上篇 传感器 1
第1章 概述 1
1.1 课程简介 1
1.1.1 本课程的地位和作用 1
1.1.2 本课程内容体系结构 2
1.1.3 本课程的任务及要求 3
1.2 传感器的定义与组成 5
1.3 传感器的分类 6
1.4 传感器技术的发展 7
1.4.1 传感器性能的改善 8
1.4.2 开展基础理论研究 8
1.4.3 传感器的集成化 10
1.4.4 传感器的智能化 10
1.4.5 传感器的网络化 10
1.4.6 传感器的微型化 11
能力拓展：生活中的传感器 11
思考题和习题 11
第2章 传感器的基本特性 12
2.1 传感器的静态特性 12
2.1.1 线性度 12
2.1.2 灵敏度 13
2.1.3 分辨率 13
2.1.4 迟滞 14
2.1.5 重复性 14
2.1.6 漂移 14
2.2 传感器的动态特性 14
2.2.1 传感器的数学模型 16
2.2.2 传递函数 16
2.2.3 频率响应函数 17
2.2.4 传感器的动态特性分析 17
2.3 传感器的标定与校准 19
2.3.1 静态标定 20
2.3.2 动态标定 20
能力拓展：实现不失真测量的条件 21
思考题和习题 21
第3章 电阻式传感器 23
3.1 工作原理 23
3.1.1 应变效应 23
3.1.2 应变片种类 24
3.1.3 电阻应变片温度误差及其补偿 26
3.2 测量电路 28
3.2.1 直流电桥 28
3.2.2 交流电桥 31
3.3 典型应用 34
3.3.1 电阻式力传感器 34
3.3.2 电阻式压力传感器 36
3.3.3 电阻式液体重量传感器 36
能力拓展一：电阻式加速度传感器的原理分析 37
能力拓展二：数字血压计的设计 38
思考题和习题 38
第4章 电感式传感器 39
4.1 变磁阻式传感器 39
4.1.1 工作原理 39
4.1.2 输出特性 40
4.1.3 测量电路 42
4.1.4 变磁阻式传感器的应用 44
4.2 差动变压器式传感器 45
4.2.1 变隙式差动变压器 45
4.2.2 螺线管式差动变压器 47
4.2.3 差动变压器式传感器的应用 52
4.3 电涡流式传感器 53
4.3.1 工作原理 53
4.3.2 等效电路 54
4.3.3 测量电路 55
4.3.4 电涡流式传感器的应用 57
能力拓展一：电感式传感器在滚珠直径分选中的应用 57
能力拓展二：电涡流式安全门的应用调查与原理分析 58
思考题和习题 58
第5章 电容式传感器 59
5.1 工作原理 59
5.1.1 变面积型 60
5.1.2 变介质型 61
5.1.3 变极距型 62
5.2 测量电路 65
5.2.1 调频电路 65
5.2.2 变压器式交流电桥 66
5.2.3 运算放大器 66
5.2.4 二极管双T型交流电桥 67
5.2.5 脉冲宽度调制电路 68
5.3 典型应用 70
5.3.1 电容式压力传感器 70
5.3.2 电容式位移传感器 71
5.3.3 电容式加速度传感器 72
5.3.4 电容式厚度传感器 72
能力拓展：工业生产料位测量方案的设计 73
思考题和习题 73
第6章 压电式传感器 74
6.1 工作原理 74
6.1.1 压电效应 74
6.1.2 压电材料 74
6.2 测量电路 79
6.2.1 等效电路 79
6.2.2 测量电路 80
6.2.3 压电元件的连接与变形 83
6.3 典型应用 84
6.3.1 压电式力传感器 84
6.3.2 压电式加速度传感器 85
能力拓展：压电式传感器在汽车中的应用 85
思考题和习题 85
第7章 磁敏式传感器 87
7.1 磁电感应式传感器 87
7.1.1 工作原理 87
7.1.2 测量电路 91
7.1.3 磁电感应式传感器的应用 92
7.2 霍尔式传感器 94
7.2.1 工作原理 94
7.2.2 测量电路 98
7.2.3 霍尔式传感器的应用 99
能力拓展：基于霍尔元件的油气管道无损探伤系统的设计 101
思考题和习题 101
第8章 热电式传感器 102
8.1 热电偶 102
8.1.1 热电偶测温原理 102
8.1.2 热电偶的结构与种类 109
8.1.3 热电偶的冷端温度补偿 111
8.1.4 热电偶的实用测温电路 114
8.1.5 热电偶的选用与安装 116
8.1.6 热电偶的应用 116
8.2 热电阻 117
