传感与测试技术

第 1 章 绪论 ……………………………… 1 1. 1 认识测试与测试技术……………… 1 1. 1. 1 测试 ………………………… 1 1. 1. 2 测试技术 …………………… 1 1. 1. 3 测试技术的发展……………… 3 1.2 测试系统 ………………………… 6 1. 3 本课程的主要内容………………… 7 1. 4 课程的性质、 学习方法及要求 …… 7 1. 4. 1 课程性质 …………………… 7 1. 4. 2 学习方法 …………………… 7 1. 4. 3 学习要求 …………………… 7 思考题与习题 …………………………… 8 第 2 章 信号与信号分析 ………………… 9 2. 1 认识信号 ………………………… 9 2. 1. 1 信号的定义 ………………… 9 2. 1. 2 信号的分类 ………………… 10 2. 2信号分析 ………………………… 13 2. 2. 1 信号的时域分析 …………… 13 2. 2. 2 信号的频域分析 …………… 13 2. 2. 3 时域分析与频域分析之间的关系 ………………………… 15 2.3 周期信号及其离散频谱 ………… 16 2. 3. 1 周期信号的定义 …………… 16 2. 3. 2 周期信号傅里叶级数的 2. 3. 3 三角函数展开式 …………… 17 2.4 周期信号傅里叶级数的复指数表达式 ……………… 19 非周期信号与连续频谱 ………… 25 2. 4. 1 傅里叶变换 ………………… 26 2. 4. 2 傅里叶变换的性质 ………… 28 2. 4. 3 常见信号的傅里叶变换 …… 37 2.5 随机信号 ………………………… 42 2.5. 1 概述 ………………………… 42 2. 5. 2 各态历经随机信号的 2.6 特征参数 …………………… 43 相关分析 ………………………… 45 2. 6. 1 互相关函数与自相关函数 … 46 2. 6. 2 相关函数的应用 …………… 48 2.7 功率谱分析及其应用 …………… 51 2. 7. 1 自功率谱密度函数 ………… 51 2. 7. 2 互功率谱密度函数 ………… 52 2. 7. 3 工程应用 …………………… 54 思考题与习题 ………………………… 55 第三章 测试系统特性分析 ……………… 57 1 认识测试系统特性 ……………… 57 2 测试系统的静态特性 …………… 58 3 测试系统的动态特性 …………… 60 3. 3. 1 线性系统的数学描述 ……… 60 3. 3. 2 传递函数 …………………… 62 3. 3. 3 频率响应函数 ……………… 63 3. 3. 4 一阶系统和二阶系统的动态特性 …………………… 66 3. 3. 5 测试系统对典型激励的响应 ………………………… 71 3.4 测试系统对任意输入的响应 …… 74 3.5 测试系统不失真测试条件 ……… 75 3.6 测试系统动态特性的试验测定 … 77 3.7 负载效应及其减轻方法 ………… 79 3. 7. 1 负载效应 …………………… 79 3. 7. 2 减轻负载效应的方法 ……… 80 思考题与习题 ………………………… 81 第 4 章 常用传感器 …………………… 82 4. 1 认识传感器 ……………………… 82 4. 1. 1 传感器的作用 ……………… 83 4. 1. 2 传感器的组成和分类 ……… 84 4. 1. 3 传感器的发展趋势 ………… 87 Ⅱ | 传感与测试技术 4. 2 电阻式传感器 …………………… 92 4. 2. 1 滑动变阻器 ………………… 92 4. 2. 2 应变式传感器 ……………… 94 4. 2. 3 电桥 ………………………… 99 4. 2. 4 压阻式传感器……………… 108 4.3 电容式传感器 ………………… 109 4. 3. 1 工作原理 ………………… 109 4. 3. 2 类型 ……………………… 110 4. 3. 3 电容式传感器的等效电路 ……………………… 114 4. 3.4 电容式传感器转换电路 …… 114 4.4 电感式传感器 ………………… 116 4. 4. 1 自感式 …………………… 116 4. 4. 2 互感式 …………………… 123 4.5 压电传感器 …………………… 127 4. 5. 1 压电效应 ………………… 127 4. 5. 2 压电传感器工作原理及测量电路 ……………… 131 4. 5. 3 压电传感器的应用 ………… 135 4.6 磁电式传感器 ………………… 141 4. 6. 1 动圈式和动铁式传感器 …… 141 4. 6. 2 磁阻式传感器……………… 144 4. 6. 3 霍尔传感器 ……………… 144 4. 6. 4 应用 ……………………… 148 4.7 光电式传感器 ………………… 149 4. 7. 1 光电传感器测量原理 ……… 149 4. 7. 2 光电元件 ………………… 151 4.8 热电式传感器 ………………… 155 4. 8. 1 热电偶 …………………… 155 4. 8. 2 热电阻 …………………… 160 4.9 传感器的标定及选用原则 ……… 163 4. 9. 1 传感器的标定……………… 163 4. 9. 