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第1章 绪论1

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4

1.3传感器技术的特点4

1.4传感器技术的发展5

1.4.1新原理、新材料和新工艺传感器的发展6

1.4.2传感器的微型化、集成化、多功能化和智能化发展8

1.4.3多传感器融合与网络化发展10

1.5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11

思考题与习题12

第2章 传感器的特性13

2.1传感器静态特性的一般描述13

2.2传感器的静态标定13

2.2.1静态标定条件14

2.2.2传感器的静态特性14

2.3传感器的主要静态性能指标及其计算15

2.3.1测量范围与量程15

2.3.2静态灵敏度15

2.3.3分辨力与分辨率16

2.3.4时漂与温漂16

2.3.5传感器的测量误差17

2.3.6线性度17

2.3.7符合度19

2.3.8迟滞19

2.3.9非线性迟滞20

2.3.10重复性20

2.3.11综合误差21

2.3.12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26

2.4.3误差的描述27

2.4.4符合度的计算27

2.4.5迟滞的计算28

2.4.6符合性迟滞的计算28

2.4.7重复性的计算29

2.4.8综合误差的计算30

2.4.9计算实例31

2.5传感器动态特性方程39

2.5.1微分方程39

2.5.2传递函数40

2.5.3状态方程40

2.6传感器动态响应及动态性能指标41

2.6.1时域动态性能指标41

2.6.2频域动态性能指标47

2.7传感器动态特性测试与动态模型建立53

2.7.1传感器动态标定53

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54

2.7.3由实验频率特性获取传感器传递函数的回归法59

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60

2.8传感器噪声及其减小的方法64

2.8.1传感器噪声产生的原因64

2.8.2传感器的信噪比65

2.8.3传感器低噪声化的方法66

思考题与习题67

第3章 基本弹性敏感元件的力学特性69

3.1概述69

3.2弹性敏感元件的基本特性70

3.2.1刚度与柔度70

3.2.2弹性滞后70

3.2.3弹性后效与蠕变70

3.2.4弹性材料的机械品质因数71

3.2.5位移描述72

3.2.6应变描述73

3.2.7应力描述75

3.2.8广义胡克定律77

3.2.9固有谐振频率78

3.2.10弹性元件的热特性78

3.3基本弹性敏感元件的力学特性80

3.3.1弹性柱体80

3.3.2弹性弦丝的固有振动83

3.3.3悬臂梁84

3.3.4双端固支梁86

3.3.5周边固支圆平膜片87

3.3.6周边固支矩形平膜片89

3.3.7周边固支波纹膜片93

3.3.8 E形圆膜片94

3.3.9薄壁圆柱壳体96

3.3.10弹簧管（包端管99

3.3.11波纹管100

3.4弹性敏感元件的材料100

思考题与习题101

第4章 电位器式传感器103

4.1概述103

4.2线绕式电位器的特性104

4.2.1灵敏度104

4.2.2阶梯特性和阶梯误差104

4.2.3分辨率105

4.3非线性电位器105

4.3.1功用105

4.3.2实现途径105

4.4电位器的负载特性及负载误差107

4.4.1电位器的负载特性107

4.4.2电位器的负载误差107

4.4.3减小负载误差的措施108

4.5电位器的结构与材料110

4.5.1电阻丝110

4.5.2电刷111

4.5.3骨架112

4.6非线绕式电位器113

4.7典型的电位器式传感器113

4.7.1电位器式压力传感器113

4.7.2电位器式加速度传感器115

思考题与习题115

第5章 应变式传感器118

5.1应变式变换原理118

5.2金属应变片119

5.2.1结构及应变效应119

5.2.2横向效应及横向灵敏度120

5.2.3电阻应变片的种类122

5.2.4电阻应变片的材料123

5.2.5应变片的主要参数126

5.3应变片的动态响应特性127

5.3.1应变波的传播过程127

5.3.2应变片工作频率范围的估算128

5.4应变片的温度误差及其补偿130

5.4.1温度误差产生的原因130

5.4.2温度误差的补偿方法131

5.5电桥原理133

5.5.1电桥的平衡133

