传感器技术及应用

第1章 绪论
1.1 传感器的作用与功能1
1.2 传感器的分类3
1.2.1 按工作原理分类3
1.2.2 按被测量分类5
1.3 传感器技术的特点5
1.4 传感器技术的发展6
1.4.1 新材料、新功能的开发与应用 6
1.4.2 微机械加工工艺的发展7
1.4.3 传感器的多功能化发展8
1.4.4 传感器的智能化发展9
1.4.5 传感器模型及其仿真技术9
1.5 与传感器技术相关的一些基本概念10
1.6 本教材的特点及主要内容10
思考题与习题11
第2章 传感器的特性
2.1 传感器静态特性的一般描述12
2.2 传感器的静态标定12
2.2.1 静态标定条件12
2.2.2 传感器的静态特性13
2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算14
2.3.1 测量范围14
2.3.2 量程14
2.3.3 静态灵敏度14
2.3.4 分辨力与分辨率15
2.3.5 漂移15
2.3.6 温漂16
2.3.7 传感器的测量误差16
2.3.8 线性度16
2.3.9 符合度19
2.3.10 迟滞19
2.3.11 非线性迟滞20
2.3.12 重复性20
2.3.13 综合误差22
2.3.14 计算实例23
2.4 非线性传感器静态性能指标计算的进一步讨论26
2.4.1 问题的提出26
2.4.2 数据的基本处理27
2.4.3 误差的描述28
2.4.4 符合度的计算28
2.4.5 迟滞的计算29
2.4.6 符合性迟滞的计算29
2.4.7 重复性的计算30
2.4.8 综合误差的计算31
2.4.9 计算实例33
2.5 传感器动态特性方程41
2.5.1 微分方程41
2.5.2 传递函数42
2.5.3 状态方程43
2.6 传感器动态响应及动态性能指标43
2.6.1 时域动态性能指标44
2.6.2 频域动态性能指标50
2.7 传感器动态特性测试与动态模型建立57
2.7.1 传感器动态标定57
2.7.2 由实验阶跃响应曲线获取传感器传递函数的回归分析法58
2.7.3 由实验频率特性获取传感器传递函数的回归法64
2.7.4 应用实例——高频响、低量程的加速度传感器幅频特性测试及改进66
2.8 传感器噪声及其减小的方法70
2.8.1 传感器噪声产生的原因70
2.8.2 传感器的信噪比71
2.8.3 传感器低噪声化的方法72
思考题与习题73
第3章 基本弹性敏感元件的力学特性
3.1 概述76
3.2 弹性敏感元件的基本特性76
3.2.1 刚度与柔度76
3.2.2 弹性滞后77
3.2.3 弹性后效与蠕变77
3.2.4 弹性材料的机械品质因数78
3.2.5 位移描述79
3.2.6 应变描述80
3.2.7 应力描述83
3.2.8 广义胡克定律85
3.2.9 固有谐振频率86
3.2.10 弹性元件的热特性86
3.3 基本弹性敏感元件的力学特性88
3.3.1 弹性柱体88
3.3.2 弹性弦丝的固有振动92
3.3.3 悬臂梁93
3.3.4 双端固支梁95
3.3.5 周边固支圆平膜片96
3.3.6 周边固支矩形平膜片99
3.3.7 周边固支波纹膜片103
3.3.8 E形圆膜片104
3.3.9 薄壁圆柱壳体107
3.3.10 弹簧管(包端管)110
3.3.11 波纹管111
3.4 弹性敏感元件的材料112
思考题与习题113
第4章 电位器式传感器
4.1 概述114
4.2 线绕式电位器的特性115
4.2.1 灵敏度115
4.2.2 阶梯特性和阶梯误差115
4.2.3 分辨率116
4.3 非线性电位器116
4.3.1 功用116
4.3.2 实现途径116
4.4 电位器的负载特性及负载误差118
4.4.1 电位器的负载特性118
4.4.2 电位器的负载误差119
4.4.3 减小负载误差的措施120
4.5 电位器的结构与材料122
4.5.1 电阻丝122
4.5.2 电刷123
4.5.3 骨架124
4.6 非线绕式电位器125
4.7 典型的电位器式传感器125
4.7.1 电位器式压力传感器125
4.7.2 电位器式加速度传感器127
思考题与习题128
第5章 应变式传感器
5.1 应变式变换原理131
5.2 金属应变片132
5.2.1 结构及应变效应132
5.2.2 横向效应及横向灵敏度133
5.2.3 电阻应变片的种类136
5.2.4 电阻应变片的材料137
5.2.5 应变片的主要参数140
5.3 应变片的动态响应特性141
5.3.1 应变波的传播过程142
5.3.2 应变片工作频率范围的估算143
5.4 应变片的温度误差及其补偿145
5.4.1 温度误差产生的原因145
5.4.2 温度误差的补偿方法146
5.5 电桥原理149
5.5.1 电桥的平衡149
5.5.2 电桥的不平衡输出150
