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上篇 传感器原理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3

1.1.3本课程的任务及要求4

1.2传感器的定义与组成6

1.3传感器的分类7

1.4传感器技术的发展10

1.4.1传感器性能的改善10

1.4.2开展基础理论研究11

1.4.3传感器的集成化12

1.4.4传感器的智能化13

1.4.5传感器的网络化13

1.4.6传感器的微型化13

能力拓展：生活中的传感器14

习题云14

第2章 传感器的基本特性15

2.1传感器的静态特性15

2.1.1线性度16

2.1.2灵敏度16

2.1.3分辨率17

2.1.4迟滞17

2.1.5重复性18

2.1.6漂移18

2.2传感器的动态特性18

2.2.1传感器的数学模型19

2.2.2传递函数20

2.2.3频率响应函数20

2.2.4传感器的动态特性分析20

2.3传感器的标定与校准24

2.3.1静态标定25

2.3.2动态标定25

能力拓展：实现不失真测量的条件26

习题云26

第3章 电阻式传感器28

3.1工作原理28

3.1.1应变效应29

3.1.2应变片种类30

3.1.3电阻应变片温度误差及其补偿31

3.1.4工程测试中的注意事项34

3.2测量电路35

3.2.1直流电桥35

3.2.2交流电桥38

3.3典型应用41

3.3.1电阻式力传感器41

3.3.2电阻式压力传感器44

3.3.3电阻式差压传感器45

3.3.4电阻式液体重量传感器47

3.3.5电阻式加速度传感器48

能力拓展一：电子秤的设计49

能力拓展二：数字血压计的设计49

习题云49

第4章 电感式传感器51

4.1变磁阻电感式传感器51

4.1.1工作原理51

4.1.2输出特性53

4.1.3测量电路56

4.1.4变磁阻电感式传感器的应用58

4.2差动变压器电感式传感器59

4.2.1变隙式差动变压器59

4.2.2螺线管式差动变压器62

4.2.3差动变压器电感式传感器的应用68

4.3电涡流电感式传感器68

4.3.1工作原理69

4.3.2等效电路70

4.3.3测量电路71

4.3.4电涡流电感式传感器的应用72

能力拓展一：电感式传感器在滚珠直径自动分选与计数中的应用73

能力拓展二：电涡流式安全门的应用调查与原理分析73

习题云73

第5章 电容式传感器75

5.1工作原理75

5.1.1变面积型78

5.1.2变介质型79

5.1.3变极距型81

5.2测量电路84

5.2.1调频电路84

5.2.2运算放大器85

5.2.3变压器式交流电桥86

5.2.4二极管双T型交流电桥86

5.2.5脉冲宽度调制电路87

5.3典型应用90

5.3.1电容式压力传感器91

5.3.2电容式位移传感器92

5.3.3电容式加速度传感器92

5.3.4电容式厚度传感器93

能力拓展：工业生产料位测量方案的设计93

习题云93

第6章 压电式传感器95

6.1工作原理95

6.1.1压电效应95

6.1.2压电材料96

6.2测量电路101

6.2.1等效电路101

6.2.2测量电路101

6.2.3压电元件的连接104

6.3典型应用105

6.3.1压电式力传感器105

6.3.2压电式加速度传感器106

6.3.3压电式交通检测106

能力拓展：压电式传感器在汽车中的应用107

习题云108

第7章 磁敏式传感器109

7.1磁电感应式传感器109

7.1.1工作原理110

7.1.2测量电路114

7.1.3磁电感应式传感器的应用114

7.2霍尔式传感器116

7.2.1工作原理116

7.2.2测量电路121

7.2.3霍尔式传感器的应用121

能力拓展：基于霍尔元件的油气管道无损探伤系统的设计123

习题云124

第8章 热电式传感器125

8.1热电偶126

8.1.1热电偶测温原理126

8.1.2热电偶的结构与种类134

8.1.3热电偶的冷端温度补偿135

8.1.4热电偶的实用测温电路139

8.1.5热电偶的选用与安装140

8.1.6热电偶的应用141

8.2热电阻142

8.2.1铂热电阻142

8.2.2铜热电阻143

8.2.3热电阻的测量电路144

8.2.4热电阻的应用146

8.3热敏电阻146

8.3.1热敏电阻的特性147

8.3.2热敏电阻的应用148

能力拓展：火灾探测报警系统设计149

习题云149

第9章 光电式传感器150

9.1概述150

9.1.1光电式传感器的类别151

9.1.2光电式传感器的基本形式151

9.2光电效应与光电器件153

9.2.1外光电效应型光电器件153

9.2.2内光电效应型光电器件157

9.3 CCD图像传感器168

9.3.1 CCD的工作原理169

9.3.2 CCD图像传感器的分类172

9.3.3 CCD图像传感器的特性参数173

9.3.4 CCD图像传感器的应用175

9.4光纤传感器176

9.4.1光纤177

9.4.2光纤传感器的组成与分类178

9.4.3光纤传感器的应用180

9.5光电式编码器183

9.5.1码盘式编码器183

9.5.2脉冲盘式编码器186

9.5.3光电式编码器的应用188

9.6计量光栅189

9.6.1光栅的结构和工作原理190

9.6.2计量光栅的组成191

9.6.3计量光栅的应用194

能力拓展一：光电式传感器应用调查195

能力拓展二：光电器件在工业烟尘浊度监测中的应用195

能力拓展三：手机生产线表面安装元件定位检测与控制系统设计195

习题云196

第10章 辐射与波式传感器197

10.1红外传感器197

10.1.1工作原理197

10.1.2红外传感器的应用200

10.2微波传感器205

10.2.1工作原理205

10.2.2微波传感器的应用207

10.3超声波传感器211

10.3.1工作原理212

10.3.2超声波传感器的应用215

能力拓展一：入侵探测报警系统的设计221

能力拓展二：红外无损探伤221

习题云221

