沙場斗獸 隆美爾

第1章 緒論1.1 傳感器的作用與功能11.2 傳感器的分類31.2.1 按工作原理分類31.2.2 按被測量分類51.3 傳感器技術(shù)的特點51.4 傳感器技術(shù)的發(fā)展61.4.1 新材料、新功能的開發(fā)與應(yīng)用 61.4.2 微機(jī)械加工工藝的發(fā)展71.4.3 傳感器的多功能化發(fā)展81.4.4 傳感器的智能化發(fā)展91.4.5 傳感器模型及其仿真技術(shù)91.5 與傳感器技術(shù)相關(guān)的一些基本概念101.6 本教材的特點及主要內(nèi)容10思考題與習(xí)題11第2章 傳感器的特性2.1 傳感器靜態(tài)特性的一般描述122.2 傳感器的靜態(tài)標(biāo)定122.2.1 靜態(tài)標(biāo)定條件122.2.2 傳感器的靜態(tài)特性132.3 傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計算142.3.1 測量范圍142.3.2 量程142.3.3 靜態(tài)靈敏度142.3.4 分辨力與分辨率152.3.5 漂移152.3.6 溫漂162.3.7 傳感器的測量誤差162.3.8 線性度162.3.9 符合度192.3.10 遲滯192.3.11 非線性遲滯202.3.12 重復(fù)性202.3.13 綜合誤差222.3.14 計算實例232.4 非線性傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)計算的進(jìn)一步討論262.4.1 問題的提出262.4.2 數(shù)據(jù)的基本處理272.4.3 誤差的描述282.4.4 符合度的計算282.4.5 遲滯的計算292.4.6 符合性遲滯的計算292.4.7 重復(fù)性的計算302.4.8 綜合誤差的計算312.4.9 計算實例332.5 傳感器動態(tài)特性方程412.5.1 微分方程412.5.2 傳遞函數(shù)422.5.3 狀態(tài)方程432.6 傳感器動態(tài)響應(yīng)及動態(tài)性能指標(biāo)432.6.1 時域動態(tài)性能指標(biāo)442.6.2 頻域動態(tài)性能指標(biāo)502.7 傳感器動態(tài)特性測試與動態(tài)模型建立572.7.1 傳感器動態(tài)標(biāo)定572.7.2 由實驗階躍響應(yīng)曲線獲取傳感器傳遞函數(shù)的回歸分析法582.7.3 由實驗頻率特性獲取傳感器傳遞函數(shù)的回歸法642.7.4 應(yīng)用實例——高頻響、低量程的加速度傳感器幅頻特性測試及改進(jìn)662.8 傳感器噪聲及其減小的方法702.8.1 傳感器噪聲產(chǎn)生的原因702.8.2 傳感器的信噪比712.8.3 傳感器低噪聲化的方法72思考題與習(xí)題73第3章 基本彈性敏感元件的力學(xué)特性3.1 概述763.2 彈性敏感元件的基本特性763.2.1 剛度與柔度763.2.2 彈性滯后773.2.3 彈性后效與蠕變773.2.4 彈性材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)783.2.5 位移描述793.2.6 應(yīng)變描述803.2.7 應(yīng)力描述833.2.8 廣義胡克定律853.2.9 固有諧振頻率863.2.10 彈性元件的熱特性863.3 基本彈性敏感元件的力學(xué)特性883.3.1 彈性柱體883.3.2 彈性弦絲的固有振動923.3.3 懸臂梁933.3.4 雙端固支梁953.3.5 周邊固支圓平膜片963.3.6 周邊固支矩形平膜片993.3.7 周邊固支波紋膜片1033.3.8 E形圓膜片1043.3.9 薄壁圓柱殼體1073.3.10 彈簧管(包端管)1103.3.11 波紋管1113.4 彈性敏感元件的材料112思考題與習(xí)題113第4章 電位器式傳感器4.1 概述1144.2 線繞式電位器的特性1154.2.1 靈敏度1154.2.2 階梯特性和階梯誤差1154.2.3 分辨率1164.3 非線性電位器1164.3.1 功用1164.3.2 實現(xiàn)途徑1164.4 電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差1184.4.1 