5.5.3 电桥的非线性误差151
5.6 典型的应变式传感器153
5.6.1 应变式力传感器154
5.6.2 应变式加速度传感器163
5.6.3 应变式压力传感器165
5.6.4 应变式位移传感器168
5.6.5 应变式转矩传感器171
思考题与习题171
第6章 压阻式传感器
6.1 压阻式变换原理174
6.1.1 半导体材料的压阻效应174
6.1.2 单晶硅的晶向、晶面的表示175
6.1.3 压阻系数176
6.2 扩散电阻的阻值与几何参数的确定181
6.3 典型的压阻式传感器183
6.3.1 压阻式压力传感器183
6.3.2 压阻式加速度传感器191
6.4 压阻式传感器温度漂移的补偿195
思考题与习题197
第7章 热电式传感器
7.1 概述199
7.1.1 温度的概念199
7.1.2 温标199
7.1.3 温度标准的传递200
7.1.4 温度计的标定与校正200
7.1.5 测温方法与测温仪器的分类201
7.2 热电阻测温传感器202
7.2.1 金属热电阻202
7.2.2 半导体热敏电阻204
7.2.3 测温电桥电路206
7.3 热电偶测温208
7.3.1 热电效应208
7.3.2 热电偶的工作机理209
7.3.3 热电偶的基本定律210
7.3.4 热电偶的误差及补偿212
7.3.5 热电偶的组成、分类及特点216
7.4 半导体PN结测温传感器217
7.5 其他测温系统218
7.5.1 全辐射式测温系统218
7.5.2 亮度式测温系统219
7.5.3 比色式测温系统220
7.6 应用实例221
7.6.1 基于热敏电阻的双功能温度报警器222
7.6.2 基于热电阻的气体质量流量传感器226
思考题与习题227
第8章 电容式传感器
8.1 基本电容式敏感元件230
8.2 电容式敏感元件的主要特性231
8.2.1 变间隙电容式敏感元件231
8.2.2 变面积电容式敏感元件233
8.2.3 变介电常数电容式敏感元件234
8.2.4 电容式敏感元件的等效电路234
8.3 电容式变换元件的信号转换电路235
8.3.1 交流不平衡电桥235
8.3.2 变压器式电桥线路236
8.3.3 二极管电路237
8.3.4 差动脉冲调宽电路239
8.3.5 运算放大器式电路241
8.4 典型的电容式传感器241
8.4.1 电容式压力传感器241
8.4.2 电容式加速度传感器242
8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题243
8.5.1 温度变化对结构稳定性的影响243
8.5.2 温度变化对介质介电常数的影响244
8.5.3 绝缘问题244
8.5.4 寄生电容的干扰与防止245
思考题与习题246
第9章 变磁路式传感器
9.1 电感式变换原理248
9.1.1 简单电感式变换原理248
9.1.2 差动电感式变换元件253
9.2 差动变压器式变换元件254
9.2.1 磁路分析255
9.2.2 电路分析256
9.3 电涡流式变换原理257
9.3.1 电涡流效应257
9.3.2 等效电路分析258
9.3.3 信号转换电路259
9.4 霍尔效应及元件261
9.4.1 霍尔效应261
9.4.2 霍尔元件262
9.5 典型的变磁路式传感器263
9.5.1 变磁阻式加速度传感器263
9.5.2 霍尔式振动位移传感器263
9.5.3 电涡流式振动位移传感器及其应用263
9.5.4 电磁式振动位移传感器及其应用264
9.5.5 差动电感式压力传感器265
9.5.6 力平衡伺服式加速度传感器266
9.5.7 磁电式涡轮流量传感器269
9.5.8 磁栅式位移传感器271
9.5.9 感应同步器式位移传感器272
思考题与习题278
第10章 压电式传感器
10.1 石英晶体280
10.1.1 石英晶体的压电机理280
10.1.2 石英晶体的压电常数282
10.1.3 石英晶体几何切型的分类285
10.1.4 石英晶体的性能285
10.1.5 石英压电谐振器的热敏感性285
10.2 压电陶瓷287
10.2.1 压电陶瓷的压电机理287
10.2.2 压电陶瓷的压电常数287
10.2.3 常用压电陶瓷288
10.3 聚偏二氟乙烯289
10.4 压电换能元件的等效电路289
10.5 压电换能元件的信号转换电路290
10.5.1 电荷放大器与电压放大器290
10.5.2 压电元件的并联与串联291
10.6 压电式传感器的抗干扰问题292
10.6.1 环境温度的影响292
10.6.2 环境湿度的影响294
10.6.3 横向灵敏度294
10.6.4 基座应变的影响295
10.6.5 声噪声295
10.6.6 电缆噪声296
10.6.7 接地回路噪声296
10.7 典型的压电式传感器297
