传感器及其应用-(第三版)

第1章 引言 1 1.1 传感器的发展和作用 1 1.2 传感器的概念 2 1.3 传感器的分类 3 1.4 传感器的性能和评价 4 1.4.1 传感器的静态特性 5 1.4.2 传感器的动态特性 7 参考文献 16 第2章 应变式传感器 17 2.1 电阻应变效应 17 2.1.1 电阻应变效应 17 2.1.2 应变计的分类 18 2.1.3 应变计型号命名规则 21 2.2 应变计的主要特性 21 2.2.1 应变计的灵敏度系数 22 2.2.2 横向效应 22 2.2.3 应变计的动态特性 24 2.2.4 其他特性参数 26 2.3 应变计的粘贴 27 2.4 电桥原理及电阻应变计桥路 28 2.4.1 直流电桥的特性方程及平衡条件 28 2.4.2 直流电桥的电压灵敏度 29 2.4.3 交流电桥的平衡条件和电压输出 30 2.5 温度误差及其补偿 31 2.5.1 温度误差产生的原因 31 2.5.2 温度补偿方法 33 2.6 电阻应变仪 35 2.7 应变式传感器 38 2.7.1 弹性敏感元件 38 2.7.2 应变式测力与称重传感器 39 2.7.3 应变式压力传感器 44 2.7.4 应变式加速度传感器 46 2.8 几种新型的微应变式传感器 47 2.8.1 压阻效应 47 2.8.2 敏感元件加工新技术 48 2.8.3 微型硅应变式传感器 50 2.8.4 X型硅压力传感器 51 2.8.5 薄膜应变式传感器 52 参考文献 52 第3章 光电式传感器 53 3.1 光电效应 53 3.1.1 外光电效应 53 3.1.2 内光电效应 54 3.2 热释电效应 56 3.3 光的吸收系数 57 3.4 光传感器的特性表示法 58 3.4.1 灵敏度 58 3.4.2 光谱灵敏度S(λ)与峰值波长 58 3.4.3 相对光谱灵敏度Sr(λ) 58 3.4.4 积分灵敏度S 59 3.4.5 通量阈ΦH 59 3.4.6 归一化探测率D* 59 3.4.7 转换特性Sz(t)和响应时间 60 3.4.8 光电器件的频率特性 60 3.4.9 光照特性 61 3.4.10 温度特性 61 3.4.11 伏安特性 61 3.5 光电传感器 62 3.5.1 光电管 62 3.5.2 光电倍增管 63 3.5.3 光敏电阻 65 3.5.4 光电二极管和光电三极管 72 3.5.5 光电池 81 3.5.6 PIN型硅光电二极管 86 3.5.7 雪崩式光电二极管(APD) 87 3.5.8 半导体色敏传感器 88 3.5.9 光电闸流晶体管 89 3.5.10 热释电传感器 90 3.5.11 达林顿光电三极管 91 3.5.12 光电耦合器件 92 3.5.13 光导摄像管 92 3.5.14 CCD图像传感器 93 参考文献 96 第4章 光纤传感器 97 4.1 光导纤维(光纤) 97 4.1.１ 光纤的结构 97 4.1.2 光在光纤中的传播 98 4.1.3 光纤的几个重要参数 99 4.1.4 光纤的类型 100 4.2 强度型(振幅型)光纤传感器 101 4.2.1 反射式光纤位移传感器 101 4.2.2 光纤测压传感器 103 4.2.3 移动光栅光纤传感器 104 4.2.4 微弯光纤传感器 105 4.3 干涉型光纤传感器 107 4.3.1 基本原理 107 4.3.2 光纤(强度)干涉仪 111 4.3.3 相位检测中的几个问题 112 4.3.4 相位检测方法 117 4.3.5 光纤声传感器 121 4.3.6 光纤磁传感器 122 4.3.7 光纤电流传感器 123 4.3.8 光纤线性加速度计 123 4.3.9 涡流式光纤流量传感器 124 4.4 光纤光栅传感器 124 4.4.1 光纤光栅传感器的原理 125 4.4.2 光纤光栅成栅方法 126 4.4.3 光源 130 4.4.4 信号解调 132 4.4.5 光纤光栅的灵敏度 135 4.4.6 光纤光栅传感器 137 4.4.7 光纤光栅传感器网络 143 