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0.1 “传感器原理与应用”课程在相关专业中的作用及编写本教材的目的1

0.1.1 传感器及其在相关专业中的作用1

0.1.2 编写《传感器原理与应用》教材的目的1

第0章　绪论1

0.2 本课程与其他课程的关系2

0.3 本教材的编写方式2

第1章　传感器的基本概念3

1.1 传感器在科学技术中的作用3

1.1.1 科学技术的研究方法与数学模型3

1.1.2 数学模型的定义及工程建模步骤3

1.1.3 数据资料与传感器4

1.1.4 控制事物规律与传感器4

1.1.5 传感器在科学技术中作用的结论4

1.4 传感器的定义、组成框图及各组成部分的作用5

1.4.1 传感器的定义5

1.2 传感器转换的常见非电量5

1.3 测控技术研究的内容5

1.4.2 传感器的组成框图及各组成部分作用6

1.5 传感器的分类6

1.6 传感器工作原理的发展历程7

1.6.1 模拟式传感器7

1.6.2 数字式传感器7

1.6.4 模糊式传感器8

1.6.5 虚拟传感器8

1.6.3 智能传感器8

第2章　传感器的基本特性9

2.1 传感器的静态特性9

2.1.1 静态方程式及不同条件下的工作分析9

2.1.2 静态特性的主要技术指标10

2.2 传感器的动态特性15

2.2.1 动态特性的一般数学模型15

2.2.2 传感器的传递函数16

2.2.3 传感器的频率传递函数17

2.2.4 传感器的动态响应18

2.3 传感器不失真检测转换条件23

第3章　弹性敏感元件25

3.1 传感器常用弹性敏感元件的基本特性25

3.1.1 弹性特性25

3.1.2 弹性滞后26

3.1.3 弹性后效26

3.1.4 弹性元件的固有频率27

3.2 传感器常用弹性敏感元件及其工作原理的数学模型27

3.2.1 弹性等截面轴（实心和空心）27

3.2.2 悬臂梁的工作原理30

3.2.3 等强度（变截面）梁的工作原理33

3.2.4 转轴、扭转棒的工作原理34

3.2.5 薄壁圆筒弹性元件的工作原理36

3.2.6 等截面薄板（平膜片）的工作原理38

3.3 弹性敏感元件的应用39

3.3.1 力→应力和应变型变换39

3.3.2 力、力矩→应力、应变和挠度型变换40

3.3.3 压力、差压→应力、应变和挠度型变换41

3.3.4 扭矩（转矩）→应变和扭转角型变换42

4.1 构成原理及信号变换原理43

4.1.1 电阻应变式传感器构成原理43

4.1.2 信号变换原理43

4.1.3 使用特点43

4.2 应变片（计）的工作原理43

4.2.1 构成原理及信号变换原理43

第4章 电阻应变式传感器43

4.2.2 金属电阻应变效应44

4.2.4 半导体应变片的工作原理46

4.2.3 应变片的工作原理表达式46

4.2.5 应变片的结构47

4.3 应变片的主要特性48

4.3.1 应变片的静态特性48

4.3.2 应变片的动态特性51

4.4 应变片的工作误差53

4.4.1 测量材料误差53

4.4.2 应变片工作温度误差及其补偿54

4.5.1 直流电桥转换原理56

4.5 应变式传感器的测量电路56

4.5.2 直流电桥的电压灵敏度及对称电桥57

4.5.3 电桥的输出特性58

4.5.4 电桥的非线性误差及补偿62

4.5.5 电桥的灵敏度64

4.5.6 交流电桥65

4.6 应变式传感器的应用69

4.6.1 变应式传感器的构成原理及非电量转换69

4.6.2 应变式传感器的应用举例70

4.7 固态压阻式传感器76

4.7.1 压阻式传感器的工作原理76

4.7.2 压阻式压力传感器的工作原理77

4.7.3 压阻式加速度传感器的工作原理78

第5章　电容式传感器80

5.1 电容式传感器的构成、工作原理及工作方式80

5.1.1 电容式传感器的构成及各元件的作用80

5.1.2 平行板电容式变换元件的工作原理80

5.1.3 平行板电容器的工作方式81

5.2 电容式变换元件的主要特性86

5.2.1 单组式输出特性86

5.2.2 差动式输出特性86

5.2.3 变间隙式差动电容的电压输出特性87

5.2.4 电容式变换元件的等效电路88

5.2.5 电容式变换（传感）元件的高阻抗、小功率和易受干扰特性89

5.2.6 静电引力特性89