10.7.1 压电式加速度传感器297
10.7.2 压电式压力传感器299
10.7.3 压电式超声波传感器301
10.7.4 压电式温度传感器303
思考题与习题306
第11章 谐振式传感器
11.1 谐振状态及其评估308
11.1.1 谐振现象308
11.1.2 谐振子的机械品质因数Q值310
11.2 闭环自激系统的实现311
11.2.1 基本结构311
11.2.2 闭环系统的实现条件312
11.3 敏感机理及特点313
11.3.1 敏感机理313
11.3.2 谐振式测量原理的特点314
11.4 频率输出谐振式传感器的测量方法比较314
11.5 谐振弦式压力传感器316
11.5.1 结构与原理316
11.5.2 特性方程316
11.5.3 激励方式317
11.6 振动筒式压力传感器317
11.6.1 结构与原理317
11.6.2 特性方程318
11.6.3 激励方式319
11.6.4 特性线性化与误差补偿320
11.7 谐振膜式压力传感器322
11.7.1 结构与原理322
11.7.2 特性方程322
11.8 石英谐振梁式压力传感器323
11.8.1 结构与原理323
11.8.2 特性方程324
11.9 谐振式科里奥利直接质量流量传感器325
11.9.1 谐振式质量流量传感器工作结构与原理325
11.9.2 信号检测电路328
11.9.3 密度的测量329
11.9.4 双组分流体的测量330
11.9.5 特点331
思考题与习题332
第12章 声表面波传感器
12.1 概述334
12.2 声表面波叉指换能器335
12.2.1 叉指换能器的基本特性335
12.2.2 叉指换能器的基本分析模型337
12.3 声表面波谐振器339
12.3.1 结构组成及其工作原理339
12.3.2 频率和温度的稳定性341
12.4 典型的声表面波传感器341
12.4.1 SAW应变传感器341
12.4.2 SAW压力传感器343
12.4.3 SAW加速度传感器346
12.4.4 SAW气体传感器347
12.4.5 SAW流量传感器351
12.4.6 SAW湿度传感器353
思考题与习题354
第13章 光纤传感器
13.1 概述355
13.2 光纤355
13.2.1 光纤的结构与种类355
13.2.2 传光原理356
13.2.3 光纤的集光能力359
13.2.4 光纤的传输损耗360
13.3 强度调制光纤传感器362
13.3.1 光纤微弯传感器362
13.3.2 反射式光纤位移传感器363
13.3.3 反射式光纤压力传感器367
13.4 相位调制光纤传感器368
13.4.1 相位调制的原理368
13.4.2 相位调制光纤压力传感器369
13.4.3 相位调制光纤力传感器370
13.4.4 基于萨格纳克干涉仪的光纤陀螺371
13.5 频率调制光纤传感器373
13.6 分布式光纤传感器374
思考题与习题376
第14章 微机械传感器
14.1 概述378
14.1.1 微传感器的发展378
14.1.2 微传感器中应用的材料378
14.1.3 微传感器中应用的加工工艺379
14.1.4 微传感器中敏感结构的模型问题380
14.1.5 微传感器中微弱信号的处理问题380
14.2 硅电容式集成压力传感器381
14.3 硅电容式微机械加速度传感器382
14.3.1 单轴加速度传感器382
14.3.2 三轴加速度传感器383
14.4 硅电容式表面微机械陀螺384
14.5 微机械磁通门传感器386
14.6 微机械二氧化碳气体传感器386
14.7 微机械科氏质量流量传感器387
14.8 毫米波图像传感器389
14.9 基于皮拉尼真空计的微小型压力传感器389
14.10 硅谐振式压力微传感器390
14.10.1 热激励硅微结构谐振式压力传感器390
14.10.2 差动输出的微结构谐振式压力传感器395
思考题与习题396
第15章 传感器技术的智能化发展
15.1 传感器技术智能化的含义398
15.2 基本传感器401
15.3 智能化传感器中的软件402
15.3.1 标度变换技术402
15.3.2 数字调零技术402
15.3.3 非线性补偿402
15.3.4 温度补偿403
15.3.5 数字滤波技术403
15.4 典型应用403
15.4.1 光电式智能化压力传感器403
15.4.2 智能化差压传感器404
15.4.3 全向空速智能化传感器406
15.4.4 智能化结构传感器系统407
15.4.5 嵌入式智能化大气数据传感器系统408
15.4.6 智能化流量传感器系统409
15.5 发展前景410
思考题与习题411
附录
附录A基本常数412
附录B国际制词冠413
附录C国际单位制(SI)的主要单位413
附录D国际单位制(SI)下空气与常见液体的物理性质419
参考文献