8.2.1 铂热电阻 118
8.2.2 铜热电阻 118
8.2.3 热电阻的测量电路 119
8.2.4 热电阻的应用 120
8.3 热敏电阻 121
8.3.1 热敏电阻的特性 122
8.3.2 热敏电阻的应用 122
能力拓展：火灾探测报警系统的设计 123
思考题和习题 123
第9章 光电式传感器 125
9.1 概述 125
9.1.1 光电式传感器的类别 125
9.1.2 光电式传感器的基本形式 125
9.2 光电效应与光电器件 127
9.2.1 外光电效应型光电器件 127
9.2.2 内光电效应型光电器件 130
9.3 CCD固体图像传感器 141
9.3.1 CCD的工作原理 142
9.3.2 CCD固体图像传感器的分类 144
9.3.3 CCD固体图像传感器的特性参数 146
9.3.4 CCD固体图像传感器的应用 147
9.4 光纤传感器 149
9.4.1 光纤 149
9.4.2 光纤传感器 151
9.4.3 光纤传感器的应用 153
9.5 光电式编码器 154
9.5.1 码盘式编码器 155
9.5.2 脉冲盘式编码器 157
9.5.3 光电式编码器的应用 159
9.6 计量光栅 160
9.6.1 光栅的结构和工作原理 160
9.6.2 计量光栅的组成 162
9.6.3 计量光栅的应用 164
能力拓展一：光电式传感器应用调查 165
能力拓展二：手机生产线表面安装元件定位检测与控制系统设计 165
思考题和习题 165
第10章 辐射与波式传感器 167
10.1 红外传感器 167
10.1.1 工作原理 167
10.1.2 红外传感器的应用 169
10.2 微波传感器 173
10.2.1 微波传感器的原理、组成及特点 173
10.2.2 微波传感器的应用 175
10.3 超声波传感器 179
10.3.1 工作原理 179
10.3.2 超声波传感器的应用 182
能力拓展：入侵探测报警系统的设计 187
思考题和习题 187
第11章 化学传感器 189
11.1 气敏传感器 189
11.1.1 气敏传感器概述 189
11.1.2 半导体式气敏传感器的工作原理 191
11.1.3 气敏传感器的应用 194
11.2 湿敏传感器 196
11.2.1 湿敏传感器概述 196
11.2.2 常用湿敏传感器的基本原理 198
11.2.3 湿敏传感器测量电路 202
11.2.4 湿敏传感器的应用 203
能力拓展：防止酒后开车控制器的设计 205
思考题和习题 205
第12章 生物传感器 206
12.1 概述 206
12.1.1 生物传感器的概念 206
12.1.2 生物传感器的特点 207
12.1.3 生物传感器的分类 207
12.1.4 生物传感器的应用 207
12.2 工作原理 208
12.2.1 生物分子特异性识别 209
12.2.2 生物放大 210
12.2.3 信号转换与处理 210
12.2.4 几种主要的生物传感器 211
12.3 生物芯片 212
12.4 生物传感器的发展 214
能力拓展：生物传感器的应用状况调查 214
思考题和习题 215
第13章 新型传感器 216
13.1 智能传感器 216
13.1.1 智能传感器的特点 216
13.1.2 智能传感器的作用 217
13.1.3 智能传感器的设计 218
13.1.4 智能传感器的实现 219
13.1.5 智能传感器的应用实例 220
13.2 模糊传感器 222
13.2.1 模糊传感器概述 223
13.2.2 模糊传感器的结构 224
13.2.3 典型模糊传感器举例 226
13.3 微传感器 229
13.3.1 MEMS与微加工 229
13.3.2 微传感器概述 231
13.3.3 压阻式微传感器 231
13.3.4 电容式微传感器 234
13.3.5 电感式微传感器 236
13.3.6 热敏电阻式微传感器 237
13.4 网络传感器 238
13.4.1 网络传感器的概念 238
13.4.2 网络传感器的类型 238
13.4.3 基于IEEE1451标准的网络传感器 239
13.4.4 网络传感器测控系统体系结构 246
13.4.5 网络传感器的应用前景 246
能力拓展：新型传感器发展前景预测 247
思考题和习题 247
中篇 检测技术 248
