传感器原理与应用PDF电子书下载

第1部分 传感器的一般特性、分析方法 3

第1章 传感器概述 3

1.1 传感器的定义及分类 3

1.1.1 传感器的定义 3

1.1.2 传感器的分类 3

1.2 传感器的作用与地位 4

1.3 传感器技术的发展动向 4

1.3.1 发现新现象 4

1.3.2 开发新材料 5

1.3.3 采用微细加工技术 5

1.3.4 传感器的智能化 5

1.3.5 仿生传感器 5

思考题 5

第2章 传感器的特性及标定 6

2.1 传感器的静态特性 6

2.1.1 线性度 6

2.1.2 灵敏度 10

2.1.3 迟滞 10

2.1.4 重复性 10

2.2 传感器的动态特性 11

2.2.1 传感器动态特性的数学模型 11

2.2.2 算子符号法与传递函数 12

2.2.3 频率响应函数 12

2.2.4 动态响应特性 13

2.3 传感器的标定 19

2.3.1 传感器的静态特性标定 19

2.3.2 传感器的动态标定 20

思考题 24

第2部分 常见传感器与新型传感器 27

第3章 传感器中的弹性敏感元件设计 27

3.1 弹性敏感元件的基本特性 27

3.1.1 弹性特性 27

3.1.2 弹性滞后 28

3.1.3 弹性后效 28

3.1.4 固有振动频率 28

3.2 弹性敏感元件的材料 29

3.3 弹性敏感元件的特性参数计算 29

3.3.1 弹性圆柱 29

3.3.2 悬臂梁 30

3.3.3 扭转棒 32

3.3.4 平膜片 32

3.3.5 波纹管 34

3.3.6 薄壁圆筒 35

3.3.7 双端固定梁 36

3.4 有限单元法简介 36

3.4.1 弹性力学 36

3.4.2 边界条件 36

3.4.3 最小势能原理 37

3.4.4 有限单元法 37

第4章 电阻应变式传感器 38

4.1 电阻应变片的工作原理（应变效应） 38

4.2 电阻应变片的结构、类型及参数 39

4.2.1 电阻应变片的基本结构 39

4.2.2 电阻应变片的种类及特点 39

4.2.3 金属应变片的参数 41

4.2.4 应变片的粘贴技术 43

4.3 应变片的动态响应特性 43

4.3.1 应变波的传播过程 43

4.3.2 应变片的极限工作频率估算 44

4.4 测量电路 46

4.4.1 直流电桥 46

4.4.2 交流电桥 49

4.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 49

4.5.1 温度误差及其产生原因 49

4.5.2 温度补偿方法 51

4.6 应变式传感器的结构设计及应用 52

4.6.1 应变式压力传感器 52

4.6.2 应变式加速度传感器 55

思考题 56

第5章 电容式传感器 57

5.1 电容式传感器 57

5.1.1 基本工作原理 57

5.1.2 电容式传感器的线性及灵敏度 57

5.2 电容式传感器的输出电路及等效电路 63

5.2.1 电容式传感器的等效电路 63

5.2.2 电容式传感器的输出电路 64

5.3 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 68

5.3.1 边缘效应的影响 68

5.3.2 寄生电容的影响 68

5.3.3 温度的影响 69

5.4 电容式传感器的应用 69

5.4.1 电容式压力传感器 70

5.4.2 电容式加速度传感器 70

5.4.3 电容式荷重传感器 70

5.4.4 振动、位移测量仪 70

5.4.5 电容测厚传感器 71

5.4.6 电容式液位传感器 71

思考题 72

第6章 电感式传感器 73

6.1 电感式传感器工作原理、结构与特性 73

6.1.1 电感式传感器的工作原理和等效电路 73

6.1.2 电感式传感器的结构类型及特性 75

6.1.3 电感式传感器的测量电路 77

6.2 差动变压器式电感传感器 80

6.2.1 工作原理 80

6.2.2 差动变压器式传感器的特性 81

6.3 电涡流式传感器 82

6.3.1 电涡流式传感器的工作原理及特性 83

6.3.2 电涡流式传感器结构形式及特点 84

6.3.3 影响电涡流式传感器灵敏度的因素 85

6.3.4 测量电路 86

6.4 电感式传感器的应用 87

6.4.1 电感式传感器的应用 87

6.4.2 电涡流式传感器的应用 87

思考题 88

第7章 压电式传感器 89

7.1 压电式传感器的工作原理 89

7.1.1 压电效应 89

7.1.2 压电效应的物理解释 92

7.2 压电元件常用结构形式 93

7.3 压电元件的等效电路及测量电路 93

7.3.1 等效电路 93

7.3.2 测量电路 94

7.4 压电式加速度传感器 98

7.4.1 工作原理及特性 98

7.4.2 压电式加速度传感器的典型结构 100

7.4.3 压电式加速度传感器的应用 102

7.5 压电式压力传感器 103

7.5.1 压电式压力传感器的工作原理及结构 103

