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上篇 传感器原理1

第1章 概述1

1.1 课程简介1

1.1.1 本课程的地位和作用1

1.1.2 本课程的内容体系4

1.1.3 本课程的任务及目标5

1.2 传感器的定义与组成7

1.3 传感器的分类9

1.4 传感器技术的发展12

1.4.1 提高与改善传感器的性能12

1.4.2 开展基础理论研究13

1.4.3 传感器的无线化16

1.4.4 传感器的微型化16

1.4.5 传感器的集成化17

1.4.6 传感器的网络化17

1.4.7 传感器的智能化18

1.4.8 传感器的安全化19

1.4.9 传感器的虚拟化20

学习拓展与探究式研讨20

习题云20

第2章 传感器的基本特性22

2.1 传感器的静态特性23

2.1.1 线性度23

2.1.2 灵敏度23

2.1.3 分辨率24

2.1.4 迟滞25

2.1.5 重复性25

2.1.6 漂移25

2.2 传感器的动态特性25

2.2.1 传感器的数学模型26

2.2.2 传递函数27

2.2.3 频率响应函数28

2.2.4 传感器的动态特性分析28

2.3 传感器的标定与校准32

2.3.1 静态标定32

2.3.2 动态标定33

学习拓展与探究式研讨33

习题云34

第3章 电阻式传感器35

3.1 工作原理36

3.1.1 应变效应36

3.1.2 电阻应变片种类37

3.1.3 电阻应变片温度误差及其补偿39

3.1.4 工程测试中的注意事项42

3.2 测量电路42

3.2.1 直流电桥43

3.2.2 交流电桥46

3.3 典型应用49

3.3.1 电阻式力传感器49

3.3.2 电阻式压力传感器52

3.3.3 电阻式差压传感器53

3.3.4 电阻式液体重量传感器54

3.3.5 电阻式加速度传感器55

学习拓展与探究式研讨56

复杂工程问题实践56

习题云56

第4章 电感式传感器58

4.1 变磁阻电感式传感器（自感式）59

4.1.1 工作原理59

4.1.2 输出特性60

4.1.3 测量电路63

4.1.4 变磁阻电感式传感器的应用66

4.2 差动变压器电感式传感器（互感式）67

4.2.1 变隙式差动变压器67

4.2.2 螺线管式差动变压器70

4.2.3 差动变压器电感式传感器的应用76

4.3 电涡流电感式传感器（互感式）77

4.3.1 工作原理77

4.3.2 等效电路78

4.3.3 测量电路79

4.3.4 电涡流电感式传感器的应用81

学习拓展与探究式研讨82

习题云82

第5章 电容式传感器83

5.1 工作原理84

5.1.1 变面积型86

5.1.2 变介质型87

5.1.3 变极距型89

5.2 测量电路92

5.2.1 调频电路92

5.2.2 运算放大器93

5.2.3 变压器式交流电桥94

5.2.4 二极管双T型交流电桥94

5.2.5 脉冲宽度调制电路（PWM方式）96

5.3 典型应用98

5.3.1 电容式压力传感器99

5.3.2 电容式位移传感器100

5.3.3 电容式加速度传感器100

5.3.4 电容式厚度传感器101

学习拓展与探究式研讨101

复杂工程问题实践102

习题云102

第6章 压电式传感器103

6.1 工作原理103

6.1.1 压电效应103

6.1.2 压电材料104

6.2 测量电路109

6.2.1 等效电路109

6.2.2 测量电路110

6.2.3 压电元件的连接113

6.3 典型应用114

6.3.1 压电式力传感器114

6.3.2 压电式加速度传感器114

6.3.3 压电式交通检测115

学习拓展与探究式研讨116

习题云116

第7章 磁敏式传感器117

7.1 磁电感应式传感器117

7.1.1 工作原理118

7.1.2 测量电路122

7.1.3 磁电感应式传感器的应用123

7.2 霍尔式传感器125

7.2.1 工作原理126

7.2.2 测量电路131

7.2.3 霍尔式传感器的应用131

学习拓展与探究式研讨133

复杂工程问题实践134

习题云134

第8章 热电式传感器135

8.1 热电偶136