2 传感器的选用原则 ………… 173 思考题与习题 ………………………… 174 第 5 章 信号调理 ……………………… 176 5. 1 认识信号调理 ………………… 176 5. 2 信号的放大 …………………… 177 5. 2. 1 理想运算放大器…………… 177 5. 2. 2 测试系统中几种常见的运算放大器 ……………… 178 5.2.3 放大器及其负载的阻抗匹配 ……………………… 181 5.3 调制与解调 …………………… 181 5. 3. 1 测试信号的调制…………… 181 5. 3. 2 调幅与解调 ……………… 182 5. 3. 3 调频与解调 ……………… 187 5. 4 滤波器 ………………………… 190 5. 4. 1 滤波器的分类……………… 191 5. 4.2 理想滤波器 ……………… 192 5. 4. 3 实际滤波器及基本参数 …… 193 5. 4. 4 RC 滤波器 ………………… 195 5. 4. 5 有源滤波器 ……………… 198 5. 4. 6 恒带宽比滤波器与恒带宽滤波器……………… 200 思考题与习题 ………………………… 203 第 6 章 数字信号处理 ………………… 205 6. 1 认识数字信号处理……………… 205 6. 2 模数转换与数模转换 ………… 207 6. 2. 1 数模转换原理 …………… 207 6. 2. 2 数模转换器的技术指标 … 208 6. 2. 3 模数转换原理 …………… 209 6. 2. 4 模数转换器的技术指标 … 210 6. 3 信号的数字化过程……………… 211 6. 3. 1 信号的数字化过程 ………… 211 6. 3. 2 时域采样、 混叠和采样定理 ……………………… 213 6. 3. 3 量化和量化误差…………… 215 6. 3. 4 频域采样和栅栏效应 ……… 216 6. 4 傅里叶变换 …………………… 216 6. 4. 1 离散傅里叶变换 (DFT) … 216 6. 4. 2 快速傅里叶变换 (FFT) … 217 6. 4. 3 泄漏及窗函数……………… 220 6. 5 数字滤波器 …………………… 225 6. 5. 1 数字滤波器的基本原理 …… 225 6. 5. 2 IIR 数字滤波器的设计 …… 226 6. 5. 3 FIR 数字滤波器的设计 …… 228 思考题与习题 ………………………… 233 第 7 章 数据处理及误差分析 ………… 235 7. 1 认识数据处理 ………………… 235 7. 1. 1 测试数据的表示方法 ……… 235 7. 1. 2 回归分析及其应用 ………… 237 7.2误差分析 ……………………… 244 7. 2. 1 误差的概念 ……………… 244 7. 2. 2 误差的分类 ……………… 246 7. 2. 3 误差的来源 ……………… 246 7. 2. 4 随机误差的处理…………… 247 7. 2. 5 系统误差的分析与处理 …… 251 7. 2. 6 粗大误差 ………………… 253 7.3 测量精度 ……………………… 254 7. 4 线性参数的*小二乘法 ………… 255 7. 4. 1 *小二乘法原理…………… 255 7. 4. 2 *小二乘法的代数算法 …… 257 思考题与习题 ………………………… 259 第 8 章 显示与记录仪器 ……………… 261 8. 1 认识信号的显示与记录 ………… 261 8. 1. 1 显示与记录仪的功能 ……… 261 8. 1. 2 显示与记录仪的分类 ……… 261 8.2 笔式记录仪 …………………… 263 8. 2. 1 检流计式笔录仪…………… 263 8. 2. 2 函数记录仪 ……………… 264 8.3 光线示波器 …………………… 265 8. 3. 1 光线示波器的组成和原理 … 266 8. 3. 2 振动子特性 ……………… 266 8. 3. 3 光线示波器的种类和选用 … 268 8.4 磁带记录仪 …………………… 269 8. 4. 1 磁带记录仪的特点 ………… 269 8. 4. 2 磁带记录仪的构成 ………… 269 8. 4. 3 磁带记录仪的工作原理 …… 270 8. 4. 4 磁带记录仪的记录方式 …… 272 8.5 新型记录仪 …………………… 272 8. 5. 1 数字存储示波器…………… 272 8. 5. 2 无纸记录仪 ……………… 273 8. 5. 3 光盘刻录机 ……………… 273 8.6虚拟仪器 ……………………… 274 8. 6. 1 虚拟仪器的含义及特点 …… 274 8. 6. 2 虚拟仪器的组成…………… 276 8. 6. 3 虚拟仪器开发平台( LabVIEW) ……………… 280 8. 6. 4 虚拟仪器的应用…………… 281 思考题与习题 ………………………… 282 第 9 章 典型传感及测试系统设计的工程应用 ……………………… 283 9. 1 边缘电容检测技术……………… 283 9. 2 低频漏磁检测技术……………… 287 9. 3 超声导波检测技术……………… 292 9. 4 视觉检测技术 ………………… 295 思考题与习题 ………………………… 299 参考文献 ………………………………… 300