7.5.2 压电式压力传感器的结构及应用 103

思考题 105

第8章 压阻式传感器 106

8.1 压阻式传感器的工作原理 106

8.2 晶向的表示方法 107

8.3 压阻系数 108

8.4 影响压阻系数的因素 109

8.5 压阻式传感器的结构与设计 110

8.5.1 压阻式压力传感器 110

8.5.2 压阻式加速度传感器 112

8.6 压阻式传感器的测量电路及补偿 113

8.6.1 恒压源供电 113

8.6.2 恒流源供电 114

8.6.3 减小在扩散工艺中的温度影响 115

8.7 压阻式传感器的应用 115

思考题 116

第9章 热电式传感器 117

9.1 热电偶 117

9.1.1 热电偶的工作原理 117

9.1.2 常用热电偶 118

9.2 热电阻 119

9.2.1 热电阻的工作原理 119

9.2.2 常用热电阻 120

9.2.3 热电阻的结构和测量电路 121

9.3 热敏电阻 121

9.3.1 热敏电阻的工作原理 121

9.3.2 热敏电阻的伏安特性 121

9.3.3 热敏电阻的主要参数 122

9.3.4 热敏电阻的结构 122

9.3.5 热敏电阻的测量电路及应用 122

9.4 热释电型温度传感器 123

9.5 集成温度传感器 124

思考题 124

第10章 光电式传感器 125

10.1 光电式传感器的工作原理及基本组成 125

10.2 光电式传感器中的敏感元件 126

10.2.1 外光电效应型光电元件 126

10.2.2 内光电效应型光电器件 129

10.3 光电式传感器的类型及设计 138

10.3.1 光电式传感器的类型 138

10.3.2 光电式传感器的计算 139

10.4 光电式传感器的应用 140

思考题 142

第11章 固态图像传感器 143

11.1 电荷耦合图像传感器 143

11.1.1 CCD的基本工作原理 143

11.1.2 线阵与面阵CCD图像传感器 147

11.1.3 CCD图像传感器的特性参数 148

11.2 其他类型的图像传感器 151

11.2.1 电荷注入器件（CID） 151

11.2.2 MOS型固体图像传感器件 152

11.2.3 电荷引发器件（CPD） 152

11.2.4 叠层型固体传感器件 153

11.3 固态图像传感器的应用 153

思考题 155

第12章 磁传感器 156

12.1 霍尔传感器 156

12.1.1 霍尔传感器的原理 156

12.1.2 霍尔元件的特性 158

12.1.3 测量电路 160

12.1.4 集成霍尔传感器 163

12.1.5 霍尔式传感器的应用 165

12.2 磁敏二极管和磁敏三极管 167

12.2.1 磁敏二极管和磁敏三极管的结构原理 167

12.2.2 磁敏二极管和磁敏三极管的性能指标 169

12.2.3 典型补偿电路 169

12.2.4 磁敏二极管和磁敏三极管的应用 170

12.3 磁通门磁力计 172

12.3.1 磁通门磁力计结构与工作原理 172

12.3.2 典型测量电路 173

12.3.3 磁通门应用 174

12.4 磁敏电阻传感器 174

12.4.1 磁阻效应原理 174

12.4.2 磁阻元件的主要特性 177

12.4.3 典型电路 178

12.4.4 应用 179

12.5 其他类型的磁传感器 182

12.5.1 韦根德磁敏器件 182

12.5.2 Z-元件 184

思考题 187

第13章 射线及微波检测传感器 188

13.1 核辐射传感器 188

13.1.1 核辐射检测的物理基础 188

13.1.2 核辐射传感器 189

13.1.3 核辐射检测技术的应用 190

13.2 超声检测 192

13.2.1 超声检测原理 192

13.2.2 压电式超声波换能器 193

13.2.3 超声波在检测技术中的应用 194

13.3 红外辐射传感器 197

13.3.1 红外辐射的基本定律 197

13.3.2 红外传感器的分类 198

13.3.3 红外辐射检测技术的应用 199

13.4 微波传感器 199

13.4.1 微波的基础知识 199

13.4.2 微波传感器 200

13.4.3 微波检测技术的应用 200

思考题 202

第14章 光导纤维传感器 203

14.1 光纤的特性 203

14.1.1 光纤的结构和主要参数 203

14.1.2 光在普通光纤内的传输 205

14.2 光纤传感器分类 207

14.2.1 强度调制光纤传感器 207

14.2.2 相位调制光纤传感器 207

14.2.3 偏振态调制光纤传感器 208

14.2.4 分布式光纤传感器 208

14.3 光纤传感器的应用 211

14.3.1 光纤温度传感器 211

14.3.2 光纤压力与振动传感器 212

14.3.3 光纤分光与光谱传感器 214

14.3.4 反射式光纤位移传感器 214

14.3.5 光纤图像传感器 215

