傳感器技術及應用

第1章 緒論
1.1 傳感器的作用與功能1
1.2 傳感器的分類3
1.2.1 按工作原理分類3
1.2.2 按被測量分類5
1.3 傳感器技術的特點5
1.4 傳感器技術的發(fā)展6
1.4.1 新材料、新功能的開發(fā)與應用 6
1.4.2 微機械加工工藝的發(fā)展7
1.4.3 傳感器的多功能化發(fā)展8
1.4.4 傳感器的智能化發(fā)展9
1.4.5 傳感器模型及其仿真技術9
1.5 與傳感器技術相關的一些基本概念10
1.6 本教材的特點及主要內(nèi)容10
思考題與習題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12
2.2 傳感器的靜態(tài)標定12
2.2.1 靜態(tài)標定條件12
2.2.2 傳感器的靜態(tài)特性13
2.3 傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算14
2.3.1 測量范圍14
2.3.2 量程14
2.3.3 靜態(tài)靈敏度14
2.3.4 分辨力與分辨率15
2.3.5 漂移15
2.3.6 溫漂16
2.3.7 傳感器的測量誤差16
2.3.8 線性度16
2.3.9 符合度19
2.3.10 遲滯19
2.3.11 非線性遲滯20
2.3.12 重復性20
2.3.13 綜合誤差22
2.3.14 計算實例23
2.4 非線性傳感器靜態(tài)性能指標計算的進一步討論26
2.4.1 問題的提出26
2.4.2 數(shù)據(jù)的基本處理27
2.4.3 誤差的描述28
2.4.4 符合度的計算28
2.4.5 遲滯的計算29
2.4.6 符合性遲滯的計算29
2.4.7 重復性的計算30
2.4.8 綜合誤差的計算31
2.4.9 計算實例33
2.5 傳感器動態(tài)特性方程41
2.5.1 微分方程41
2.5.2 傳遞函數(shù)42
2.5.3 狀態(tài)方程43
2.6 傳感器動態(tài)響應及動態(tài)性能指標43
2.6.1 時域動態(tài)性能指標44
2.6.2 頻域動態(tài)性能指標50
2.7 傳感器動態(tài)特性測試與動態(tài)模型建立57
2.7.1 傳感器動態(tài)標定57
2.7.2 由實驗階躍響應曲線獲取傳感器傳遞函數(shù)的回歸分析法58
2.7.3 由實驗頻率特性獲取傳感器傳遞函數(shù)的回歸法64
2.7.4 應用實例——高頻響、低量程的加速度傳感器幅頻特性測試及改進66
2.8 傳感器噪聲及其減小的方法70
2.8.1 傳感器噪聲產(chǎn)生的原因70
2.8.2 傳感器的信噪比71
2.8.3 傳感器低噪聲化的方法72
思考題與習題73
第3章 基本彈性敏感元件的力學特性
3.1 概述76
3.2 彈性敏感元件的基本特性76
3.2.1 剛度與柔度76
3.2.2 彈性滯后77
3.2.3 彈性后效與蠕變77
3.2.4 彈性材料的機械品質(zhì)因數(shù)78
3.2.5 位移描述79
3.2.6 應變描述80
3.2.7 應力描述83
3.2.8 廣義胡克定律85
3.2.9 固有諧振頻率86
3.2.10 彈性元件的熱特性86
3.3 基本彈性敏感元件的力學特性88
3.3.1 彈性柱體88
3.3.2 彈性弦絲的固有振動92
3.3.3 懸臂梁93
3.3.4 雙端固支梁95
3.3.5 周邊固支圓平膜片96
3.3.6 周邊固支矩形平膜片99
3.3.7 周邊固支波紋膜片103
3.3.8 E形圓膜片104
3.3.9 薄壁圓柱殼體107
3.3.10 彈簧管(包端管)110
3.3.11 波紋管111
3.4 彈性敏感元件的材料112
思考題與習題113
第4章 電位器式傳感器
4.1 概述114
4.2 線繞式電位器的特性115
4.2.1 靈敏度115
4.2.2 階梯特性和階梯誤差115
4.2.3 分辨率116
4.3 非線性電位器116
4.3.1 功用116
4.3.2 實現(xiàn)途徑116