4.4.8 光纤光栅传感器的应用 145 参考文献 145 第5章 变磁阻式传感器 147 5.1 电感式传感器 147 5.2 差动式电感传感器 149 5.3 差动变压器式传感器 151 5.3.1 Π形差动变压器的输出特性 152 5.3.2 螺管形差动变压器 153 5.4 电动式传感器 156 参考文献 157 第6章 压电传感器 158 6.1 晶体的压电效应 158 6.1.1 晶体压电效应的说明 158 6.1.2 压电方程 158 6.1.3 压电材料 160 6.2 压电加速度传感器 160 6.2.1 压电加速度传感器的 工作原理 161 6.2.2 压电加速度传感器的结构 162 6.2.3 压电加速度传感器的 等效电路 164 6.3 压电谐振式传感器 166 6.3.１ 石英晶体谐振式温度传感器 166 6.3.2 石英晶体谐振式压力传感器 167 6.3.3 压电汞蒸气探测器 169 6.3.4 测量液体密度的压电传感器 170 6.4 声表面波传感器 171 6.4.1 SAW传感器的基本原理 171 6.4.2 SAW压力传感器 173 6.4.3 SAW热敏传感器 174 6.4.4 SAW气敏传感器 175 6.4.5 SAW电力传感器 176 6.4.6 SAW加速度传感器 177 6.4.7 SAW流量传感器 178 参考文献 179 第7章 压电声传感器 180 7.1 厚度振动换能器 180 7.2 圆柱形压电换能器 182 7.2.1 薄壁圆管的共振频率方程 183 7.2.2 开路接收电压灵敏度 183 7.3 复合棒压电换能器 184 7.3.1 复合棒压电振子的 机电等效图 185 7.3.2 共振频率方程 186 7.4 压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器 188 7.4.1 弯曲振动压电陶瓷换能器的原理 188 7.4.2 弯曲振动压电陶瓷换能器的实例 189 参考文献 190 第8章 半导体传感器 191 8.1 半导体温度传感器 191 8.1.1 接触型半导体传感器 191 8.1.2 非接触型半导体温度传感器 205 8.2 半导体湿度传感器 207 8.2.1 湿度的定义 208 8.2.2 湿度传感器的主要参数 208 8.2.３ 湿度传感器器件 210 8.2.4 半导体陶瓷湿度传感器的检测精度 218 8.3 半导体气体传感器 218 8.3.1 半导体电阻型气敏器件 219 8.3.2 非电阻控制型半导体 气敏器件223 8.3.3 半导体气敏传感器的气敏选择性 225 8.3.4 纳米技术在半导体陶瓷气体传感器中的应用 226 8.3.5 半导体气体传感器的应用 226 8.4 半导体磁敏传感器 229 8.4.1 磁敏器件的工作原理 229 8.4.2 半导体磁敏器件 230 8.4.3 磁传感器应用举例 240 8.5 半导体射线传感器 243 参考文献 244 第9章 电位器式传感器 245 9.1 线性电位器 245 9.1.1 空载特性 245 9.1.2 阶梯特性、阶梯误差和 分辨率 247 9.2 非线性电位器 248 9.2.1 变骨架式非线性电位器 248 9.2.2 变节距式非线性线绕电位器 250 9.2.3 分路（并联）电阻式非线性电位器 251 9.3 负载特性与负载误差 252 9.4 电位器式传感器 254 9.4.1 电位器式位移传感器 254 9.4.2 电位器式压力传感器 255 9.4.3 电位器式加速度传感器 255 参考文献 256 第10章 电容式传感器 257 10.1 电容式传感器的基本原理 257 10.1.1 变极距型电容传感器 258 10.1.2 变面积型电容传感器 260 10.1.3 变介质型电容传感器 261 10.2 电容传感器的测量电路 262 10.2.1 等效电路 262 10.2.2 交流电桥 262 10.2.3 调频电路 263 10.2.4 运算放大器电路 264 10.2.5 