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第1章 传感器相关基础知识1

1.1 传感器概述1

1.1.1 传感器定义1

1.1.2 传感器工作原理及应遵循的法则和定律2

1.1.3 传感器的技术特点2

1.1.4 传感器分类3

1.1.5 传感器的重要意义4

1.2 传感器的数学模型概述8

1.2.1 静态模型8

1.2.2 动态模型8

1.2.3 传感器静态特性10

1.2.4 传感器的动态特性13

1.3 测量基础知识18

1.3.1 测量与误差18

1.3.2 随机误差处理21

1.3.3 系统误差分析24

1.3.4 误差的合成、间接测量误差的传递与分配25

1.4 习题26

第2章 电阻应变式传感器27

2.1 电阻应变式传感器基本原理27

2.1.1 电阻应变式传感器的构造与原理27

2.1.2 弹性元件结构的设计原则30

2.2 电阻应变片的结构、种类和材料31

2.2.1 弹性元件材料的选择31

2.2.2 应变计的选择与粘贴34

2.2.3 应变片的动态参数及其他参数选择35

2.3 测量电桥电路及其补偿方法39

2.3.1 电桥的原理39

2.3.2 电阻应变片的标定及其补偿45

2.4 压阻传感器测量电路和应用51

2.4.1 测量原理和分类51

2.4.2 压阻传感器应用54

2.5 静态电阻应变仪和动态电阻应变仪的原理和应用67

2.5.1 工作原理67

2.5.2 交流电桥式应变仪原理和时域波形69

2.5.3 相关仪理论原理72

2.6 习题74

第3章 电容式传感器75

3.1 电容式传感器的工作原理和结构75

3.1.1 基本工作原理75

3.1.2 变极距型电容式传感器76

3.1.3 变极板面积型电容式传感器77

3.1.4 变介质型电容式传感器78

3.1.5 电容式位移传感器的结构形式79

3.1.6 电容式传感器的输出特性79

3.2 电容式传感器的等效电路82

3.3 电容式传感器的测量电路83

3.3.1 调频电路83

3.3.2 谐振电路84

3.3.3 运算放大器式电路85

3.3.4 二极管双T形交流电桥86

3.3.5 脉冲宽度调制电路87

3.3.6 电桥测量电路89

3.4 电容式传感器应用举例90

3.4.1 电容传感器在板材轧制装置中的应用——电容式测厚仪90

3.4.2 电容传感器在真空注油机溢油自动控制中的应用92

3.4.3 电容式压力传感器94

3.4.4 高分子电容式湿度变送器95

3.4.5 石英挠性伺服加速度计96

3.4.6 微型电容式传感器应用96

3.4.7 实验中变面积式电容传感器的性能和应用98

3.5 习题101

第4章 电感式传感器102

4.1 变磁阻式传感器102

4.1.1 结构和工作原理102

4.1.2 等效电路104

4.1.3 变气隙式电感传感器的输出特性104

4.1.4 差动自感传感器105

4.2 互感式传感器109

4.2.1 结构与工作原理109

4.2.2 等效电路110

4.2.3 测量电路111

4.3 电涡流式传感器116

4.3.1 基本原理116

4.3.2 等效电路117

4.3.3 测量电路118

4.4 电感式传感器应用举例120

4.4.1 差动式自感测厚仪120

4.4.2 涡流式传感器应用举例120

4.4.3 实验用差动变压器相关测量电路分析122

4.5 习题127

第5章 光电传感器128

5.1 光电效应与光电器件128

5.1.1 外光电效应128

5.1.2 内光电效应129

5.1.3 外光电效应器件——光电管和光电倍增管130

5.1.4 内光电效应器件——光敏电阻、光电池和光敏二极管与光敏三极管134

5.2 固态图像传感器144

5.2.1 CCD的单元结构和基本原理144

5.2.2 线型CCD图像传感器基本结构147

5.2.3 面型CCD图像传感器基本结构148

5.3 光电传感器的应用149

5.3.1 烟尘浊度监测仪149

5.3.2 光电转速传感器150

5.3.3 光电池应用151

5.3.4 CCD图像传感器的应用154

5.4 光导式（光纤）传感器158

