第1章 工程中的传感器系统 1
1.1 传感器和传感器系统的作用 1
1.1.1 传感过程中估计的重要性 2
1.1.2 创新的传感器技术 3
1.2 应用场景 3
1.3 人体感官系统 5
1.4 机电一体化工程 5
1.4.1 机电一体化的方法 6
1.4.2 机电一体化仪器的瓶颈 6
1.5 控制系统的架构 7
1.5.1 反馈和前馈控制 8
1.5.2 数字控制 10
1.5.3 可编程逻辑控制器 11
1.5.4 分布式控制 12
1.6 仪表化过程 14
1.6.1 仪表化步骤 15
1.6.2 应用实例 15
1.7 本书的组织结构 21
关键术语 22
思考题 24
第2章 组件互连 27
2.1 引言 27
2.1.1 组件互连概述 27
2.1.2 本章内容 28
2.2 阻抗 28
2.2.1 阻抗的定义 28
2.2.2 在组件互连中阻抗匹配的重要性 28
2.3 阻抗匹配的方法 29
2.3.1 最大功率传输 29
2.3.2 效率最高的功率传输 31
2.3.3 信号传输中的反射预防 31
2.3.4 负载效应的降低 32
2.3.5 机械系统中的阻抗匹配 34
关键术语 42
思考题 42
第3章 放大器和滤波器 45
3.1 信号修整与调理 45
3.1.1 信号调理 45
3.1.2 本章内容 45
3.2 放大器 46
3.2.1 运算放大器 46
3.2.2 放大器的性能等级 48
3.2.3 电压、电流和功率放大器 51
3.2.4 仪表放大器 53
3.2.5 噪声和接地回路 55
3.3 模拟滤波器 57
3.3.1 无源滤波器和有源滤波器 58
3.3.2 低通滤波器 59
3.3.3 高通滤波器 64
3.3.4 带通滤波器 65
3.3.5 带阻滤波器 68
3.3.6 数字滤波器 69
关键术语 70
思考题 71
第4章 信号转换方法 74
4.1 信号修整与转换 74
4.1.1 信号转换 74
4.1.2 本章内容 75
4.2 调制器和解调器 75
4.2.1 幅度调制 76
4.2.2 幅度调制的应用 78
4.2.3 解调 80
4.3 数据采集硬件 82
4.3.1 数-模转换器 85
4.3.2 模-数转换器 89
4.3.3 采样-保持硬件 93
4.3.4 多路复用器 94
4.4 电桥 96
4.4.1 惠斯登电桥 96
4.4.2 恒流电桥 98
4.4.3 电桥输出的硬件线性化 99
4.4.4 半桥电路 100
4.4.5 阻抗电桥 101
4.5 装置的线性化 102
4.5.1 非线性的性质 102
4.5.2 模拟线性化硬件 104
4.6 其他信号转换硬件 107
4.6.1 移相器 108
4.6.2 电压-频率转换器 109
4.6.3 频率-电压转换器 111
4.6.4 电压-电流转换器 111
4.6.5 峰值保持电路 112
关键术语 113
思考题 114
第5章 性能指标和参数 120
5.1 性能指标 120
5.1.1 性能指标的参数 120
5.1.2 动态参考模型 122
5.2 时域指标 124
5.3 频域指标 127
5.3.1 增益裕度和相位裕度 128
5.3.2 频域内简单的振荡器模型 129
5.4 线性度 129
5.5 仪表额定值 133
5.5.1 额定参数 133
5.5.2 灵敏度 134
关键术语 141
思考题 143
第6章 带宽、采样和误差传递 146
6.1 引言 146
6.2 带宽分析 146
6.2.1 带宽 147
6.2.2 静态增益 150
6.3 由信号采样而产生的混叠失真 151
6.3.1 采样定理 151
6.3.2 混叠的简要说明 152
6.3.3 抗混叠滤波器 152
6.3.4 控制系统的带宽设计 155
6.4 仪器误差的注意事项 157
6.5 误差传递与合成 159
6.5.1 灵敏度在误差合成中的应用 159
6.5.2 绝对误差 160
6.5.3 方和根误差 160
6.5.4 来自单项误差的同等贡献 160
关键术语 164
思考题 166
第7章 测量结果的估计 171
7.1 传感与估计 171
7.2 最小二乘估计 172
7.2.1 最小二乘点估计 172
7.2.2 数据和估计的随机性 173
7.2.3 最小二乘线估计 176
7.2.4 估计的质量 177
7.3 MLE 179
7.3.1 MLE的分析依据 179
7.3.2 通过贝叶斯定理证明MLE 180
7.3.3 MLE与正态分布 181
7.3.4 递归最大似然估计 182
7.3.5 离散MLE的示例 183
7.4 标量静态卡尔曼滤波器 184
7.4.1 标量静态卡尔曼滤波器的概念 184
7.4.2 贝叶斯公式的使用 185
7.4.3 标量静态卡尔曼滤波器算法 186
7.5 线性多变量动态卡尔曼滤波器 190
7.5.1 状态空间模型 191
7.5.2 系统响应 192
7.5.3 可控性与可观测性 192
7.5.4 离散时间状态空间模型 193
7.5.5 线性卡尔曼滤波器算法 194
7.6 扩展卡尔曼滤波器 196
7.7 无迹卡尔曼滤波器 199
7.7.1 无迹变换 200
7.7.2 无迹卡尔曼滤波器算法 202
关键术语 206
思考题 209
第8章 模拟运动传感器 215
8.1 传感器和换能器 215
8.1.1 相关术语 216
8.1.2 传感器的类型与选型 217
8.2 传感器的机电应用 219
8.3 电位计 220
