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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5

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7

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11

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22

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28

2.4.5 迟滞的计算28

2.4.6 符合性迟滞的计算29

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52

2.7.1 传感器动态标定52

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53

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64

2.8.3 传感器低噪声化的方法65

思考题与习题66

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 弹性元件的机械品质因数71

3.2.5 位移描述72

3.2.6 应变描述73

3.2.7 应力描述74

3.2.8 广义胡克定律76

3.2.9 固有频率76

3.2.10 弹性元件的热特性77

3.3 基本弹性敏感元件的力学特性78

3.3.1 弹性柱体78

3.3.2 弹性弦丝的固有振动81

3.3.3 悬臂梁82

3.3.4 双端固支梁84

3.3.5 周边固支圆平膜片84

3.3.6 周边固支矩形平膜片86

3.3.7 周边固支波纹膜片89

3.3.8 E形圆膜片90

3.3.9 薄壁圆柱壳体93

3.3.10 弹簧管（包端管）95

3.3.11 波纹管95

3.4 弹性敏感元件的材料96

思考题与习题97

第4章 电位器式传感器99

4.1 概述99

4.2 线绕式电位器的特性100

4.2.1 灵敏度100

4.2.2 阶梯特性和阶梯误差100

4.2.3 分辨率101

4.3 非线性电位器101

4.3.1 功用101

4.3.2 实现途径101

4.4 电位器的负载特性及负载误差103

4.4.1 电位器的负载特性103

4.4.2 电位器的负载误差103

4.4.3 减小负载误差的措施104

4.5 电位器的结构与材料106

4.5.1 电阻丝106

4.5.2 电刷106

4.5.3 骨架108

4.6 非线绕式电位器109

4.7 典型的电位器式传感器109

4.7.1 电位器式压力传感器109

4.7.2 电位器式加速度传感器110

思考题与习题111

第5章 应变式传感器114

5.1 应变式变换原理114

5.2 金属应变片115

5.2.1 结构及应变效应115

5.2.2 横向效应及横向灵敏度116

5.2.3 电阻应变片的种类118

5.2.4 电阻应变片的材料119

5.2.5 应变片的主要参数122

5.3 应变片的动态响应特性123

5.3.1 应变波的传播过程123

5.3.2 应变片工作频率范围的估算124

5.4 应变片的温度误差及其补偿126

5.4.1 温度误差产生的原因126

5.4.2 温度误差的补偿方法127

5.5 电桥原理129

5.5.1 电桥的平衡130

5.5.2 电桥的不平衡输出130

5.5.3 电桥的非线性误差131

5.5.4 四臂受感差动电桥的温度补偿133

5.6 典型的应变式传感器133

5.6.1 应变式力传感器134

5.6.2 应变式加速度传感器142

5.6.3 应变式压力传感器144

5.6.4 应变式转矩传感器147

思考题与习题147

第6章 压阻式传感器150

6.1 压阻式变换原理150

6.1.1 半导体材料的压阻效应150

6.1.2 单晶硅的晶向、晶面的表示151

6.1.3 压阻系数152

6.2 扩散电阻的阻值与几何参数的确定157

6.3 典型的压阻式传感器159

6.3.1 压阻式压力传感器159

6.3.2 压阻式加速度传感器165

6.4 压阻式传感器温度漂移的补偿168

思考题与习题170

第7章 热电式传感器172