5.5.2电桥的不平衡输出134

5.5.3电桥的非线性误差135

5.6典型的应变式传感器137

5.6.1应变式力传感器138

5.6.2应变式加速度传感器146

5.6.3应变式压力传感器147

5.6.4应变式位移传感器150

5.6.5应变式转矩传感器152

思考题与习题153

第6章 压阻式传感器156

6.1压阻式变换原理156

6.1.1半导体材料的压阻效应156

6.1.2单晶硅的晶向、晶面的表示157

6.1.3压阻系数158

6.2扩散电阻的阻值与几何参数的确定162

6.3典型的压阻式传感器164

6.3.1压阻式压力传感器164

6.3.2压阻式加速度传感器171

6.4压阻式传感器温度漂移的补偿174

思考题与习题177

第7章 热电式传感器178

7.1概述178

7.1.1温度的概念178

7.1.2温标178

7.1.3温度标准的传递179

7.1.4温度计的标定与校正180

7.1.5测温方法与测温仪器的分类180

7.2热电阻测温传感器181

7.2.1金属热电阻181

7.2.2半导体热敏电阻183

7.2.3测温电桥电路185

7.3热电偶测温186

7.3.1热电效应186

7.3.2热电偶的工作机理187

7.3.3热电偶的基本定律188

7.3.4热电偶的误差及补偿190

7.3.5热电偶的组成、分类及特点193

7.4半导体P-N结测温传感器194

7.5其他测温系统195

7.5.1全辐射式测温系统195

7.5.2亮度式测温系统195

7.5.3比色式测温系统197

7.6应用实例198

7.6.1基于热敏电阻的双功能温度报警器198

7.6.2基于热电阻的气体质量流量传感器202

思考题与习题203

第8章 电容式传感器205

8.1基本电容式敏感元件205

8.2电容式敏感元件的主要特性206

8.2.1变间隙电容式敏感元件206

8.2.2变面积电容式敏感元件208

8.2.3变介电常数电容式敏感元件209

8.2.4电容式敏感元件的等效电路209

8.3电容式变换元件的信号转换电路210

8.3.1运算放大器式电路210

8.3.2交流不平衡电桥210

8.3.3变压器式电桥线路211

8.3.4二极管电路212

8.3.5差动脉冲调宽电路214

8.4典型的电容式传感器215

8.4.1电容式压力传感器215

8.4.2电容式加速度传感器216

8.5电容式传感器的结构及抗干扰问题217

8.5.1温度变化对结构稳定性的影响217

8.5.2温度变化对介质介电常数的影响217

8.5.3绝缘问题218

8.5.4寄生电容的干扰与防止218

思考题与习题220

第9章 变磁路式传感器222

9.1电感式变换原理222

9.1.1简单电感式变换原理222

9.1.2差动电感式变换元件227

9.2差动变压器式变换元件228

9.2.1磁路分析228

9.2.2电路分析230

9.3电涡流式变换原理230

9.3.1电涡流效应230

9.3.2等效电路分析231

9.3.3信号转换电路232

9.4霍尔效应及元件233

9.4.1霍尔效应233

9.4.2霍尔元件235

9.5典型的变磁路式传感器235

9.5.1变磁阻式加速度传感器235

9.5.2霍尔式振动位移传感器235

9.5.3电涡流式振动位移传感器及其应用236

9.5.4电磁式振动位移传感器及其应用236

9.5.5差动电感式压力传感器237

9.5.6力平衡伺服式加速度传感器238

9.5.7磁电式涡轮流量传感器241

9.5.8磁栅式位移传感器242

9.5.9感应同步器式位移传感器244

思考题与习题248

第10章 压电式传感器251

10.1石英晶体251

10.1.1石英晶体的压电机理251

10.1.2石英晶体的压电常数253

10.1.3石英晶体几何切型的分类255

10.1.4石英晶体的性能256

10.1.5石英压电谐振器的热敏感性256

10.2压电陶瓷257

10.2.1压电陶瓷的压电机理257

10.2.2压电陶瓷的压电常数257

10.2.3常用压电陶瓷258

10.3聚偏二氟乙烯259

10.4压电换能元件的等效电路259

10.5压电换能元件的信号转换电路260

10.5.1电荷放大器与电压放大器260

10.5.2压电元件的并联与串联261

10.6压电式传感器的抗干扰问题262

10.6.1环境温度的影响262

10.6.2环境湿度的影响263

10.6.3横向灵敏度264

10.6.4基座应变的影响264

10.6.5声噪声265

10.6.6电缆噪声265

10.6.7接地回路噪声265

10.7典型的压电式传感器266

10.7.1压电式加速度传感器266

10.7.2压电式压力传感器268

