传感器原理及其应用(杨帆)(第二版)

章传感器基础知识1 1.1传感器的地位与作用1 1.2传感器定义与分类2 1.2.1传感器定义2 1.2.2传感器分类3 1.3传感器与传感技术4 1.4传感技术的特点4 1.5传感器技术的发展方向5 1.6本章小结6 习题6 第2章传感器特性7 2.1传感器的静态特性8 2.1.1线性度8 2.1.2灵敏度12 2.1.3迟滞差12 2.1.4灵敏度界限(阈值)13 2.1.5稳定性13 2.2传感器的动态特性13 2.2.1传感器动态特性的数学模型14 2.2.2传感器的传递函数15 2.2.3频率响应函数16 2.2.4冲激响应函数17 2.2.5频率响应分析18 2.3传感器的静态特性标定22 2.3.1静态标准条件22 2.3.2标定仪器设备的精度等级的确定22 2.3.3静态特性标定的方法22 2.4传感器的动态特性标定23 2.5本章小结25 习题26 第3章电位器式传感器27 3.1线性电位器27 3.1.1空载特性28 3.1.2阶梯特性、阶梯误差和分辨率29 3.2非线性电位器30 3.2.1变骨架式非线性电位器30 3.2.2变节距式非线性电位器31 3.2.3分路(并联)电阻式非线性电位器32 3.3负载特性与负载误差34 3.4结构与材料36 3.5电位器式传感器37 3.5.1电位器式位移传感器37 3.5.2电位器式压力传感器37 3.5.3电位器式加速度传感器37 3.6电位器式传感器应用设计38 3.6.1电位器式液位传感器设计38 3.6.2电位器式角度指示仪设计39 3.6.3汽车前轮转向角的简易测量系统设计39 3.6.4电位器性能测试系统的设计40 3.7本章小结43 习题43 第4章应变式传感器45 4.1电阻应变计结构及测量原理45 4.2电阻应变效应46 4.3应变计型号命名规则47 4.4应变计主要特性48 4.4.1应变计的灵敏度系数48 4.4.2横向效应48 4.4.3滞后、漂移49 4.4.4应变极限、疲劳寿命50 4.4.5绝缘电阻、优选工作电流50 4.4.6应变片的电阻值50 4.5测量电路50 4.5.1直流电桥50 4.5.2交流电桥52 4.5.3应变片的温度误差及其补偿53 4.6电阻应变仪57 4.6.1电阻应变仪57 4.6.2遥测应变仪实例——汽轮机长叶片动应力的遥测58 4.7应变式传感器59 4.7.1应变式力传感器59 4.7.2应变式压力传感器63 4.7.3应变式加速度传感器64 4.8新型的微应变式传感器65 4.8.1压阻效应65 4.8.2微型硅应变式传感器67 4.8.3X型硅压力传感器67 4.8.4薄膜应变式传感器68 4.9电阻应变式传感器应用设计69 4.9.1设计任务69 4.9.2设计目的69 4.9.3设计要求69 4.9.4设计提示与分析69 4.10本章小结71 习题72 第5章电容式传感器74 5.1可变电容器74 5.2电容式传感器的工作原理75 5.2.1变极板间距离式电容传感器75 5.2.2变面积式电容传感器76 5.2.3变介电常数型电容传感器76 5.2.4差动式电容传感器78 5.3电容式传感器的测量电路78 5.3.1测量电路的基本问题78 5.3.2脉宽调制电路82 5.4电容式传感器应用84 5.4.1电容式液位传感器84 5.4.2电容式压力传感器85 5.4.3电容式加速度计85 5.4.4电容式测厚传感器86 5.5本章小结86 习题86 第6章压电传感器88 6.1压电效应88 6.1.1石英晶体的压电效应88 6.1.2压电方程90 6.2压电材料91 6.2.1石英晶体91 6.2.2人工陶瓷92 6.2.3新型压电材料93 6.3压电传感器的测量电路93 6.3.1等效电路93 6.3.2电荷放大器95 6.3.3电压放大器96 6.4压电传感器及其应用98 6.4.1基本应用98 6.4.2加速度传感器98 6.5压电谐振式传感器101 6.5.1工作原理101 6.5.2石英晶体谐振式温度传感器101 6.5.3石英晶体谐振式压力传感器102 6.5.4石英晶体谐振式质量传感器103 6.6本章小结104 习题104 第7章磁电式传感器106 7.1变磁阻式传感器107 7.1.1电感式传感器107 7.1.2差动电感式传感器108 7.1.3差动变压器式传感器109 7.1.4电动式传感器111 7.2霍尔传感器112 7.2.1霍尔磁敏传感器112 7.2.2工作原理112 7.2.3结构及其特性分析113 7.2.4霍尔元件的驱动电路114 7.2.5霍尔元件的误差分析及补偿114 7.2.6霍尔传感器的应用115 7.3磁敏二极管和磁敏三极管116 7.3.1磁敏二极管的工作原理和主要特性116 7.3.2磁敏三极管的工作原理和主要特性118 7.4巨磁电阻磁传感器120 7.4.1电子自旋121 7.4.2常见的磁电阻体系122 