思考题 216

第15章 化学传感器 217

15.1 湿敏传感器 217

15.1.1 湿度概念 217

15.1.2 陶瓷湿度传感器 218

15.1.3 MgCr2O4系湿敏传感器 220

15.1.4 ZnO-Cr2O3系湿度传感器 220

15.1.5 M系列氧化铝湿度传感器 221

15.2 气敏传感器 222

15.2.1 概述 222

15.2.2 固态电解质气敏传感器 223

15.2.3 电位式气敏传感器 225

15.2.4 氧化物半导体气敏传感器 227

第16章 MEMS传感器 231

16.1 概述 231

16.2 MEMS传感器的特点及分类 232

16.3 MEMS加速度计 232

16.3.1 电容式加速度微传感器 233

16.3.2 压阻式加速度微传感器 234

16.3.3 扭摆式加速度微传感器 234

16.3.4 力平衡式加速度微传感器 235

16.3.5 隧道效应加速度微传感器 236

16.4 角速度微传感器 236

16.4.1 石英音叉振动MEMS陀螺仪 237

16.4.2 双框架角振动微机械陀螺仪 237

16.4.3 振动轮式微陀螺 238

16.4.4 振动棒式微陀螺仪 239

16.5 MEMS传感器的应用 239

16.5.1 在汽车工业中的应用 239

16.5.2 在航空航天工业中的应用 241

16.5.3 在生物医学方面的应用 242

思考题 243

第17章 射频识别（RFID）技术 244

17.1 自动识别技术 244

17.1.1 条码识别技术 244

17.1.2 磁卡识别技术 245

17.1.3 IC卡识别技术 246

17.1.4 生物识别技术 246

17.1.5 射频识别技术 247

17.2 RFII）相关的基础理论 248

17.2.1 RFID相关的电磁场基本理论 248

17.2.2 能量耦合和数据传输 248

17.2.3 数字调制与编码原理 251

17.3 RFID系统的分类与特点 253

17.3.1 RFID系统的分类 253

17.3.2 RFID系统的特点 254

17.4 RFID系统的组成和工作原理 254

17.4.1 RFID系统组成 254

17.4.2 RFID系统工作原理 257

17.5 RFID的关键技术 259

17.5.1 RFID软件中间件技术 259

17.5.2 安全与隐私保护技术 260

17.5.3 RFID防碰撞技术 261

17.6 RFID技术的应用 262

17.6.1 高速公路不停车收费（ETC）系统 262

17.6.2 RFID医院信息系统 265

第3部分 测量信号的调理、记录、显示及虚拟仪器开发 271

第18章 测量信号的调理 271

18.1 概述 271

18.2 调制与解调 272

18.2.1 幅值调制 272

18.2.2 幅值调制的解调 273

18.3 滤波 275

18.3.1 滤波器的一般特性 275

18.3.2 典型的滤波器电路 276

18.4 模／数转换技术 278

18.4.1 逐次逼近式模／数转换原理 278

18.4.2 增量调整型模／数转换原理 279

18.5 电压／电流／频率转换技术 279

18.5.1 电压／频率转换技术 279

18.5.2 电压／电流转换技术 280

18.6 电压和电流放大变换技术 281

18.6.1 同相放大器 281

18.6.2 反相放大器 282

18.6.3 差动放大器 282

18.6.4 仪用放大器 282

18.7 信号调理中的抗干扰 283

18.7.1 干扰类型 283

18.7.2 接地问题 285

18.7.3 隔离放大器 286

第19章 测量信号的采集与显示 288

19.1 数据采集技术 288

19.1.1 数据采集系统的主要功能 288

19.1.2 数据采集系统的结构及原理 288

19.2 数据的显示 291

19.2.1 LED数码管 292

19.2.2 LCD显示器 294

第20章 虚拟仪器 296

20.1 虚拟仪器概述 296

20.2 虚拟仪器的特点 296

20.3 虚拟仪器的体系结构 297

20.3.1 虚拟仪器的硬件系统 298

20.3.2 虚拟仪器的软件系统 299

20.4 LabVIEW软件概述 301

20.5 虚拟仪器应用实例 302

20.5.1 虚拟数字示波器的前面板 303

20.5.2 虚拟数字示波器的设计方案 303

20.5.3 设备选择 303

20.5.4 游标功能 305

20.5.5 测量功能 305

20.5.6 采集功能 305

20.5.7 滤波功能 306

20.5.8 帮助和打印 306

20.5.9 幅度和时基 307

20.5.10 文件保存与回放 307

20.5.11 数学功能 308

20.5.12 李萨如图功能 308

20.5.13 退出程序功能 309

20.5.14 前面板的装饰和程序框图的完善 310

参考文献 311