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第0章　绪论1

0.1　传感器的定义与组成1

0.1.1　传感器的狭义定义1

0.1.2　传感器的广义定义1

0.1.3　传感器的组成框图及各环节的作用1

0.2　传感器的构成方法及发展历程2

0.2.1　传感器的构成方法2

0.2.2　传感器的发展历程10

第1章　传感器设计的理论基础13

1.1　传感器静态数学模型的建立方法13

1.2　确定传感器的静态数学模型及判别法则13

1.3　传感器的静态特性20

1.4　传感器的动态数学模型22

1.5　传感器的传递函数22

1.6　传感器的频率传递函数25

1.7　传感器的动态特性分析25

1.8　传递函数的计算步骤26

1.9　传递函数的应用26

1.10　常用传感器的频率响应特性26

第2章　传感器设计的技术基础30

2.1　合理选择传感器的结构、材料和参数30

2.2　采用差动技术30

2.3　采用补偿技术31

2.4　采用平均技术32

2.5　采用零示法、微差法与闭环技术33

2.6　采用屏蔽、隔离及抗干扰技术35

2.7　线性化技术措施36

2.7.1　线性化的数学原理36

2.7.2　硬件线性化方法37

2.7.3　软件线性化方法38

2.8　温度补偿技术41

2.8.1　公式法41

2.8.2　表格法41

2.9　传感器的标定与校准及互换性技术42

2.9.1　传感器的标定方法42

2.9.2　定期标准的方法43

2.9.3　工程使用的传感器的标定与校准方法43

2.9.4　标定、校准使用的基准43

2.9.5　标准（基准）量值的等级分级44

2.9.6　传感器标定的种类44

2.9.7　传感器的静态标定方法44

2.9.8　选定标准量的等级45

2.9.9　静态标定步骤45

2.9.10　传感器的动态标定方法45

2.10　设计动态指标的修正原理49

2.10.1　一阶传感器动态指标时间常数的修正原理49

2.10.2　二阶传感器动态指标的修正原理50

第3章　传感器设计的一般原则、内容及步骤50

3.1　设计任务书及题目给出的已知参数51

3.2　传感器设计的一般内容及步骤51

3.2.1　设计方案的选择51

3.2.2　工作原理设计52

3.2.3　参数的计算与选择52

3.2.4　误差分析53

3.2.5　结构设计53

3.2.6　绘制机械结构图及电气原理图54

3.2.7　撰写传感器的设计论文54

3.2.8　提交图纸54

3.2.9　设计所用参考资料目录54

3.2.10　提交一份外译汉资料54

第4章　电阻应变式传感器的设计55

4.1　电阻应变式传感器的组成原理框图55

4.2　测量原理设计55

4.3　常用弹性敏感元件的设计与计算56

4.3.1　等截面梁的设计56

4.3.2　环形弹性元件的设计59

4.3.3　平膜片的设计59

4.3.4　圆柱式弹性元件的设计61

4.3.5　波纹管的设计64

4.3.6　扁环弹性元件的设计66

4.3.7　圆环弹性元件的设计67

4.4　设计弹性元件常用参数表67

4.5　电阻应变式传感器的传感（转换）元件应变片的设计79

4.6　电阻应变式传感器测量电路的设计85

4.6.1　测量电路的作用85

4.6.2　电桥测量电路86

4.6.3　直流电桥工作分析86

4.6.4　多个臂同时工作的电桥输出分析89

4.6.5　交流电桥101

4.7　电阻应变式传感器设计方法举例103

4.7.1 电阻应变式称重传感器的设计104

4.7.2　电阻应变式扭矩传感器的设计107

4.8　电阻应变式传感器的结构设计110

4.8.1 电阻应变式测力与称重传感器的结构设计111

4.8.2　柱式（筒式）传感器的结构设计113

4.8.3　轮辐式弹性元件的结构设计113

4.8.4　剪切梁式弹性元件的结构设计115

4.8.5　S型双连孔测力传感器弹性元件的结构设计118

4.8.6　柱环式传感器的结构设计120

4.8.7　应变薄壁圆筒式压力传感器的结构设计121

4.8.8　膜片式应变压力传感器的结构设计123

4.8.9　应变梁式压力传感器的结构设计124

4.8.10　应变式扭矩传感器的结构设计125

4.8.11 多个传感器的组合与输出127

4.8.12　多个传感器组合的误差计算129

4.8.13　应变式测压传感器动态误差的估算130

第5章　电容式传感器的设计131

5.1　电容式传感器的应用特点131

5.2　电容式传感器的应用范围131

5.3　电容式传感器的组成框图131

5.4　电容式传感器的原理设计132

5.4.1　电容式传感器的基础原理132

5.4.2　电容式传感器的工作方式及特性分析132

5.4.3　常用电容式传感器的灵敏度和线性度138

5.5　电容式传感器的结构设计145

5.5.1　电容式传感器的结构设计原则145

5.5.2　电容式传感器的典型结构146

5.6　电容式传感器结构的稳定性设计151

5.6.1　温度对结构尺寸参数的影响及补偿措施151

5.6.2　温度对介电常数的影响及补偿152

5.6.3　结构设计中边缘效应的消除153

5.6.4　结构设计中的绝缘措施154

5.6.5　寄生电容的干扰及消除154

5.7　结构设计实例156

5.8　电容式传感器的参数计算158

5.8.1　电容式传感器初始电容量的计算158

5.8.2　平行板电容器介质厚度（极板间距）的确定159

5.8.3　电容式传感器极板面积的确定160

5.8.4　电容式传感器极板厚度的确定160

5.8.5　电极金属材料选择的原则161

5.8.6　电容式传感器的热计算161

5.9　电容式传感器测量电路的设计165

