Chapter 1 Introduction 1
1.1 Why Do We Care about Measurement? 1
1.1.1 Why Measure Anything? 1
1.1.2 The History of Measurement 2
1.2 Basic Instrumentation 2
1.2.1 Measurements Must Have a Reference 3
1.2.2 Basic Principles 4
1.3 Case Studies 5
Words and Expressions 12
Notes 13
Exercises 15
Chapter 2 Sensors：The First Stage in the Measurement Chain 16
2.1 Sensors versus Transducers 16
2.2 First Steps：Understanding the Measurand 16
2.3 Sensors as Black Boxes—For Now 17
2.4 There's Plenty More to Consider 18
2.5 Definitions 20
2.6 Examples of Temperature Applications 21
Words and Expressions 25
Notes 25
Exercises 26
Chapter 3 Sensors and Signal Conditioning 27
3.1 Transfer Function 27
3.1.1 Zero-Order Systems 27
3.1.2 First-Order Systems 28
3.1.3 Second-Order Systems 28
3.2 The Electronics of Signal Conditioning 29
3.2.1 Excitation 30
3.2.2 Input Matching 31
3.2.3 Translation 31
3.2.4 Linearization 31
3.2.5 Noise 31
3.2.6 Protection 32
3.3 Example Temperature Applications 32
Words and Expressions 33
Notes 34
Exercises 35
Chapter 4 Analog-to-digital Conversion 37
4.1 Conversion Fundamentals 37
4.1.1 Signal Conditioning 37
4.1.2 Sampling 37
4.1.3 Aliasing 38
4.1.4 Antialiasing Filter 39
4.1.5 Hold That Sample 40
4.1.6 Amplitude Quantization 41
4.1.7 Signal-to-Noise Ratio 41
4.1.8 Other Considerations 42
4.2 Realities of Conversion 43
4.2.1 Sample and Hold Circuitry 43
4.2.2 Quantizer 44
4.2.3 SNR Revisited 45
4.3 Converter Architectures 45
4.3.1 Flash and Pipeline 45
4.3.2 Integrating 46
4.3.3 Successive Approximation 47
4.3.4 Oversampling 48
4.4 Example Application：Bits versus Bandwidth 49
Words and Expressions 50
Notes 51
Exercises 52
Chapter 5 Measurement Uncertainty 54
5.1 The Measurement Concept 54
5.2 A Big Scientific and Technical Problem 55
5.3 The Uncertainty Concept 57
5.4 The GUM Approach to Uncertainty：Definitions and Methods for Its Determination 58
5.4.1 Type A Evaluation 59
5.4.2 Type B Evaluation 59
5.4.3 Around Values Attributed to the Measurand Confidence Interval Evaluation 59
5.4.4 Combined Standard Uncertainty 60
5.5 The Role of the Standard and the Traceability and Compatibility Concepts 62
5.6 Calibration 62
Conclusions 64
Words and Expressions 64
Notes 65
Exercises 67
Chapter 6 Data Processing in Measurement Instrumentation 68
6.1 Data Processing 68
6.2 Advantages of Digital Data Processing 69
6.3 Characteristics of Data Processing—Real Time and Correct 69
6.4 Types of Data Processing 70
6.4.1 Filters 70
6.4.2 Finite Impulse Response Filters 71
6.4.3 Infinite Impulse Response Filters 71
6.4.4 Discrete Fourier Transform and Fast Fourier Transform 72
6.4.5 More to Follow 72
6.5 Types of Processors 73
6.6 DSPs 75
Summary 77
Words and Expressions 77
Notes 78
Exercises 79
Chapter 7 Control Output Devices—Actuators and Displays for Process Automation 80
7.1 Direct Current Motors 80
7.2 Induction Motors 83
7.3 Solenoids 85
7.4 Stepper Motors 86
7.5 Micro Actuators 87
7.6 Display and Recording Equipment 89