7.4.3巨磁电阻传感器的检测电路122 7.4.4GMR传感器应用实例123 7.5巨磁阻抗磁传感器123 7.5.1巨磁阻抗效应原理124 7.5.2巨磁阻抗传感器典型电路125 7.5.3巨磁阻抗传感器的应用126 7.6本章小结127 习题128 第8章热电式传感器129 8.1热电偶温度传感器129 8.1.1热电偶的基本性质129 8.1.2热电偶的材料和结构132 8.1.3热电偶的分度表132 8.1.4热电偶的冷端温度补偿133 8.1.5热电偶测温线路134 8.2热电阻温度传感器135 8.2.1常用热电阻136 8.2.2热电阻的测量电路137 8.3半导体温度传感器138 8.3.1半导体热敏电阻138 8.3.2PN结型热敏器件144 8.3.3集成(IC)温度传感器147 8.3.4半导体光纤温度传感器149 8.3.5非接触型半导体温度传感器150 8.4半导体传感器应用设计实例153 8.4.1设计任务153 8.4.2设计要求153 8.4.3设计提示与分析154 8.5本章小结158 习题159 第9章光电传感器160 9.1概述160 9.2光电探测器的物理基础161 9.2.1光电探测的物理效应及其特性表示161 9.2.2光热效应和光子效应的区别162 9.2.3光电探测器的特性表示法162 9.3光电探测器164 9.3.1光电管164 9.3.2光电倍增管165 9.3.3光敏电阻165 9.3.4光电二极管和光电三极管166 9.3.5光电池167 9.3.6光电耦合器件168 9.4各类光电探测器的性能特点169 9.4.1光电子发射探测器的特点169 9.4.2光电导探测器的特点169 9.4.3光伏探测器的特点170 9.4.4热探测器的特点170 9.5光电成像器件170 9.6CCD与CMOS及其应用171 9.6.1CCD工作原理及其应用特点171 9.6.2CCD成像器件的特征参量及其评价176 9.6.3CCD的工程技术应用177 9.6.4CCD图像传感器在微光电视系统中的应用184 9.6.5CMOS传感器的基本原理及其主要性能指标185 9.6.6CCD和CMOS传感器的比较及发展趋势188 9.7红外凝视成像系统及应用193 9.7.1红外凝视成像系统的组成和工作原理193 9.7.2凝视成像系统的优点194 9.7.3应用195 9.8紫外探测器件及应用195 9.8.1紫外探测器件196 9.8.2紫外器件的主要应用198 9.9光纤传感器及其应用201 9.9.1光纤传感器的背景201 9.9.2光纤导光原理201 9.9.3光纤传感器的组成及工作原理202 9.9.4光纤传感器分类203 9.9.5光纤传感器的应用举例205 9.9.6光纤传感器的优点208 9.9.7光纤传感器的发展趋势209 9.10本章小结209 习题209 0章化学与生物传感器211 10.1概述211 10.1.1化学传感器211 10.1.2生物传感器212 10.2气体传感器212 10.2.1气体传感器的分类和工作原理212 10.2.2常见气体传感器的原理与应用214 10.2.3气体传感器的应用实例219 10.2.4气体传感器的发展趋势与展望221 10.3湿敏传感器223 10.3.1湿度的定义及其表示方法224 10.3.2湿敏传感器的定义、性能参数及特性224 10.3.3湿敏传感器的分类与性能对比225 10.3.4常用湿敏传感器的基本原理226 10.3.5湿敏传感器的测量电路229 10.3.6湿度传感器的应用232 10.3.7湿度传感器的发展趋势与展望233 10.4生物传感器234 10.4.1生物传感器组成及工作原理234 10.4.2生物传感器分类236 10.4.3生物传感器的特点238 10.4.4主要生物传感器介绍239 10.4.5生物传感器应用举例244 10.4.6生物传感器的发展趋势与展望247 10.5本章小结248 习题248 1章智能化、网络化传感器技术250 11.1智能传感器的分类251 11.2智能传感器的构成、功能与特点251 11.2.1智能传感器的构成251 11.2.2智能传感器的功能252 11.2.3智能传感器的特点252 11.3传感器智能化方法253 11.3.1非集成智能传感器的实现方法253 11.3.2集成智能传感器的实现方法254 11.4传感器网络254 11.5无线传感器网络256 11.5.1无线传感器网络(WSN)的特点257 11.5.2WSN的网络结构258 11.5.3无线传感器节点259 11.5.4无线通信的几种技术方法260 11.5.5无线传感器网络标准262 11.5.6无线传感器节点的应用介绍265 11.6智能传感器的应用实例266 11.6.1系统硬件电路设计266 11.6.2系统软件设计268 11.6.3测试结果269 11.7本章小结269 习题270 参考文献271