電位器的負(fù)載特性1184.4.2 電位器的負(fù)載誤差1194.4.3 減小負(fù)載誤差的措施1204.5 電位器的結(jié)構(gòu)與材料1224.5.1 電阻絲1224.5.2 電刷1234.5.3 骨架1244.6 非線繞式電位器1254.7 典型的電位器式傳感器1254.7.1 電位器式壓力傳感器1254.7.2 電位器式加速度傳感器127思考題與習(xí)題128第5章 應(yīng)變式傳感器5.1 應(yīng)變式變換原理1315.2 金屬應(yīng)變片1325.2.1 結(jié)構(gòu)及應(yīng)變效應(yīng)1325.2.2 橫向效應(yīng)及橫向靈敏度1335.2.3 電阻應(yīng)變片的種類1365.2.4 電阻應(yīng)變片的材料1375.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù)1405.3 應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性1415.3.1 應(yīng)變波的傳播過程1425.3.2 應(yīng)變片工作頻率范圍的估算1435.4 應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償1455.4.1 溫度誤差產(chǎn)生的原因1455.4.2 溫度誤差的補(bǔ)償方法1465.5 電橋原理1495.5.1 電橋的平衡1495.5.2 電橋的不平衡輸出1505.5.3 電橋的非線性誤差1515.6 典型的應(yīng)變式傳感器1535.6.1 應(yīng)變式力傳感器1545.6.2 應(yīng)變式加速度傳感器1635.6.3 應(yīng)變式壓力傳感器1655.6.4 應(yīng)變式位移傳感器1685.6.5 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器171思考題與習(xí)題171第6章 壓阻式傳感器6.1 壓阻式變換原理1746.1.1 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)1746.1.2 單晶硅的晶向、晶面的表示1756.1.3 壓阻系數(shù)1766.2 擴(kuò)散電阻的阻值與幾何參數(shù)的確定1816.3 典型的壓阻式傳感器1836.3.1 壓阻式壓力傳感器1836.3.2 壓阻式加速度傳感器1916.4 壓阻式傳感器溫度漂移的補(bǔ)償195思考題與習(xí)題197第7章 熱電式傳感器7.1 概述1997.1.1 溫度的概念1997.1.2 溫標(biāo)1997.1.3 溫度標(biāo)準(zhǔn)的傳遞2007.1.4 溫度計的標(biāo)定與校正2007.1.5 測溫方法與測溫儀器的分類2017.2 熱電阻測溫傳感器2027.2.1 金屬熱電阻2027.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻2047.2.3 測溫電橋電路2067.3 熱電偶測溫2087.3.1 熱電效應(yīng)2087.3.2 熱電偶的工作機(jī)理2097.3.3 熱電偶的基本定律2107.3.4 熱電偶的誤差及補(bǔ)償2127.3.5 熱電偶的組成、分類及特點2167.4 半導(dǎo)體PN結(jié)測溫傳感器2177.5 其他測溫系統(tǒng)2187.5.1 全輻射式測溫系統(tǒng)2187.5.2 亮度式測溫系統(tǒng)2197.5.3 比色式測溫系統(tǒng)2207.6 應(yīng)用實例2217.6.1 基于熱敏電阻的雙功能溫度報警器2227.6.2 基于熱電阻的氣體質(zhì)量流量傳感器226思考題與習(xí)題227第8章 電容式傳感器8.1 基本電容式敏感元件2308.2 電容式敏感元件的主要特性2318.2.1 變間隙電容式敏感元件2318.2.2 變面積電容式敏感元件2338.2.3 變介電常數(shù)電容式敏感元件2348.2.4 電容式敏感元件的等效電路2348.3 電容式變換元件的信號轉(zhuǎn)換電路2358.3.1 交流不平衡電橋2358.3.2 變壓器式電橋線路2368.3.3 二極管電路2378.3.4 