7.1 概述172

7.1.1 温度的概念172

7.1.2 温标172

7.1.3 温度标准的传递与温度计的标定、校正173

7.1.4 测温方法与测温仪器的分类174

7.2 热电阻测温传感器175

7.2.1 金属热电阻175

7.2.2 半导体热敏电阻177

7.2.3 测温电桥电路179

7.3 热电偶测温180

7.3.1 热电效应180

7.3.2 热电偶的工作原理181

7.3.3 热电偶的基本定律182

7.3.4 热电偶的误差及补偿184

7.3.5 热电偶的组成、分类及特点186

7.4 半导体P-N结温度传感器188

7.5 其他测温系统189

7.5.1 全辐射式测温系统189

7.5.2 亮度式测温系统189

7.5.3 比色式测温系统190

7.6 应用实例191

7.6.1 基于热敏电阻的双功能温度报警器192

7.6.2 基于热电阻的气体质量流量传感器196

思考题与习题197

第8章 电容式传感器199

8.1 基本电容式敏感元件199

8.2 电容式敏感元件的主要特性200

8.2.1 变间隙电容式敏感元件200

8.2.2 变面积电容式敏感元件201

8.2.3 变介电常数电容式敏感元件203

8.2.4 电容式敏感元件的等效电路203

8.3 电容式变换元件的信号转换电路203

8.3.1 运算放大器式电路204

8.3.2 交流不平衡电桥204

8.3.3 变压器式电桥电路205

8.3.4 二极管电路206

8.3.5 差动脉冲调宽电路207

8.4 典型的电容式传感器209

8.4.1 电容式压力传感器209

8.4.2 电容式加速度传感器210

8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题210

8.5.1 温度变化对结构稳定性的影响210

8.5.2 温度变化对介质介电常数的影响211

8.5.3 绝缘问题212

8.5.4 寄生电容的干扰与防止212

思考题与习题213

第9章 变磁路式传感器215

9.1 电感式变换原理215

9.1.1 简单电感式变换原理215

9.1.2 差动电感式变换元件220

9.2 差动变压器式变换元件221

9.2.1 磁路分析221

9.2.2 电路分析223

9.3 电涡流式变换原理223

9.3.1 电涡流效应223

9.3.2 等效电路分析224

9.3.3 信号转换电路225

9.4 霍尔效应及元件226

9.4.1 霍尔效应226

9.4.2 霍尔元件228

9.5 典型的变磁路式传感器228

9.5.1 变磁阻式加速度传感器228

9.5.2 霍尔式振动位移传感器228

9.5.3 电涡流式振动位移传感器及其应用229

9.5.4 电磁式振动速度传感器及其应用229

9.5.5 差动电感式压力传感器230

9.5.6 力平衡伺服式加速度传感器231

9.5.7 磁电式涡轮流量传感器234

9.5.8 磁栅式位移传感器235

9.5.9 感应同步器式位移传感器237

思考题与习题241

第10章 压电式传感器244

10.1 石英晶体244

10.1.1 石英晶体的压电机理244

10.1.2 石英晶体的压电常数246

10.1.3 石英晶体几何切型的分类248

10.1.4 石英晶体的性能249

10.1.5 石英压电谐振器的热敏感性249

10.2 压电陶瓷250

10.2.1 压电陶瓷的压电机理250

10.2.2 压电陶瓷的压电常数250

10.2.3 常用压电陶瓷251

10.3 聚偏二氟乙烯251

10.4 压电换能元件的等效电路252

10.5 压电换能元件的信号转换电路253

10.5.1 电荷放大器与电压放大器253

10.5.2 压电元件的并联与串联254

10.6 压电式传感器的抗干扰问题255

10.6.1 环境温度的影响255

10.6.2 环境湿度的影响256

10.6.3 横向灵敏度257

10.6.4 基座应变的影响257

10.6.5 声噪声257

10.6.6 电缆噪声258

10.6.7 接地回路噪声258

10.7 典型的压电式传感器259

10.7.1 压电式加速度传感器259

10.7.2 压电式压力传感器261

10.7.3 压电式超声波传感器262

10.7.4 压电式温度传感器264

思考题与习题267

第11章 谐振式传感器269

11.1 谐振状态及其评估269

11.1.1 谐振现象269

11.1.2 谐振子的机械品质因数Q值271