5.9.1　调幅电路166

5.9.2　调频电路173

5.9.3　脉冲调宽电路173

5.9.4　电容式传感器测量电路参数计算176

第6章　电感式传感器的设计178

6.1　电感式传感器可转换非电量的种类及使用特点178

6.2　电感式传感器的分类178

6.3　电感式传感器的组成178

6.4　电感式传感器常用的结构形式179

6.5　电感式传感器的工作原理及各种结构形式的主要特性180

6.5.1　电感式传感器的工作原理180

6.5.2　电感式传感器的数学模型181

6.5.3　电感式传感器的工作方式及特性分析181

6.5.4　变间隙式电感传感器的特性分析182

6.5.5　变面积式电感传感器的特性分析184

6.5.6　螺线管式电感传感器184

6.5.7　三种工作方式的比较188

6.5.8　差动式电感传感器188

6.5.9　螺管差动式电感传感器的数学模型191

6.6　互感式电感传感器192

6.6.1　工作原理定性分析193

6.6.2　差动变压器的数学模型及特性分析193

6.6.3　螺管式差动变压器的数学模型及特性分析195

6.7　电感变换元件的设计200

6.7.1　电感变换元件的等效电路200

6.7.2　电感变换元件的阻抗计算203

6.7.3　计算不同结构时电感值的计算公式204

6.7.4　闭磁路电感式传感器的设计204

6.8　电感式传感器测量电路的设计208

6.8.1 交流分压电路208

6.8.2　交流电桥测量电路208

6.8.3　振荡电路211

6.9　电感式传感器的设计213

6.9.1 电感式传感器的设计原则213

6.9.2　线圈的设计与计算214

6.10　螺管式差动变压器的设计218

6.10.1 简单变压器的工作原理218

6.10.2　差动变压器的工作原理219

6.10.3　螺管型差动变压器的结构设计219

6.10.4　螺管型差动变压器的参数计算220

6.10.5　差动变压器的误差225

6.11　电感式传感器和差动变压器的工程设计方法228

6.11.1　设计步骤228

6.11.2　设计举例232

6.11.3　测量电路的设计236

第7章　磁电式传感器的设计239

7.1　磁电式传感器转换的主要非电量239

7.2　磁电式传感器的工作原理239

7.3　磁电式传感器的结构设计240

7.4　磁电式传感器的一般设计原则242

7.4.1　磁电式传感器总的设计原则和出发点242

7.4.2　磁电式传感器的设计技术指标245

7.4.3　磁电式传感器的设计、计算内容245

7.4.4　磁电式传感器的设计步骤246

7.5　磁电式传感器的误差264

7.5.1　电流灵敏度和电压灵敏度及其误差264

7.5.2　温度误差265

7.5.3　永磁材料的稳定性误差267

7.5.4　非线性误差267

7.6　磁电式传感器的测量电路设计268

7.6.1　测量电路组成框图268

7.6.2　积分测量电路269

7.6.3　微分测量电路272

7.7　磁电式传感器的设计举例273

第8章　电涡流式传感器的设计290

8.1　电涡流式传感器的非电量变换及特点290

8.1.1　电涡流式传感器变换的非电量290

8.1.2 电涡流式传感器的性能特点290

8.2　电涡流式传感器的工作原理290

8.2.1　一般工作原理290

8.2.2　等效电路291

8.3　电涡流式传感器的设计内容294

8.3.1　单匝线圈在轴线上的磁感应强度294

8.3.2　工作线圈的设计294

8.3.3　电涡流的径向形成范围296

8.3.4　电涡流的贯穿深度297

8.3.5　线圈阻抗的计算298

8.3.6　线圈结构的设计300

8.3.7　电源频率的确定300

8.3.8　电涡流电阻值的计算301

8.3.9　电涡流式传感器的典型应用及应用特点302

8.3.10　CZF-1型传感器的性能302

8.4　电涡流式传感器的测量电路设计302

8.4.1　交流电桥电路设计303

8.4.2　谐振电路设计304

第9章　压电式传感器的设计308

9.1　压电效应308

9.1.1　正压电效应308

9.1.2　逆压电效应308

9.2　压电式传感器的工作原理308

9.2.1　石英晶体表面电荷、晶面电压、晶面电容的计算310

9.2.2　压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算310

9.2.3　常用压电元件的物理性能312

9.3　压电元件结构形式的确定314

9.3.1　并联结构314

9.3.2 串联结构314

9.4　压电式传感器的等效电路315

9.5　压电式传感器的测量电路317

9.5.1　压电式传感器对测量电路的要求317

9.5.2　压电式传感器测量电路的类型320

9.5.3　电荷放大器的设计要点326

9.5.4　差动式电荷放大器327

9.6　压电式力传感器的设计328

9.6.1　压电式力传感器压电元件的选择328

9.6.2　压电式力传感器的工作原理设计328

9.6.3　压电式力传感器的分类及结构设计329

9.6.4　压电式力传感器的主要性能指标332

9.6.5　压电式力传感器的设计要点332

9.7　压电式压力传感器的结构形式与技术指标334

9.7.1　压电式压力传感器的结构形式334

9.7.2　压电式压力传感器的主要技术指标337

9.8　压电式压力传感器的设计计算338

9.8.1　机械强度的设计计算338

9.8.2　灵敏度的设计计算339

9.8.3　绝缘电阻的选择340

9.8.4　谐振频率的设计340

9.8.5　压电式压力传感器的非线性341

9.8.6　弹性元件材料的选择343

参考文献345