对T二极管交流电桥 265 10.2.6 差动脉冲宽度调制电路 266 10.3 电容式传感器及其应用 267 10.3.1 电容式压力传感器 267 10.3.2 电容式称重传感器 270 10.3.3 电容式位移传感器 271 10.3.4 电容式加速度传感器 271 10.3.5 电容式液位传感器 272 10.3.6 电容式传感器的其他 应用简介 273 参考文献 276 第11章 Z—半导体敏感元件 277 11.1 Z—半导体敏感元件的由来与特点277 11.1.1 由来 277 11.1.2 特点 278 11.2 温敏Z—元件的伏安特性 278 11.3 基本应用电路 279 11.4 应用开发的基本原理 280 11.4.1 应用开发综述 280 11.4.2 状态转换条件 280 11.4.3 基本应用举例 281 11.5 力敏Z—元件简介 285 参考文献 285 第12章 MEMS传感器 287 12.1 MEMS的技术特点 288 12.2 制备MEMS器件的微细 加工技术 288 12.3 尺度效应 292 12.4 MEMS传感器 293 12.4.1 MEMS压力传感器 293 12.4.2 MEMS加速度传感器 295 12.4.3 MEMS声传感器 298 12.5 MEMS陀螺仪 299 12.5.1 科里奥利力 299 12.5.2 敏感原理 300 12.5.3 MEMS陀螺仪结构原理图 301 12.6 MEMS超声传感器 301 12.6.1 压电MEMS超声传感器 301 12.6.2 电容MEMS超声传感器 302 12.7 MEMS传感器的发展趋势 303 参考文献 305 第13章 纳米传感器 307 13.1 纳米材料 307 13.2 纳米材料的特性 309 13.3 纳米材料的制备方法 310 13.3.1 纳米粒子的制备方法 310 13.3.2 纳米纤维的制备方法 312 13.3.3 纳米薄膜的制备方法 312 13.3.4 纳米块体的制备方法 313 13.3.5 碳纳米管的制备方法 313 13.4 纳米材料特性在传感器上的应用 314 13.5 纳米传感器 315 13.5.1 纳米物理传感器 315 13.5.2 纳米化学传感器 317 13.5.3 纳米生物传感器 318 13.5.4 纳米气敏传感器 321 13.6 纳米传感器的应用 323 13.7 纳米传感器的发展趋势 324 参考文献 324 第14章 传感器电路 327 14.1 传感器的匹配 327 14.1.1 变压器匹配 327 14.1.2 高输入阻抗放大器 327 14.1.3 电荷放大器 329 14.2 信号处理电路 329 14.2.1 滤波电路 329 14.2.2 电平转换电路 333 14.2.3 采样-保持电路 333 14.2.4 A/D转换电路 333 14.2.5 数字信号处理器 335 14.3 信号传输 335 14.4 抗干扰设计 336 14.4.1 电阻器 337 14.4.2 电容器 337 14.4.3 电感器 338 14.4.4 数字器件 339 14.4.5 电路干扰的控制 339 14.5 实际传感器电路举例 340 14.5.1 温度测量电路 340 14.5.2 高阻抗差动放大器 341 14.5.3 压控可变增益放大器 341 14.5.4 绝对值放大器 342 14.5.5 容性负载的隔离放大器 342 14.5.6 电缆跟随电路 342 14.5.7 电流放大器 343 14.5.8 求和放大器 343 14.5.9 窗口比较器 343 14.5.10 峰值电压检波器 343 14.5.11 抑制交流声的可调窄带带阻 滤波器 344 14.5.12 电桥式压力测量电路 344 14.5.13 带通滤波器 345 14.5.14 防雷器电路 346 14.5.15 零点清除电路 346 14.5.16 光隔离放大器 347 14.5.17 低噪声电压源 347 14.5.18 光电二极管放大电路 348 参考文献 348