5.4.1 光纤结构及其传光原理158

5.4.2 光纤传感器161

5.5 光栅传感器166

5.5.1 光栅式数字传感器的分类166

5.5.2 栅式传感器的结构和工作原理167

5.5.3 栅式传感器的测量电路169

5.6 光纤光栅传感器173

5.6.1 光纤光栅历史173

5.6.2 光纤光栅传感器的工作原理173

5.6.3 光栅传感器和光纤光栅传感器的应用175

5.7 习题177

第6章 压电式传感器178

6.1 压电式传感器分类和原理178

6.1.1 压电材料的分类及特性179

6.1.2 压电晶体效应原理181

6.1.3 压电陶瓷的压电现象183

6.2 压电方程及压电常数矩阵184

6.3 等效电路和测量电路186

6.3.1 压电晶片的连接186

6.3.2 等效电路186

6.3.3 电压放大器187

6.3.4 电荷放大器191

6.4 压电传感器的应用实例194

6.4.1 压电加速度计194

6.4.2 石英微天平196

6.4.3 压电式玻璃破碎报警器211

6.5 习题211

第7章 热电式传感器214

7.1 热电偶温度传感器的工作原理214

7.2 热电偶三个定律216

7.2.1 中间导体定律216

7.2.2 中间温度定律217

7.2.3 参考电极定律（中间电极定律）218

7.3 热电偶的种类219

7.3.1 热电偶分类219

7.3.2 介绍几种常用的热电偶220

7.4 热电偶延长接法222

7.5 热电偶冷端补偿223

7.6 热电偶型传感器测温和控制电路设计225

7.7 注塑机热电偶温度测量控制实例228

7.7.1 注塑机温度测量控制系统总体结构228

7.7.2 系统电路结构229

7.8 热电阻和集成电路的温度传感器原理和应用232

7.8.1 热电阻测温原理及材料232

7.8.2 PN结温度传感器233

7.8.3 集成电路的模拟温度传感器236

7.8.4 数字式集成电路的温度传感器238

7.8.5 温度传感器应用实例240

7.9 热敏电阻242

7.9.1 PTC热敏电阻243

7.9.2 NTC热敏电阻244

7.9.3 CTR热敏电阻245

7.10 温度传感器选用原则245

7.11 习题248

第8章 半导体传感器250

8.1 霍尔传感器的工作原理、分类及其简单应用250

8.1.1 霍尔效应和霍尔传感器250

8.1.2 霍尔传感器的分类与特性251

8.1.3 霍尔元件的测量误差和补偿方法253

8.1.4 霍尔传感器的应用255

8.2 气敏传感器258

8.2.1 概述258

8.2.2 半导体气敏传感器的机理259

8.2.3 半导体气敏传感器类型及结构260

8.2.4 气敏传感器应用263

8.3 湿敏传感器264

8.3.1 氯化锂湿敏电阻264

8.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻265

8.3.3 气敏湿敏测量电路268

8.4 几种典型的微型半导体传感器269

8.4.1 微型压力传感器269

8.4.2 微型加速度计271

8.4.3 微型陀螺（MicroGyroscope）274

8.4.4 微型触觉传感器（MicroTactileSensors）276

8.5 习题277

第9章 谐振式传感器279

9.1 谐振式传感器简介279

9.1.1 谐振式传感器特征及分类279

9.1.2 谐振式传感器理论分析和设计281

9.1.3 振弦式传感器结构特点与工作原理286

9.2 水利渗压计振弦谐振式频率式传感器结构和工作原理291

9.3 振弦式传感器的数学模型及特点294

9.3.1 振弦式传感器的理论公式294

9.3.2 振弦式渗压计的特点和技术指标295

9.4 振弦式压力传感器测量硬件设计296

9.4.1 测量系统设计研究的重点和难点296

9.4.2 振弦式传感器信号处理部分的设计297

9.5 振弦式传感器测量模块系统的软件设计303

9.5.1 软件总体设计思想303

9.5.2 单片机测量程序设计305

9.6 本系统的误差分析和解决干扰的方法308

