频率测量 402

8.5.2 周期和时间间隔测量 404

8.5.3 计算和补偿 407

8.5.4 速度测量——数字式转速计 408

8.6 传感器的通信系统 409

8.6.1 电流遥测术：4mA～20mA电流环路 411

8.6.2 同时进行模拟和数字通信 412

8.6.3 传感器总线：现场总线 413

8.7 智能传感器 415

习题 417

参考文献 420

第9章 其他检测方法 422

9.1 基于半导体结的传感器 422

9.1.1 基于半导体结的温度计 422

9.1.2 磁敏二极管和磁敏晶体管 428

9.1.3 光电二极管 428

9.1.4 位置灵敏探测器（PSD） 436

9.1.5 光电晶体管 437

9.1.6 半导体结核辐射探测器 438

9.2 基于MOSFET的传感器 440

9.3 电荷耦合式传感器和CMOS图像传感器 442

9.3.1 工作原理 442

9.3.2 CCD和CMOS图像传感器的类型及应用 446

9.4 光纤传感器 449

9.4.1 光纤的基础知识 449

9.4.2 光纤传感器技术和应用 450

9.5 超声波传感器 454

9.5.1 超声波传感器的基础知识 454

9.5.2 基于超声波的检测方法和应用 456

9.6 生物传感器 458

习题 460

参考文献 463

习题答案 465