8.3.1 旋转电位计 221
8.3.2 性能方面的考量 223
8.3.3 光学电位计 225
8.4 可变电感传感器 227
8.4.1 电感、电抗和磁阻 228
8.4.2 线性可变差动变压器式传感器 229
8.4.3 互感接近传感器 235
8.4.4 旋转变压器 236
8.5 永磁和涡流传感器 238
8.5.1 直流转速计 238
8.5.2 交流转速计 243
8.5.3 涡流传感器 244
8.6 可变电容传感器 245
8.6.1 电容传感器的测量电路 246
8.6.2 电容位移传感器 248
8.6.3 测量旋转和角速度的电容传感器 248
8.6.4 电容液位传感器 248
8.6.5 电容传感器的应用 249
8.7 压电传感器 250
8.7.1 电荷灵敏度和电压灵敏度 251
8.7.2 电荷放大器 252
8.7.3 压电加速度计 254
8.8 陀螺仪传感器 256
8.8.1 速率陀螺仪 256
8.8.2 科里奥利力设备 257
关键术语 257
思考题 260
第9章 力传感器 268
9.1 传感器 268
9.1.1 力传感器 268
9.1.2 用于运动测量的力传感器 269
9.1.3 力传感器的位置 269
9.2 应变片 270
9.2.1 应变片测量的公式 270
9.2.2 半导体应变片 276
9.2.3 温度自动补偿（半导体应变片） 279
9.3 转矩传感器 281
9.3.1 应变片转矩传感器 281
9.3.2 设计方面的注意事项 282
9.3.3 挠度转矩传感器 290
9.3.4 反作用转矩传感器 292
9.3.5 电动机电流转矩传感器 292
9.3.6 力传感器 294
9.4 触觉传感 295
9.4.1 触觉传感器的要求 296
9.4.2 触觉传感器的结构和操作 297
9.4.3 光学触觉传感器 298
9.4.4 应变片触觉传感器 299
9.4.5 其他种类的触觉传感器 300
9.5 阻抗传感和控制 301
关键术语 303
思考题 304
第10章 多种传感器 309
10.1 引言 309
10.2 光学传感器和激光器 309
10.2.1 激光器 309
10.2.2 光纤传感器 311
10.2.3 光学传感器例子 312
10.2.4 光传感器 315
10.2.5 光学耦合器的应用 317
10.3 几种传感器技术 318
10.3.1 超声波传感器 318
10.3.2 磁致伸缩位移传感器 319
10.3.3 声发射传感器 319
10.4 热流体传感器 320
10.4.1 压力传感器 320
10.4.2 流量传感器 321
10.4.3 温度传感器 323
10.5 监测水质的传感器 325
10.5.1 pH值传感器 326
10.5.2 溶解氧传感器 326
10.5.3 氧化-还原电位传感器 326
关键术语 327
思考题 329
第11章 数字传感器 331
11.1 创新的传感器技术 331
11.1.1 模拟与数字传感 331
11.1.2 数字传感器的优点 333
11.2 轴编码器 333
11.3 增量式光电编码器 336
11.3.1 旋转方向 337
11.3.2 编码器的硬件特性 338
11.3.3 线性编码器 339
11.4 编码器的运动感测 340
11.4.1 位移测量 340
11.4.2 速度测量 343
11.5 编码器数据的采集和处理 346
11.5.1 利用微控制器进行数据采集 346
11.5.2 利用台式机进行数据采集 347
11.6 绝对式光电编码器 348
11.6.1 格雷码 349
11.6.2 分辨率 350
11.6.3 速度测量 350
11.6.4 优点和缺点 350
11.7 编码器误差 351
11.8 各种数字传感器 354
11.8.1 二进制传感器 354
11.8.2 数字旋转变压器 355
11.8.3 数字转速计 356
11.8.4 莫尔条纹位移传感器 357
11.9 霍尔效应传感器 359
11.9.1 霍尔效应运动传感器 359
11.9.2 特性 360
11.10 图像传感器 360
11.10.1 图像处理和计算机视觉 360
11.10.2 基于图像的感觉系统 360
11.10.3 相机 360
11.10.4 图像帧的采集 361
11.10.5 彩色图像 361
11.10.6 图像处理 362
11.10.7 有关应用 362
关键术语 362
思考题 364
第12章 微机电系统与多传感器系统 369
12.1 先进的多传感器技术 369
12.2 微机电系统传感器 369
12.2.1 微机电系统的优点 369
12.2.2 MEMS传感器建模 370
12.2.3 MEMS的应用 371
12.2.4 MEMS的材料与制造 372
12.2.5 MEMS传感器例子 373
12.3 无线传感器网络 374
12.3.1 无线传感器网络体系结构 374
12.3.2 无线传感器网络的优点和问题 377
12.3.3 通信问题 379
12.3.4 定位 381
12.3.5 无线传感器网络的应用 384
12.3.6 无线传感器网络的实现案例 385
12.4 传感器融合 387
12.4.1 融合的性质和类型 387
12.4.2 传感器融合的应用 388
12.4.3 传感器融合的方法 390
关键术语 404
思考题 410
扩展阅读 415
计算题答案 416
单位和转换 418
公制前缀 419