11.2 闭环自激系统的实现272

11.2.1 基本结构272

11.2.2 闭环系统的实现条件273

11.3 敏感机理及特点274

11.3.1 敏感机理274

11.3.2 谐振式传感器的特点274

11.4 频率输出谐振式传感器的测量方法比较274

11.5 谐振弦式压力传感器276

11.5.1 结构与原理276

11.5.2 特性方程276

11.5.3 激励方式277

11.6 谐振筒式压力传感器277

11.6.1 结构与原理277

11.6.2 特性方程278

11.6.3 激励方式279

11.6.4 特性的解算280

11.7 谐振膜式压力传感器281

11.7.1 结构与原理281

11.7.2 特性方程282

11.8 石英谐振梁式压力传感器282

11.8.1 结构与原理282

11.8.2 特性方程283

11.9 谐振式科里奥利直接质量流量传感器284

11.9.1 结构与工作原理284

11.9.2 信号检测电路287

11.9.3 密度的测量288

11.9.4 双组分流体的测量288

11.9.5 分类与应用特点289

思考题与习题291

第12章 声表面波传感器293

12.1 概述293

12.2 声表面波叉指换能器294

12.2.1 叉指换能器的基本特性294

12.2.2 叉指换能器的基本分析模型296

12.3 声表面波谐振器297

12.3.1 结构组成及其工作原理297

12.3.2 频率和温度的稳定性299

12.4 典型的声表面波传感器299

12.4.1 SAW应变传感器300

12.4.2 SAW加速度传感器301

12.4.3 SAW压力传感器302

思考题与习题304

第13章 光纤传感器305

13.1 概述305

13.2 光纤305

13.2.1 光纤的结构与种类305

13.2.2 传光原理306

13.2.3 光纤的集光能力308

13.2.4 光纤的传输损耗309

13.3 强度调制光纤传感器311

13.3.1 光纤微弯传感器311

13.3.2 反射式光纤位移传感器312

13.3.3 反射式光纤压力传感器315

13.4 相位调制光纤传感器316

13.4.1 相位调制的原理316

13.4.2 相位调制光纤压力传感器317

13.4.3 相位调制光纤力传感器318

13.4.4 基于萨格纳克干涉仪的光纤陀螺319

13.5 频率调制光纤传感器320

13.6 分布式光纤传感器322

思考题与习题324

第14章 微机械传感器325

14.1 概述325

14.1.1 微传感器的发展325

14.1.2 微传感器中应用的材料326

14.1.3 微传感器中应用的加工工艺326

14.1.4 微传感器中敏感结构的模型问题327

14.1.5 微传感器中微弱信号的处理问题327

14.2 硅电容式集成压力传感器328

14.3 硅电容式微机械加速度传感器329

14.3.1 单轴加速度传感器329

14.3.2 三轴加速度传感器330

14.4 微机械陀螺331

14.4.1 硅电容式表面微机械陀螺331

14.4.2 输出频率的硅微机械陀螺331

14.5 微机械磁通门传感器333

14.6 微机械二氧化碳气体传感器333

14.7 微机械科氏质量流量传感器334

14.8 毫米波图像传感器335

14.9 基于皮拉尼真空计的微小型压力传感器336

14.10 硅谐振式压力微传感器337

14.10.1 热激励硅微结构谐振式压力传感器337

14.10.2 差动输出的微结构谐振式压力传感器341

思考题与习题342

第15章 传感器技术的智能化发展344

15.1 传感器技术智能化的含义344

15.2 基本传感器346

15.3 智能化传感器中的软件347

15.3.1 标度变换技术347

15.3.2 数字调零技术348

15.3.3 非线性补偿348

15.3.4 温度补偿348

15.3.5 数字滤波技术348

15.4 典型应用348

15.4.1 智能化差压传感器348

15.4.2 全向空速智能化传感器350

15.4.3 智能化结构传感器系统351

15.4.4 嵌入式智能化大气数据传感器系统352

15.4.5 智能化流量传感器系统352

15.5 发展前景353

思考题与习题354

附录356

附录A 基本常数356

附录B 国际制词冠357

附录C 国际单位制（SI）的主要单位357

附录D 国际单位制（SI）下空气与常见液体的物理性质363

参考文献364