差動脈沖調(diào)寬電路2398.3.5 運算放大器式電路2418.4 典型的電容式傳感器2418.4.1 電容式壓力傳感器2418.4.2 電容式加速度傳感器2428.5 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題2438.5.1 溫度變化對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響2438.5.2 溫度變化對介質(zhì)介電常數(shù)的影響2448.5.3 絕緣問題2448.5.4 寄生電容的干擾與防止245思考題與習(xí)題246第9章 變磁路式傳感器9.1 電感式變換原理2489.1.1 簡單電感式變換原理2489.1.2 差動電感式變換元件2539.2 差動變壓器式變換元件2549.2.1 磁路分析2559.2.2 電路分析2569.3 電渦流式變換原理2579.3.1 電渦流效應(yīng)2579.3.2 等效電路分析2589.3.3 信號轉(zhuǎn)換電路2599.4 霍爾效應(yīng)及元件2619.4.1 霍爾效應(yīng)2619.4.2 霍爾元件2629.5 典型的變磁路式傳感器2639.5.1 變磁阻式加速度傳感器2639.5.2 霍爾式振動位移傳感器2639.5.3 電渦流式振動位移傳感器及其應(yīng)用2639.5.4 電磁式振動位移傳感器及其應(yīng)用2649.5.5 差動電感式壓力傳感器2659.5.6 力平衡伺服式加速度傳感器2669.5.7 磁電式渦輪流量傳感器2699.5.8 磁柵式位移傳感器2719.5.9 感應(yīng)同步器式位移傳感器272思考題與習(xí)題278第10章 壓電式傳感器10.1 石英晶體28010.1.1 石英晶體的壓電機(jī)理28010.1.2 石英晶體的壓電常數(shù)28210.1.3 石英晶體幾何切型的分類28510.1.4 石英晶體的性能28510.1.5 石英壓電諧振器的熱敏感性28510.2 壓電陶瓷28710.2.1 壓電陶瓷的壓電機(jī)理28710.2.2 壓電陶瓷的壓電常數(shù)28710.2.3 常用壓電陶瓷28810.3 聚偏二氟乙烯28910.4 壓電換能元件的等效電路28910.5 壓電換能元件的信號轉(zhuǎn)換電路29010.5.1 電荷放大器與電壓放大器29010.5.2 壓電元件的并聯(lián)與串聯(lián)29110.6 壓電式傳感器的抗干擾問題29210.6.1 環(huán)境溫度的影響29210.6.2 環(huán)境濕度的影響29410.6.3 橫向靈敏度29410.6.4 基座應(yīng)變的影響29510.6.5 聲噪聲29510.6.6 電纜噪聲29610.6.7 接地回路噪聲29610.7 典型的壓電式傳感器29710.7.1 壓電式加速度傳感器29710.7.2 壓電式壓力傳感器29910.7.3 壓電式超聲波傳感器30110.7.4 壓電式溫度傳感器303思考題與習(xí)題306第11章 諧振式傳感器11.1 諧振狀態(tài)及其評估30811.1.1 諧振現(xiàn)象30811.1.2 諧振子的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q值31011.2 閉環(huán)自激系統(tǒng)的實現(xiàn)31111.2.1 基本結(jié)構(gòu)31111.2.2 閉環(huán)系統(tǒng)的實現(xiàn)條件31211.3 敏感機(jī)理及特點31311.3.1 敏感機(jī)理31311.3.2 諧振式測量原理的特點31411.4 頻率輸出諧振式傳感器的測量方法比較31411.5 諧振弦式壓力傳感器31611.5.1 結(jié)構(gòu)與原理31611.5.2 特性方程31611.5.3 激勵方式31711.6 振動筒式壓力傳感器31711.6.1 結(jié)構(gòu)與原理31711.6.2 特性方程31811.6.3 激勵方式31911.6.4 特性線性化與誤差補(bǔ)償32011.7 諧振膜式壓力傳感器32211.7.1 結(jié)構(gòu)與原理32211.7.2 特性方程32211.8 石英諧振梁式壓力傳感器32311.8.1 結(jié)構(gòu)與原理32311.8.2 特性方程32411.9 