5.3.1 变间隙式工作原理引起的非线性误差90

5.3 电容式变换元件的误差及补偿90

5.3.2 温度误差92

5.3.3 电容电场的边缘效应94

5.3.4 寄生电容与分布电容的影响及补偿95

5.4 电容式传感器的测量电路96

5.4.1 交流不平衡电桥96

5.4.2 变压器式电桥98

5.4.3 运算放大器测量电路100

5.4.4 差动脉冲宽度调制电路101

5.5.1 电容式位移传感器103

5.5 电容式传感器的应用103

5.5.2 电容式液位计104

5.5.3 电容式压差传感器105

第6章　电感式传感器108

6.1 电感式传感器109

6.1.1 电感式传感器的组成及工作原理109

6.1.2 电感式传感器的工作方式110

6.1.3 电感式传感器的输出特性111

6.1.4 差动变间隙电感式传感器112

6.1.5 单线圈螺管型电感式传感器114

6.1.6 差动螺管型电感式传感器116

6.1.7 电感式传感器的等效电路118

6.2 互感式传感器（差动变压器）121

6.2.1 差动变压器的构成121

6.2.2 差动变压器的工作原理122

6.3 电感式传感器的测量电路124

6.3.1 交流电桥原理124

6.3.2 变压器式交流电桥原理126

6.3.4 差动整流电路128

6.3.3 相敏检波电路128

6.4 电感式传感器的误差129

6.4.1 零位误差129

6.4.2 饱和电流误差130

6.4.3 非线性误差130

6.4.4 温度误差131

6.4.5 电磁引力引起的误差131

6.5 电感式传感器的应用132

6.5.1 差动电感式位移传感器132

6.5.2 差动变压器式应变测量传感器134

第7章　电涡流式传感器136

7.1 电涡流式传感器的工作原理136

7.1.1 电涡流式传感器的结构136

7.1.2 高频反射电涡流式传感器的工作原理137

7.1.3 低频透射电涡流式传感器的工作原理140

7.2 电涡流式传感器的测量电路142

7.2.2 谐振电路143

7.2.1 交流电桥测量电路143

7.3 电涡流式传感器的应用147

7.3.1 电涡流式测厚传感器147

7.3.2 电涡流式位移传感器148

7.3.3 电涡流式测温传感器148

7.3.4 电涡流式转速传感器148

7.3.5 电涡流式膜厚测量传感器149

8.1.2 惯性（相对）测量原理的数学模型151

8.1.1 惯性测量原理151

8.1 磁电式传感器的惯性测量原理及其数学模型151

第8章　磁电（电动）式传感器151

8.2 磁电式传感器的机电变换原理153

8.2.1 磁电式传感器的分类153

8.2.2 相对运动调制型磁电式传感器工作原理154

8.2.3 磁阻调制（变磁阻）型磁电式传感器工作原理155

8.3 磁电式传感器的动态特性156

8.3.1 机械阻抗的概念157

8.3.2 磁电式传感器的机械阻抗160

8.3.3 磁电式传感器的传递矩阵161

8.4 磁电式传感器的测量电路165

8.4.1 加速度测量电路原理166

8.4.2 位移测量电路原理166

8.5 磁电式传感器的应用167

8.5.1 磁电式转速传感器167

8.5.2 磁电式扭矩传感器167

9.1 压电效应及工作原理169

9.1.1 石英晶体的压电效应169

第9章　压电式传感器169

9.1.2 压电式传感器的工作原理171

9.1.3 压电陶瓷的压电效应173

9.1.4 压电式传感器工作原理的一般表达式175

9.1.5 压电元件的基本变形及工作方式176

9.1.6 压电常数和耦合系数178

9.2 压电式传感器的等效电路178

9.2.1 压电元件的等效电路178

9.3.1 电压放大器原理180

9.2.2 压电式传感器的等效电路180

9.3 压电式传感器的测量电路180

9.3.2 电荷放大器原理182

9.4 压电式传感器的应用184

9.4.1 压电元件的应用185

9.4.2 压电式加速度传感器186

9.4.3 压电式力传感器189

9.4.4 压电式压力传感器190

10.1.1 磁致伸缩效应191

10.1.2 压磁效应191

10.1 磁性材料的两种效应191

第10章　压磁式传感器191

10.2 压磁式传感器的工作原理192

10.2.1 磁化原理192