9.6.1 本系统对于振弦式传感器的测量结果309

9.6.2 误差的类型和误差分析309

9.6.3 消除误差提高精度的方法310

9.7 习题313

第10章 辐射式传感器314

10.1 超声波314

10.1.1 超声波及其物理性质314

10.1.2 超声波的反射和折射315

10.1.3 超声波的衰减316

10.2 超声波传感器316

10.2.1 超声波传感器的组成和工作模式316

10.2.2 超声波传感器相关测量电路319

10.3 超声波传感器应用321

10.3.1 超声波物位传感器321

10.3.2 超声波流量传感器322

10.4 红外辐射传感器323

10.4.1 红外辐射323

10.4.2 红外探测器324

10.4.3 红外传感器的应用325

10.5 辐射式传感器应用328

10.5.1 超低功耗超声波的距离测量系统328

10.6 习题333

第11章 智能网络化传感器系统334

11.1 智能网络化传感器334

11.1.1 什么是智能传感器334

11.1.2 智能网络化传感器及系统结构336

11.1.3 设计方法和智能传感器的研究领域337

11.2 符合IEEE1451标准网络传感器系统结构和应用339

11.2.1 IEEE1451标准传感器接口系统模型339

11.2.2 IEEE1451传感器的各种接口和配置340

11.2.3 IEEE1451传感器应用实例341

11.3 无线传感器网络概述343

11.3.1 无线智能传感器网络343

11.3.2 无线传感器网络与传统无线网络的不同特征344

11.4 无线传感网络的体系结构345

11.4.1 节点组成345

11.4.2 网络的体系结构及整体构建346

11.4.3 ZigBee协议347

11.5 无线测控系统的硬件平台设计349

11.5.1 无线测控系统的整体结构349

11.5.2 传感器模块350

11.5.3 网络拓扑结构351

11.5.4 传感节点的硬件设计352

11.5.5 超低功耗单片机MSP430系列及外围电路353

11.5.6 低功耗无线传输模块355

11.5.7 传感器357

11.5.8 电源模块357

11.5.9 软件程序流程图简介358

11.6 无线传感器网络的体系结构和协议359

11.6.1 节点组成359

11.6.2 无线传感网络整体构建360

11.7 无线智能传感器网络发展趋势363

11.7.1 微型化363

11.7.2 无线化364

11.7.3 精确化365

11.7.4 无源化365

11.8 习题365

第12章 现代传感器发展简介366

12.1 厚膜传感器366

12.1.1 厚膜传感器简介366

12.1.2 厚膜电容式微位移传感器367

12.2 MEMS传感器370

12.2.1 概念与结构370

12.2.2 应用实例371

12.3 生物传感器373

12.3.1 定义与结构373

12.3.2 分类374

12.3.3 典型生物传感器374

12.3.4 典型应用—悬臂梁式生物传感器375

12.4 模糊传感器379

12.4.1 概念及结构379

12.4.2 应用实例380

12.5 智能传感器381

12.5.1 定义与功能381

12.5.2 结构和实现382

12.5.3 应用与方向382

12.6 多功能传感器383

12.6.1 定义383

12.6.2 结构模型384

12.6.3 问题描述与重构方法384

12.6.4 应用实例385

12.7 模型传感器387

12.7.1 定义387

12.7.2 建模方法387

12.7.3 应用实例388

12.7.4 传感器的发展趋势388

12.8 习题389

第13章 传感器选用原则和系统抗干扰390

13.1 传感器的正确选用原则390

13.2 抗干扰技术391

13.2.1 电磁兼容问题概述392

13.2.2 噪声分类393

13.2.3 常模噪声和共模噪声393

13.2.4 抗干扰技术措施394

13.3 习题403

附录A 传感器技术实验设备和测量 电路模块404

附录B 传感器技术与实践实验412

附录C 典型激励的系统响应446