諧振式科里奧利直接質(zhì)量流量傳感器32511.9.1 諧振式質(zhì)量流量傳感器工作結(jié)構(gòu)與原理32511.9.2 信號檢測電路32811.9.3 密度的測量32911.9.4 雙組分流體的測量33011.9.5 特點331思考題與習(xí)題332第12章 聲表面波傳感器12.1 概述33412.2 聲表面波叉指換能器33512.2.1 叉指換能器的基本特性33512.2.2 叉指換能器的基本分析模型33712.3 聲表面波諧振器33912.3.1 結(jié)構(gòu)組成及其工作原理33912.3.2 頻率和溫度的穩(wěn)定性34112.4 典型的聲表面波傳感器34112.4.1 SAW應(yīng)變傳感器34112.4.2 SAW壓力傳感器34312.4.3 SAW加速度傳感器34612.4.4 SAW氣體傳感器34712.4.5 SAW流量傳感器35112.4.6 SAW濕度傳感器353思考題與習(xí)題354第13章 光纖傳感器13.1 概述35513.2 光纖35513.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與種類35513.2.2 傳光原理35613.2.3 光纖的集光能力35913.2.4 光纖的傳輸損耗36013.3 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器36213.3.1 光纖微彎傳感器36213.3.2 反射式光纖位移傳感器36313.3.3 反射式光纖壓力傳感器36713.4 相位調(diào)制光纖傳感器36813.4.1 相位調(diào)制的原理36813.4.2 相位調(diào)制光纖壓力傳感器36913.4.3 相位調(diào)制光纖力傳感器37013.4.4 基于薩格納克干涉儀的光纖陀螺37113.5 頻率調(diào)制光纖傳感器37313.6 分布式光纖傳感器374思考題與習(xí)題376第14章 微機(jī)械傳感器14.1 概述37814.1.1 微傳感器的發(fā)展37814.1.2 微傳感器中應(yīng)用的材料37814.1.3 微傳感器中應(yīng)用的加工工藝37914.1.4 微傳感器中敏感結(jié)構(gòu)的模型問題38014.1.5 微傳感器中微弱信號的處理問題38014.2 硅電容式集成壓力傳感器38114.3 硅電容式微機(jī)械加速度傳感器38214.3.1 單軸加速度傳感器38214.3.2 三軸加速度傳感器38314.4 硅電容式表面微機(jī)械陀螺38414.5 微機(jī)械磁通門傳感器38614.6 微機(jī)械二氧化碳?xì)怏w傳感器38614.7 微機(jī)械科氏質(zhì)量流量傳感器38714.8 毫米波圖像傳感器38914.9 基于皮拉尼真空計的微小型壓力傳感器38914.10 硅諧振式壓力微傳感器39014.10.1 熱激勵硅微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器39014.10.2 差動輸出的微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器395思考題與習(xí)題396第15章 傳感器技術(shù)的智能化發(fā)展15.1 傳感器技術(shù)智能化的含義39815.2 基本傳感器40115.3 智能化傳感器中的軟件40215.3.1 標(biāo)度變換技術(shù)40215.3.2 數(shù)字調(diào)零技術(shù)40215.3.3 非線性補(bǔ)償40215.3.4 溫度補(bǔ)償40315.3.5 數(shù)字濾波技術(shù)40315.4 典型應(yīng)用40315.4.1 光電式智能化壓力傳感器40315.4.2 智能化差壓傳感器40415.4.3 全向空速智能化傳感器40615.4.4 智能化結(jié)構(gòu)傳感器系統(tǒng)40715.4.5 嵌入式智能化大氣數(shù)據(jù)傳感器系統(tǒng)40815.4.6 智能化流量傳感器系統(tǒng)40915.5 發(fā)展前景410思考題與習(xí)題411附錄附錄A基本常數(shù)412附錄B國際制詞冠413附錄C國際單位制(SI)的主要單位413附錄D國際單位制(SI)下空氣與常見液體的物理性質(zhì)419參考文獻(xiàn)