10.2.2 压磁式传感器的工作原理表达式192

10.3 压磁式传感器工作原理的物理机理196

10.3.1 压磁元件的构成196

10.3.3 压磁式传感器的结构197

10.3.2 工作原理的物理机理197

10.4 交流压磁式传感器198

10.5 压磁式传感器的测量电路198

10.6 压磁式传感器的应用举例199

10.6.1 利用磁致伸缩效应构成的非接触式扭矩传感器的原理199

10.6.2 GS-312A压磁式测力传感器200

第11章　热电式传感器202

11.1 热电式传感器的工作原理202

11.1.1 热电效应202

11.1.2 热电势及其极性204

11.1.3 热电偶的基本定律206

11.1.4 热电偶测量温度的基本原理208

11.2 冷端温度的补偿及其方法209

11.2.1 冷端补偿209

11.2.2 冷端补偿的方法209

11.3 常用热电偶的种类211

11.4.1 单点温度测量电路212

11.4 热电偶实用测量电路212

11.4.2 两点间温差测量电路213

11.4.3 平均温度测量电路213

11.4.4 若干点温度之和测量电路214

11.4.5 若干只热电偶共用一台仪表的测量电路214

11.5 热电阻式传感器215

11.5.1 金属热电阻的工作原理215

11.5.2 热电阻的测量电路217

11.5.3 金属热电阻的灵敏度218

11.6 半导体热敏电阻219

11.6.1 热敏电阻的结构形式219

11.6.2 负温度系数（NTC）热敏电阻的主要特性220

11.6.3 热敏电阻的线性化221

11.7 热电式传感器的应用224

11.7.1 热电式金属材料鉴别仪224

11.7.2 铂电阻测量真空度225

12.2.1 洛伦兹力的形成227

12.2 霍耳式传感器的工作原理227

12.1 霍耳效应227

第12章　霍耳式传感器227

12.2.2 电场力的形成228

12.2.3 霍耳电势的形成228

12.2.4 载流体中的电流229

12.3 霍耳元件的符号、基本电路、霍耳元件的组合使用及输出电路230

12.3.1 霍耳元件的符号和基本电路230

12.3.2 霍耳元件组合使用的电路230

12.3.3 霍耳电势的输出电路231

12.4.1 零位误差及补偿232

12.4 霍耳元件的测量误差及补偿232

12.4.2 霍耳元件的温度误差及补偿233

12.5 霍耳式传感器的应用236

12.5.1 在测量与控制系统中作测量和计算元件236

12.5.2 在测量系统中作变换元件237

12.5.3 其他非电量的测量239

12.5.4 测量高压电流239

13.1.1 智能化传感器的组成框图240

第13章　智能传感器240

13.1 智能化传感器240

13.1.2 智能化传感器的工作原理241

13.1.3 智能化传感器的软件设计简介241

13.2 智能化传感器的软件功能举例242

13.2.1 零位和满量程误差自校正功能242

13.2.2 传感器特性补偿功能243

13.2.3 温度补偿功能244

13.2.4 量程自动转换功能245

13.3 智能式传感器246

第14章　能量变换型传感器247

14.1 被测量的分类247

14.2 传感器的能量变换原理247

14.2.1 自源型传感器的能量变换原理248

14.2.2 无源型传感器的能量变换原理248

14.3 能量变换型传感器的传递矩阵249

14.3.1 二端口传感器的一般表达式249

14.3.2 二端口传感器的传递矩阵250

14.3.3 二端口传感器的负载效应251

14.3.4 传感器的输入、输出特性252

14.3.5 负载效应的理论机理及清除方法253

14.4 能量变换型传感器的能量变换类型与特点253

14.4.1 能量变换型传感器253

14.4.2 能量控制型传感器254

14.5 能量变换型传感器的应用255

14.5.1 电子式预付费热能表255

14.5.2 电子式预付费电能表256

15.1 闭环式传感器的一般工作原理及特点257

第15章　闭环式传感器257

15.2 力平衡式闭环传感器258

15.2.1 工作原理259

15.2.2 闭环式传感器的特性259

15.3 电荷平衡式闭环传感器264

15.3.1 构成264

15.3.2 工作原理264

参考文献266