8.1.1 热电偶测温原理136

8.1.2 热电偶的结构与种类143

8.1.3 热电偶的冷端温度补偿146

8.1.4 热电偶的实用测温电路148

8.1.5 热电偶的选用与安装150

8.1.6 热电偶的应用151

8.2 热电阻151

8.2.1 铂热电阻152

8.2.2 铜热电阻153

8.2.3 热电阻的测量电路154

8.2.4 热电阻的应用155

8.3 热敏电阻156

8.3.1 热敏电阻的特性157

8.3.2 热敏电阻的应用158

复杂工程问题实践159

习题云159

第9章 光电式传感器160

9.1 概述161

9.1.1 光电式传感器的类别161

9.1.2 光电式传感器的基本形式162

9.2 光电效应与光电器件163

9.2.1 外光电效应型光电器件164

9.2.2 内光电效应型光电器件168

9.3 CCD固体图像传感器181

9.3.1 CCD的工作原理181

9.3.2 CCD固体图像传感器的分类184

9.3.3 CCD图像传感器的特性参数186

9.3.4 CCD固体图像传感器的应用188

9.4 光纤传感器193

9.4.1 光纤193

9.4.2 光纤传感器196

9.4.3 光纤布拉格光栅198

9.4.4 光纤传感器的应用201

9.5 光电式编码器206

9.5.1 码盘式编码器206

9.5.2 脉冲盘式编码器209

9.5.3 光电式编码器的应用211

9.6 计量光栅213

9.6.1 光栅的结构和工作原理213

9.6.2 计量光栅的组成215

9.6.3 计量光栅的应用218

学习拓展与探究式研讨219

复杂工程问题实践219

习题云219

第10章 辐射与波式传感器221

10.1 红外传感器221

10.1.1 工作原理222

10.1.2 红外传感器的应用225

10.2 微波传感器230

10.2.1 工作原理231

10.2.2 微波传感器的应用233

10.3 超声波传感器237

10.3.1 工作原理237

10.3.2 超声波传感器的应用241

学习拓展与探究式研讨249

复杂工程问题实践249

习题云250

第11章 化学传感器251

11.1 气敏传感器251

11.1.1 气敏传感器概述252

11.1.2 半导体式气敏传感器的工作原理255

11.1.3 气敏传感器的应用259

11.2 湿敏传感器261

11.2.1 湿敏传感器概述261

11.2.2 常用湿敏传感器的基本原理263

11.2.3 湿敏传感器测量电路267

11.2.4 湿敏传感器的应用268

学习拓展与探究式研讨270

复杂工程问题实践270

习题云270

第12章 生物传感器271

12.1 概述271

12.1.1 生物传感器的概念272

12.1.2 生物传感器的功能272

12.1.3 生物传感器的特点272

12.1.4 生物传感器的分类273

12.2 工作原理273

12.2.1 生物分子特异性识别274

12.2.2 生物放大275

12.2.3 信号转换与处理275

12.2.4 几种主要的生物传感器276

12.3 生物芯片279

12.4 生物传感器的应用280

12.4.1 传统医学领域280

12.4.2 非传统医学领域283

12.5 生物传感器的发展283

学习拓展与探究式研讨284

习题云284

第13章 新型传感器285

13.1 智能传感器285

13.1.1 智能传感器的特点286

13.1.2 智能传感器的作用287

13.1.3 智能传感器的发展趋势287

13.1.4 智能传感器的应用实例289

13.2 模糊传感器292

13.2.1 模糊传感器概述292

13.2.2 模糊传感器的结构293

13.2.3 典型模糊传感器举例295

13.3 微传感器297

13.3.1 MEMS与微加工297

13.3.2 微传感器的概念与特点299

13.3.3 微传感器的发展现状300

13.4 网络传感器301

13.4.1 网络传感器的概念301

13.4.2 网络传感器的基本结构302

13.4.3 网络传感器的类型302

13.4.4 基于IEEE1451标准的网络传感器303

13.4.5 网络化测控系统体系结构305