7.6.1 Computer Display 89
7.6.2 Data Loggers 90
Conclusions 91
Words and Expressions 91
Notes 92
Exercises 93
Chapter 8 Control Theory 94
8.1 An Introduction to Negative Feedback 94
8.2 Negative Feedback—Some Classical Examples 95
8.2.1 The Outrigger 95
8.2.2 The Water Clock 96
8.2.3 The Flyball Governor 96
8.3 Why Should Someone Who Deals with Instrumentation and Measurement Want to Understand Control Theory? 97
8.4 A Brief Introduction to the History of Classical Control Theory 98
8.5 Negative Feedback—A First Mathematical Approach 98
8.6 Negative Feedback,Hish Gains,and Disturbance Rejection 100
8.7 Trouble in Paradise 101
Words and Expressions 102
Notes 103
Exercises 104
Chapter 9 Obtaining Pitch/Roll Measurements in an Extreme Environment 105
9.1 Effects of Extreme Environment 105
9.2 Choosing Components 106
9.2.1 Crystals 106
9.2.2 Orientation Sensors 106
9.2.3 Batteries 107
9.3 Mechanical Isolation 108
9.3.1 Potting Encapsulation 108
9.3.2 Internal and External Isolation 109
9.4 Sensor Calibrations 109
9.5 Thermal Behavior 112
9.6 Signal Processing 112
9.7 Achieved Accuracies 113
9.8 Summary 113
Words and Expressions 113
Notes 114
Exercises 115
参考翻译 117
第1章 引言 117
1.1 为什么我们对测量如此关注？ 117
1.1.1 为什么任何东西都需要测量？ 117
1.1.2 测试的历史 118
1.2 基本仪器 118
1.2.1 测量必须有一个参照标准 118
1.2.2 基本原则 119
1.3 实例研究 120
第2章 传感器：测量的首要环节 127
2.1 传感器与转换器 127
2.2 第一步：了解被测量 127
2.3 目前看做黑箱的传感器 128
2.4 需要考虑的更多问题 128
2.5 定义 130
2.6 温度应用实例 130
第3章 传感器与信号调理 134
3.1 传递函数 134
3.1.1 零阶系统 134
3.1.2 一阶系统 135
3.1.3 二阶系统 135
3.2 信号调理电子学 135
3.2.1 激励 137
3.2.2 输入匹配 137
3.2.3 转换 137
3.2.4 线性化 137
3.2.5 噪声 137
3.2.6 保护 138
3.3 关于温度应用的例子 138
第4章 模拟信号到数字信号的转换 140
4.1 转换原理 140
4.1.1 信号调理 140
4.1.2 采样 140
4.1.3 混叠 142
4.1.4 抗混叠滤波器 142
4.1.5 采样保持 142
4.1.6 幅度量化 143
4.1.7 信噪比 144
4.1.8 其他注意事项 144
4.2 转换的实现 145
4.2.1 采样和保持电路 145
4.2.2 量化 145
4.2.3 信噪比 146
4.3 转换器结构 147
4.3.1 闪存型和流水线型 147
4.3.2 积分型 148
4.3.3 逐次逼近型 149
4.3.4 过采样型 150
4.4 应用实例：位数与带宽 150
第5章 测量不确定度 152
5.1 测量的概念 152
5.2 科学和技术问题 153
5.3 不确定度的概念 154
5.4 GUM方法：定义和方法 155
5.4.1 A类不确定度评价 155
5.4.2 B类不确定度评价 155
5.4.3 被测量置信区间评价的近似值 155
5.4.4 标准不确定度的合成 156
5.5 标准的作用、溯源性与兼容性概念 157
5.6 校准 158
结论 159
第6章 测试仪器中的数据处理 160
6.1 数据处理 160
6.2 数字信号处理的优势 160
6.3 数据处理的特点——实时、准确 161
6.4 数据处理的类型 161
6.4.1 滤波器 162
6.4.2 有限长单位冲激响应滤波器 162
6.4.3 无限长单位冲激响应滤波器 163
6.4.4 离散傅里叶变换和快速傅里叶变换 163
6.4.5 进一步介绍 163
6.5 处理器类型 164
6.6 数字信号处理器 166
总结 167
第7章 控制输出设备——过程自动化执行器和显示设备 168
7.1 直流电动机 168
7.2 感应电动机 171
7.3 螺线管 172
7.4 步进电动机 173
7.5 微执行器 174
7.6 显示和记录设备 175
7.6.1 计算机显示设备 175
7.6.2 数据记录仪 176
结论 177
第8章 控制理论 178
8.1 负反馈简介 178
8.2 负反馈——一些经典的例子 179
8.2.1 船舷外支架 179
8.2.2 滴漏 179
8.2.3 飞球式调控器 180
8.3 为什么许多从事仪器仪表和测试的人想要了解控制理论？ 180
8.4 经典控制理论的历史简介 181
8.5 负反馈——第一个数学方法 181
8.6 负反馈、高增益和抑制干扰 183
8.7 天堂陷阱 183
第9章 在极端环境中获取倾斜／滚动的测量结果 185
9.1 极端环境的影响 185
9.2 选择零件 185
9.2.1 晶体 185
9.2.2 方向传感器 185
9.2.3 电池 187
9.3 机械隔离 187
9.3.1 灌封封装 187
9.3.2 内部隔离与外部隔离 188
9.4 传感器校准 188
9.5 热性能 190
9.6 信号处理 190
9.7 达到的精度 191
9.8 总结 191
参考文献 192