第11章 化学传感器222

11.1气敏传感器222

11.1.1气敏传感器概述223

11.1.2半导体式气敏传感器的工作原理225

11.1.3气敏传感器的应用228

11.2湿敏传感器230

11.2.1湿敏传感器概述231

11.2.2湿敏传感器的工作原理232

11.2.3湿敏传感器测量电路236

11.2.4湿敏传感器的应用237

能力拓展：防止酒后开车控制器的设计238

习题云239

第12章 生物传感器240

12.1概述240

12.1.1生物传感器的概念240

12.1.2生物传感器的特点241

12.1.3生物传感器的分类241

12.1.4生物传感器的应用242

12.2工作原理243

12.2.1生物分子特异性识别243

12.2.2生物放大244

12.2.3信号转换与处理244

12.2.4几种主要生物传感器245

12.3生物芯片248

12.4生物传感器的发展249

能力拓展：生物传感器的应用状况调查249

习题云250

第13章 新型传感器251

13.1智能传感器251

13.1.1智能传感器的特点252

13.1.2智能传感器的作用252

13.1.3智能传感器的设计253

13.1.4智能传感器的实现255

13.1.5智能传感器的应用实例255

13.2模糊传感器257

13.2.1模糊传感器概述258

13.2.2模糊传感器的结构259

13.2.3典型模糊传感器举例262

13.3微传感器264

13.3.1 MEMS与微加工264

13.3.2微传感器概述266

13.3.3压阻式微传感器267

13.3.4电容式微传感器269

13.3.5电感式微传感器271

13.3.6热敏电阻式微传感器273

13.4网络传感器273

13.4.1网络传感器的概念273

13.4.2网络传感器的类型274

13.4.3基于IEEE1451标准的网络传感器275

13.4.4网络传感器测控系统体系结构281

13.4.5网络传感器的应用前景282

能力拓展：新型传感器发展前景预测282

习题云282

中篇 检测技术284

第14章 参数检测284

14.1概述284

14.1.1检测技术的地位和作用284

14.1.2参数检测的基本概念285

14.1.3工业检测的主要内容289

14.2参数检测的一般方法289

14.2.1过程参数检测290

14.2.2机械量参数检测298

14.2.3其他参数检测301

14.3检测技术的发展301

能力拓展：同一被测量的不同检测方法比较302

习题云302

第15.章 微弱信号检测303

15.1概述303

15.2噪声304

15.3微弱信号检测方法305

15.3.1相关检测法305

15.3.2同步积累法310

习题云314

第16章 软测量315

16.1概述315

16.2软测量的方法316

16.2.1选择辅助变量316

16.2.2处理输入数据317

16.2.3建立软测量模型317

16.2.4软测量模型的校正320

16.3软测量的意义及适用条件320

习题云321

第17章 多传感器数据融合322

17.1概述322

17.1.1数据融合的起源322

17.1.2数据融合的目的323

17.1.3数据融合的定义323

17.1.4数据融合的特性324

17.1.5数据融合的优点324

17.2数据融合的基本原理325

17.2.1数据融合的层次325

17.2.2数据融合的处理形态326

17.2.3数据融合模型326

17.2.4数据融合的关键技术328

17.3数据融合的方法329

17.3.1随机类方法329

17.3.2人工智能类方法330

17.4数据融合系统的应用331

习题云333

第18章 测量不确定度与回归分析334

18.1测量误差概述334

18.2测量误差的处理339

18.2.1随机误差的处理339

18.2.2系统误差的处理342

18.2.3粗大误差的处理344

18.2.4间接测量误差的传递345

18.2.5测量误差的合成346

18.2.6测量误差的分配347

18.3测量不确定度349

18.3.1概述349

18.3.2评定方法350

18.4最小二乘法与回归分析353

18.4.1最小二乘法353

18.4.2一元线性拟合356

18.4.3多元线性拟合357

18.4.4曲线拟合357

习题云358

下篇 检测系统359

第19章 虚拟仪器359

19.1概述359

19.1.1虚拟仪器的基本概念359

19.1.2虚拟仪器的构成与特点360

19.1.3虚拟仪器技术的应用362

19.1.4虚拟仪器的整体设计363

19.1.5虚拟仪器的发展方向364

19.2虚拟仪器系统的开发环境364

19.2.1 LabWindows/CVI364

19.2.2 LabVIEW368

19.3虚拟仪器系统的实现370

19.3.1基于LabWindows/CVI的数据采集370

19.3.2基于L.abVIEW的数据采集370

19.4基于虚拟仪器的综合工程实例373

19.4.1概述373

19.4.2系统关键技术374

19.4.3系统功能及运行结果378

能力拓展：虚拟仪器设计实践380

习题云381

第20章 自动检测系统382

20.1自动检测系统的组成382

20.1.1数据采集系统382

20.1.2输入输出通道387

20.1.3自动检测系统的软件388

20.2自动检测系统的设计方法390

20.2.1系统需求分析391

20.2.2系统总体设计391

20.2.3采样速率的确定393

20.2.4标度变换393

20.2.5硬件设计394

20.2.6软件设计397

20.2.7系统的集成与维护398

20.3典型自动检测系统举例398

20.3.1自动温度测量系统398

20.3.2无线传感器网络400

20.3.3物联网407

20.4自动检测系统的发展411

能力拓展一：液体点滴速度监控装置的设计413

能力拓展二：无线温度采集系统的设计413

能力拓展三：智能环境的设想413

习题云414

附录415

附录A传感器样例415

附录B部分习题参考答案（精减版）418

参考文献420