4.4 電位器的負載特性及負載誤差118
4.4.1 電位器的負載特性118
4.4.2 電位器的負載誤差119
4.4.3 減小負載誤差的措施120
4.5 電位器的結(jié)構(gòu)與材料122
4.5.1 電阻絲122
4.5.2 電刷123
4.5.3 骨架124
4.6 非線繞式電位器125
4.7 典型的電位器式傳感器125
4.7.1 電位器式壓力傳感器125
4.7.2 電位器式加速度傳感器127
思考題與習題128
第5章 應變式傳感器
5.1 應變式變換原理131
5.2 金屬應變片132
5.2.1 結(jié)構(gòu)及應變效應132
5.2.2 橫向效應及橫向靈敏度133
5.2.3 電阻應變片的種類136
5.2.4 電阻應變片的材料137
5.2.5 應變片的主要參數(shù)140
5.3 應變片的動態(tài)響應特性141
5.3.1 應變波的傳播過程142
5.3.2 應變片工作頻率范圍的估算143
5.4 應變片的溫度誤差及其補償145
5.4.1 溫度誤差產(chǎn)生的原因145
5.4.2 溫度誤差的補償方法146
5.5 電橋原理149
5.5.1 電橋的平衡149
5.5.2 電橋的不平衡輸出150
5.5.3 電橋的非線性誤差151
5.6 典型的應變式傳感器153
5.6.1 應變式力傳感器154
5.6.2 應變式加速度傳感器163
5.6.3 應變式壓力傳感器165
5.6.4 應變式位移傳感器168
5.6.5 應變式轉(zhuǎn)矩傳感器171
思考題與習題171
第6章 壓阻式傳感器
6.1 壓阻式變換原理174
6.1.1 半導體材料的壓阻效應174
6.1.2 單晶硅的晶向、晶面的表示175
6.1.3 壓阻系數(shù)176
6.2 擴散電阻的阻值與幾何參數(shù)的確定181
6.3 典型的壓阻式傳感器183
6.3.1 壓阻式壓力傳感器183
6.3.2 壓阻式加速度傳感器191
6.4 壓阻式傳感器溫度漂移的補償195
思考題與習題197
第7章 熱電式傳感器
7.1 概述199
7.1.1 溫度的概念199
7.1.2 溫標199
7.1.3 溫度標準的傳遞200
7.1.4 溫度計的標定與校正200
7.1.5 測溫方法與測溫儀器的分類201
7.2 熱電阻測溫傳感器202
7.2.1 金屬熱電阻202
7.2.2 半導體熱敏電阻204
7.2.3 測溫電橋電路206
7.3 熱電偶測溫208
7.3.1 熱電效應208
7.3.2 熱電偶的工作機理209
7.3.3 熱電偶的基本定律210
7.3.4 熱電偶的誤差及補償212
7.3.5 熱電偶的組成、分類及特點216
7.4 半導體PN結(jié)測溫傳感器217
7.5 其他測溫系統(tǒng)218
7.5.1 全輻射式測溫系統(tǒng)218
7.5.2 亮度式測溫系統(tǒng)219
7.5.3 比色式測溫系統(tǒng)220
7.6 應用實例221
7.6.1 基于熱敏電阻的雙功能溫度報警器222
7.6.2 基于熱電阻的氣體質(zhì)量流量傳感器226
思考題與習題227
第8章 電容式傳感器
8.1 基本電容式敏感元件230
8.2 電容式敏感元件的主要特性231
8.2.1 變間隙電容式敏感元件231
8.2.2 變面積電容式敏感元件233
8.2.3 變介電常數(shù)電容式敏感元件234
8.2.4 電容式敏感元件的等效電路234
8.3 電容式變換元件的信號轉(zhuǎn)換電路235
8.3.1 交流不平衡電橋235
8.3.2 變壓器式電橋線路236
8.3.3 二極管電路237
8.3.4 差動脈沖調(diào)寬電路239
8.3.5 運算放大器式電路241
8.4 典型的電容式傳感器241
8.4.1 電容式壓力傳感器241
8.4.2 電容式加速度傳感器242
8.5 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題243