10.7.3压电式超声波传感器269

10.7.4压电式温度传感器271

思考题与习题274

第11章 谐振式传感器276

11.1谐振状态及其评估276

11.1.1谐振现象276

11.1.2谐振子的机械品质因数Q值278

11.2闭环自激系统的实现279

11.2.1基本结构279

11.2.2闭环系统的实现条件280

11.3敏感机理及特点281

11.3.1敏感机理281

11.3.2谐振式测量原理的特点281

11.4频率输出谐振式传感器的测量方法比较282

11.5谐振弦式压力传感器283

11.5.1结构与原理283

11.5.2特性方程283

11.5.3激励方式284

11.6振动筒式压力传感器284

11.6.1结构与原理284

11.6.2特性方程285

11.6.3激励方式286

11.6.4特性的解算287

11.7谐振膜式压力传感器288

11.7.1结构与原理288

11.7.2特性方程289

11.8石英谐振梁式压力传感器289

11.8.1结构与原理289

11.8.2特性方程290

11.9谐振式科里奥利直接质量流量传感器291

11.9.1结构与工作原理291

11.9.2信号检测电路294

11.9.3密度的测量295

11.9.4双组分流体的测量295

11.9.5分类与应用特点296

思考题与习题298

第12章 声表面波传感器300

12.1概述300

12.2声表面波叉指换能器301

12.2.1叉指换能器的基本特性301

12.2.2叉指换能器的基本分析模型303

12.3声表面波谐振器304

12.3.1结构组成及其工作原理304

12.3.2频率和温度的稳定性306

12.4典型的声表面波传感器306

12.4.1 SAW应变传感器307

12.4.2 SAW压力传感器308

12.4.3 SAW加速度传感器311

12.4.4 SAW气体传感器312

12.4.5 SAW流量传感器315

12.4.6 SAW湿度传感器317

思考题与习题318

第13章 光纤传感器319

13.1概述319

13.2光纤319

13.2.1光纤的结构与种类319

13.2.2传光原理320

13.2.3光纤的集光能力322

13.2.4光纤的传输损耗323

13.3强度调制光纤传感器325

13.3.1光纤微弯传感器325

13.3.2反射式光纤位移传感器326

13.3.3反射式光纤压力传感器329

13.4相位调制光纤传感器330

13.4.1相位调制的原理330

13.4.2相位调制光纤压力传感器331

13.4.3相位调制光纤力传感器332

13.4.4基于萨格纳克干涉仪的光纤陀螺333

13.5频率调制光纤传感器334

13.6分布式光纤传感器336

思考题与习题338

第14章 微机械传感器339

14.1概述339

14.1.1微传感器的发展339

14.1.2微传感器中应用的材料340

14.1.3微传感器中应用的加工工艺340

14.1.4微传感器中敏感结构的模型问题341

14.1.5微传感器中微弱信号的处理问题341

14.2硅电容式集成压力传感器342

14.3硅电容式微机械加速度传感器343

14.3.1单轴加速度传感器343

14.3.2三轴加速度传感器344

14.4微机械陀螺345

14.4.1硅电容式表面微机械陀螺345

14.4.2输出频率的硅微机械陀螺346

14.5微机械磁通门传感器347

14.6微机械二氧化碳气体传感器347

14.7微机械科氏质量流量传感器348

14.8毫米波图像传感器349

14.9基于皮拉尼真空计的微小型压力传感器350

14.10硅谐振式压力微传感器351

14.10.1热激励硅微结构谐振式压力传感器351

14.10.2差动输出的微结构谐振式压力传感器355

思考题与习题356

第15章 传感器技术的智能化发展358

15.1传感器技术智能化的含义358

15.2基本传感器360

15.3智能化传感器中的软件361

15.3.1标度变换技术361

15.3.2数字调零技术362

15.3.3非线性补偿362

15.3.4温度补偿362

15.3.5数字滤波技术362

15.4典型应用362

15.4.1光电式智能化压力传感器362

15.4.2智能化差压传感器363

15.4.3全向空速智能化传感器365

15.4.4智能化结构传感器系统366

15.4.5嵌入式智能化大气数据传感器系统367

15.4.6智能化流量传感器系统367

15.5发展前景368

思考题与习题369

附录370

附录A基本常数370

附录B国际制词冠371

附录C国际单位制（SI）的主要单位371

附录D国际单位制（SI）下空气与常见液体的物理性质377

参考文献378