第14章 参数检测 248
14.1 概述 248
14.1.1 检测技术在国民经济中的地位和作用 248
14.1.2 参数检测的基本概念 248
14.1.3 工业检测的主要内容 252
14.2 参数检测的一般方法 253
14.2.1 过程参数检测 254
14.2.2 机械量参数检测 259
14.2.3 其他参数检测 261
14.3 检测技术的发展 261
能力拓展：同一被测量的不同检测方法比较 262
思考题和习题 262
第15章 微弱信号检测 263
15.1 概述 263
15.2 噪声 263
15.3 微弱信号检测方法 265
15.3.1 相关检测法 265
15.3.2 同步积累法 270
思考题和习题 274
第16章 软测量 275
16.1 概述 275
16.2 软测量的方法 275
16.2.1 选择辅助变量 275
16.2.2 输入数据的处理 276
16.2.3 建立软测量模型 277
16.2.4 软测量模型的在线校正 279
16.3 软测量的意义及其适用条件 279
思考题和习题 280
第17章 多传感器数据融合 281
17.1 概述 281
17.1.1 数据融合的起源 281
17.1.2 数据融合的目的 281
17.1.3 数据融合的定义 282
17.1.4 数据融合的特性 282
17.1.5 数据融合的优点 283
17.2 数据融合的基本原理 283
17.2.1 数据融合的层次 283
17.2.2 数据融合的处理形态 284
17.2.3 数据融合模型 285
17.2.4 数据融合的关键技术 287
17.3 数据融合的方法 288
17.3.1 随机类方法 288
17.3.2 人工智能类方法 289
17.4 数据融合系统的应用 290
思考题和习题 291
第18章 测量不确定度与回归分析 292
18.1 测量误差概述 292
18.2 测量误差的处理 296
18.2.1 粗大误差的处理 296
18.2.2 随机误差的处理 297
18.2.3 系统误差的处理 300
18.2.4 间接测量误差的传递 301
18.2.5 测量误差的合成 302
18.2.6 测量误差的分配 303
18.3 测量不确定度 305
18.3.1 概述 305
18.3.2 测量不确定度的评定方法 306
18.4 最小二乘法与回归分析 309
18.4.1 最小二乘法 309
18.4.2 一元线性拟合 312
18.4.3 多元线性拟合 312
18.4.4 曲线拟合 313
思考题和习题 313
下篇 检测系统 315
第19章 虚拟仪器 315
19.1 概述 315
19.1.1 虚拟仪器的基本概念 315
19.1.2 虚拟仪器的构成与特点 315
19.1.3 虚拟仪器技术的应用 318
19.1.4 虚拟仪器的整体设计 318
19.2 虚拟仪器系统的开发环境 319
19.2.1 LabWindows/CVI 319
19.2.2 LabVIEW 323
19.3 虚拟仪器系统的数据采集 325
19.3.1 基于LabWindows/CVI的数据采集 325
19.3.2 基于LabVIEW的数据采集 325
19.4 基于虚拟仪器的综合工程实例 328
19.4.1 概述 329
19.4.2 系统关键技术 329
19.4.3 系统功能及运行结果 334
能力拓展：虚拟仪器设计实践 337
思考题与习题 337
第20章 自动检测系统 338
20.1 自动检测系统的组成 338
20.1.1 数据采集系统 338
20.1.2 输入输出通道 343
20.1.3 自动检测系统的软件 344
20.2 自动检测系统的基本设计方法 346
20.2.1 系统需求分析 346
20.2.2 系统总体设计 347
20.2.3 采样速率的确定 348
20.2.4 标度变换 349
20.2.5 硬件设计 350
20.2.6 软件设计 353
20.2.7 系统的集成与维护 353
20.3 典型自动检测系统举例 354
20.3.1 自动温度测量系统 354
20.3.2 无线传感器网络 356
20.4 自动检测系统的发展 362
能力拓展一：液体点滴速度监控装置的设计 363
能力拓展二：无线温度采集系统的设计 363
能力拓展三：智能环境的设想 364
思考题和习题 364
附录 365
参考文献 368