8.5.1 溫度變化對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響243
8.5.2 溫度變化對介質(zhì)介電常數(shù)的影響244
8.5.3 絕緣問題244
8.5.4 寄生電容的干擾與防止245
思考題與習題246
第9章 變磁路式傳感器
9.1 電感式變換原理248
9.1.1 簡單電感式變換原理248
9.1.2 差動電感式變換元件253
9.2 差動變壓器式變換元件254
9.2.1 磁路分析255
9.2.2 電路分析256
9.3 電渦流式變換原理257
9.3.1 電渦流效應257
9.3.2 等效電路分析258
9.3.3 信號轉(zhuǎn)換電路259
9.4 霍爾效應及元件261
9.4.1 霍爾效應261
9.4.2 霍爾元件262
9.5 典型的變磁路式傳感器263
9.5.1 變磁阻式加速度傳感器263
9.5.2 霍爾式振動位移傳感器263
9.5.3 電渦流式振動位移傳感器及其應用263
9.5.4 電磁式振動位移傳感器及其應用264
9.5.5 差動電感式壓力傳感器265
9.5.6 力平衡伺服式加速度傳感器266
9.5.7 磁電式渦輪流量傳感器269
9.5.8 磁柵式位移傳感器271
9.5.9 感應同步器式位移傳感器272
思考題與習題278
第10章 壓電式傳感器
10.1 石英晶體280
10.1.1 石英晶體的壓電機理280
10.1.2 石英晶體的壓電常數(shù)282
10.1.3 石英晶體幾何切型的分類285
10.1.4 石英晶體的性能285
10.1.5 石英壓電諧振器的熱敏感性285
10.2 壓電陶瓷287
10.2.1 壓電陶瓷的壓電機理287
10.2.2 壓電陶瓷的壓電常數(shù)287
10.2.3 常用壓電陶瓷288
10.3 聚偏二氟乙烯289
10.4 壓電換能元件的等效電路289
10.5 壓電換能元件的信號轉(zhuǎn)換電路290
10.5.1 電荷放大器與電壓放大器290
10.5.2 壓電元件的并聯(lián)與串聯(lián)291
10.6 壓電式傳感器的抗干擾問題292
10.6.1 環(huán)境溫度的影響292
10.6.2 環(huán)境濕度的影響294
10.6.3 橫向靈敏度294
10.6.4 基座應變的影響295
10.6.5 聲噪聲295
10.6.6 電纜噪聲296
10.6.7 接地回路噪聲296
10.7 典型的壓電式傳感器297
10.7.1 壓電式加速度傳感器297
10.7.2 壓電式壓力傳感器299
10.7.3 壓電式超聲波傳感器301
10.7.4 壓電式溫度傳感器303
思考題與習題306
第11章 諧振式傳感器
11.1 諧振狀態(tài)及其評估308
11.1.1 諧振現(xiàn)象308
11.1.2 諧振子的機械品質(zhì)因數(shù)Q值310
11.2 閉環(huán)自激系統(tǒng)的實現(xiàn)311
11.2.1 基本結(jié)構(gòu)311
11.2.2 閉環(huán)系統(tǒng)的實現(xiàn)條件312
11.3 敏感機理及特點313
11.3.1 敏感機理313
11.3.2 諧振式測量原理的特點314
11.4 頻率輸出諧振式傳感器的測量方法比較314
11.5 諧振弦式壓力傳感器316
11.5.1 結(jié)構(gòu)與原理316
11.5.2 特性方程316
11.5.3 激勵方式317
11.6 振動筒式壓力傳感器317
11.6.1 結(jié)構(gòu)與原理317
11.6.2 特性方程318
11.6.3 激勵方式319
11.6.4 特性線性化與誤差補償320
11.7 諧振膜式壓力傳感器322
11.7.1 結(jié)構(gòu)與原理322
11.7.2 特性方程322
11.8 石英諧振梁式壓力傳感器323
11.8.1 結(jié)構(gòu)與原理323
11.8.2 特性方程324
11.9 諧振式科里奧利直接質(zhì)量流量傳感器325
11.9.1 諧振式質(zhì)量流量傳感器工作結(jié)構(gòu)與原理325