13.4.6 网络传感器的应用前景305

学习拓展与探究式研讨306

习题云306

中篇 检测技术307

第14章 参数检测307

14.1 概述308

14.1.1 检测技术的地位和作用308

14.1.2 参数检测的基本概念308

14.1.3 工业检测的主要内容312

14.2 参数检测的一般方法313

14.2.1 过程参数检测314

14.2.2 机械量参数检测323

14.2.3 其他参数检测327

14.3 检测技术的发展327

学习拓展与探究式研讨329

复杂工程问题实践330

习题云330

第15章 微弱信号检测331

15.1 概述331

15.2 噪声332

15.3 微弱信号检测方法334

15.3.1 相关检测法334

15.3.2 同步积累法339

习题云343

第16章 软测量344

16.1 概述344

16.2 软测量的方法345

16.2.1 选择辅助变量345

16.2.2 处理输入数据346

16.2.3 建立软测量模型347

16.2.4 软测量模型的在线校正349

16.3 软测量的意义及适用条件350

习题云350

第17章 多传感器数据融合351

17.1 概述351

17.1.1 数据融合的起源351

17.1.2 数据融合的目的352

17.1.3 数据融合的定义352

17.1.4 数据融合的特性353

17.1.5 数据融合的优点353

17.2 数据融合的基本原理354

17.2.1 数据融合的层次354

17.2.2 数据融合的处理形态355

17.2.3 数据融合模型355

17.2.4 数据融合的关键技术357

17.3 数据融合的方法358

17.3.1 随机类方法359

17.3.2 人工智能类方法360

17.4 数据融合系统的应用361

学习拓展与探究式研讨362

习题云362

第18章 误差理论与数据处理基础363

18.1 测量误差概述363

18.2 测量误差的处理368

18.2.1 随机误差的处理368

18.2.2 系统误差的处理371

18.2.3 粗大误差的处理373

18.2.4 间接测量误差的传递375

18.2.5 测量误差的合成375

18.2.6 测量误差的分配376

18.3 最小二乘法与回归分析379

18.3.1 最小二乘法379

18.3.2 一元线性拟合382

18.3.3 多元线性拟合382

18.3.4 曲线拟合383

习题云383

下篇 检测系统385

第19章 虚拟仪器385

19.1 概述386

19.1.1 虚拟仪器的基本概念386

19.1.2 虚拟仪器的构成与特点386

19.1.3 虚拟仪器技术的应用389

19.1.4 虚拟仪器的整体设计390

19.1.5 虚拟仪器的发展方向390

19.2 虚拟仪器系统开发环境391

19.2.1 LabWindows/CVI391

19.2.2 LabVIEW395

19.3 虚拟仪器系统的数据采集实现396

19.3.1 基于LabWindows/CVI的数据采集396

19.3.2 基于LabVIEW的数据采集397

复杂工程问题实践400

习题云400

第20章 自动检测系统401

20.1 自动检测系统的组成402

20.1.1 数据采集系统402

20.1.2 输入输出通道407

20.1.3 自动检测系统的软件407

20.2 自动检测系统的基本设计方法410

20.2.1 系统需求分析410

20.2.2 系统总体设计411

20.2.3 采样速率的确定414

20.2.4 标度变换415

20.2.5 硬件设计416

20.2.6 软件设计419

20.2.7 系统的集成与维护419

20.3 典型自动检测系统举例420

20.3.1 自动温度测量系统420

20.3.2 无线传感器网络422

20.3.3 物联网428

20.4 自动检测系统的发展432

学习拓展与探究式研讨434

复杂工程问题实践434

工程案例详解435

习题云436

附录438

附录A 传感器样例438

附录B 中国工程教育专业认证通用标准（毕业要求）441

附录C 部分习题参考答案（精减版）441

附录D 传感器与检测技术综合自测试题442

参考文献443