11.9.2 信號檢測電路328
11.9.3 密度的測量329
11.9.4 雙組分流體的測量330
11.9.5 特點331
思考題與習題332
第12章 聲表面波傳感器
12.1 概述334
12.2 聲表面波叉指換能器335
12.2.1 叉指換能器的基本特性335
12.2.2 叉指換能器的基本分析模型337
12.3 聲表面波諧振器339
12.3.1 結(jié)構(gòu)組成及其工作原理339
12.3.2 頻率和溫度的穩(wěn)定性341
12.4 典型的聲表面波傳感器341
12.4.1 SAW應變傳感器341
12.4.2 SAW壓力傳感器343
12.4.3 SAW加速度傳感器346
12.4.4 SAW氣體傳感器347
12.4.5 SAW流量傳感器351
12.4.6 SAW濕度傳感器353
思考題與習題354
第13章 光纖傳感器
13.1 概述355
13.2 光纖355
13.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與種類355
13.2.2 傳光原理356
13.2.3 光纖的集光能力359
13.2.4 光纖的傳輸損耗360
13.3 強度調(diào)制光纖傳感器362
13.3.1 光纖微彎傳感器362
13.3.2 反射式光纖位移傳感器363
13.3.3 反射式光纖壓力傳感器367
13.4 相位調(diào)制光纖傳感器368
13.4.1 相位調(diào)制的原理368
13.4.2 相位調(diào)制光纖壓力傳感器369
13.4.3 相位調(diào)制光纖力傳感器370
13.4.4 基于薩格納克干涉儀的光纖陀螺371
13.5 頻率調(diào)制光纖傳感器373
13.6 分布式光纖傳感器374
思考題與習題376
第14章 微機械傳感器
14.1 概述378
14.1.1 微傳感器的發(fā)展378
14.1.2 微傳感器中應用的材料378
14.1.3 微傳感器中應用的加工工藝379
14.1.4 微傳感器中敏感結(jié)構(gòu)的模型問題380
14.1.5 微傳感器中微弱信號的處理問題380
14.2 硅電容式集成壓力傳感器381
14.3 硅電容式微機械加速度傳感器382
14.3.1 單軸加速度傳感器382
14.3.2 三軸加速度傳感器383
14.4 硅電容式表面微機械陀螺384
14.5 微機械磁通門傳感器386
14.6 微機械二氧化碳氣體傳感器386
14.7 微機械科氏質(zhì)量流量傳感器387
14.8 毫米波圖像傳感器389
14.9 基于皮拉尼真空計的微小型壓力傳感器389
14.10 硅諧振式壓力微傳感器390
14.10.1 熱激勵硅微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器390
14.10.2 差動輸出的微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器395
思考題與習題396
第15章 傳感器技術的智能化發(fā)展
15.1 傳感器技術智能化的含義398
15.2 基本傳感器401
15.3 智能化傳感器中的軟件402
15.3.1 標度變換技術402
15.3.2 數(shù)字調(diào)零技術402
15.3.3 非線性補償402
15.3.4 溫度補償403
15.3.5 數(shù)字濾波技術403
15.4 典型應用403
15.4.1 光電式智能化壓力傳感器403
15.4.2 智能化差壓傳感器404
15.4.3 全向空速智能化傳感器406
15.4.4 智能化結(jié)構(gòu)傳感器系統(tǒng)407
15.4.5 嵌入式智能化大氣數(shù)據(jù)傳感器系統(tǒng)408
15.4.6 智能化流量傳感器系統(tǒng)409
15.5 發(fā)展前景410
思考題與習題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