传感器原理与应用

**篇 传感器原理 第1章 传感器概述 2 1.1 传感器的定义、组成和分类 2 1.1.1 传感器的定义 2 1.1.2 传感器的基本组成 2 1.1.3 传感器的分类 3 1.2 传感器的静态特性 3 1.2.1 静态方程式 4 1.2.2 静态特性的主要技术指标 5 1.3 传感器的动态特性 9 1.3.1 动态特性的一般数学模型与传递函数 9 1.3.2 传感器的频率特性 10 1.3.3 过渡函数与稳定时间 11 1.3.4 二阶传感器 11 1.4 传感器的标定 14 1.4.1 传感器静态特性的标定方法 15 1.4.2 传感器动态特性的实验确定法 15 第2章 电阻式传感器 18 2.1 金属应变片式电阻传感器 18 2.1.1 工作原理 18 2.1.2 金属电阻应变片的选用和粘贴 20 2.1.3 电阻应变片的测量电路 21 2.1.4 温度误差及其补偿 23 2.2 基于MEMS的半导体压阻式传感器 26 2.2.1 半导体材料的压阻效应和压阻系数 26 2.2.2 半导体压阻式压力传感器的构成 31 2.2.3 压阻式传感器温度漂移的补偿 35 2.2.4 压阻式集成压力传感器 36第3章 电容式传感器 40 3.1 电容式传感器的基本工作原理和结构类型 40 3.1.1 电容式传感器的基本工作原理 40 3.1.2 电容式传感器的结构类型 41 3.2 电容式传感器的测量电路 47 3.3 基于MEMS的微型电容式传感器 51 3.3.1 微型电容式加速度传感器 51 3.3.2 微型电容式压力传感器 55 第4章 电感式传感器 57 4.1 自感型电感式传感器 57 4.1.1 可变磁阻式自感型传感器的工作原理和结构类型 57 4.1.2 可变磁阻式自感型传感器的信号测量电路 59 4.2 互感型差动变压器式传感器 61 4.2.1 螺线管式差动变压器的工作原理和基本特性 62 4.2.2 差动变压器的测量电路 65 4.2.3 差动变压器式传感器的应用 67 4.3 电涡流式传感器 68 4.3.1 高频反射涡流式传感器 68 4.3.2 低频透射涡流式传感器 70 4.3.3 测量电路 71 4.3.4 应用举例 72第5章 压电式传感器 74 5.1 压电效应原理 74 5.1.1 石英晶体 74 5.1.2 压电陶瓷 75 5.1.3 压电式传感器 76 5.2 压电式传感器的测量 78 5.2.1 压电式传感器的等效电路 78 5.2.2 压电式传感器的测量电路 78 5.3 压电式传感器的应用 80 5.3.1 压电式测力传感器 80 5.3.2 压电式加速度传感器 81 5.3.3 压电式金属加工切削力测量 81 5.3.4 压电式玻璃破碎报警器 82第6章 磁电式传感器 83 6.1 磁电感应式传感器 83 6.1.1 磁电感应式传感器的工作原理和结构形式 83 6.1.2 磁电感应式传感器的特性 84 6.1.3 磁电感应式传感器的测量电路 86 6.1.4 磁电感应式扭矩传感器 86 6.2 霍尔式传感器 87 6.2.1 霍尔效应及霍尔元件 87 6.2.2 霍尔元件的基本电路 91 6.2.3 霍尔元件的误差分析及补偿电路 93 6.2.4 霍尔式传感器的应用 95第7章 热电式传感器 98 7.1 热电偶 98 7.1.1 热电偶工作的基本原理 98 7.1.2 热电偶基本定律 99 7.1.3 热电偶类型 101 7.1.4 热电偶的结构形式 104 7.2 热电偶冷端温度及其补偿 106 7.3 热电偶测温线路 107 7.4 热电阻传感器 108 7.4.1 金属热电阻 108 7.4.2 热敏电阻 110 7.4.3 热电阻测量电路 111 7.4.4 热敏电阻测量电路与应用 113第8章 光电式传感器 114 8.1 光电效应传感器 114 8.1.1 外光电效应型光电器件 114 8.1.2 内光电效应型光电器件 118 8.1.3 光电传感器的应用 127 8.2 光热效应传感器 129 8.2.1 热释电探测器 129 8.2.2 热释电探测器的应用 130 8.3 固体图像传感器 130 8.3.1 CCD的工作原理 131 8.3.2 线阵CCD图像传感器和面阵CCD图像传感器 134 8.3.3 CCD的特性参数 136 8.3.4 CCD图像传感器的应用 137第9章 光纤传感器 139 9.1 光纤传感器基本知识 139 9.1.1 光纤结构及传光原理 139 9.1.2 光纤的基本特性 140 9.1.3 光纤传感器 141 9.2 光纤传感器的工作原理和应用 142 9.2.1 强度调制型光纤传感器 142 9.2.2 相位调制型光纤传感器 143 9.2.3 波长调制型光纤传感器 144 9.2.4 偏振态调制型光纤传感器 145 9.3 分布式光纤传感器 146 9.3.1 分布式光纤传感器的特点和分类 147 9.3.2 散射型分布式光纤传感器 147 9.4 光纤传感器工程应用实例 149 9.4.1 在电力系统中的应用 149 9.4.2 在生物医学中的应用 150 9.4.3 在土木工程中的应用 151 9.4.4 在环保监测中的应用 152第10章 化学量传感器 154 10.1 气敏传感器 154 10.1.1 电阻型半导体气敏传感器 154 10.1.2 非电阻型气敏传感器 158 10.1.3 气敏传感器的主要参数与特性 160 10.1.4 应用举例 160 10.2 离子敏传感器 162 10.2.1 离子选择电极 162 10.2.2 离子敏场效应管 163 第二篇 物联网系统 第11章 传感器电路与系统应用 176 11.1 传感器信号的类型及处理方法 176 11.1.1 传感器信号的类型 176 11.1.2 电容式与电感式传感器信号处理方法 177 11.1.3 频率变化式传感器信号处理方法 177 11.2 传感器信号基本运算电路 178 11.2.1 求差电路 178 11.2.2 高输入阻抗的差分放大电路 178 11.2.3 求和电路 178 11.2.4 积分电路 179 11.2.5 微分电路 179 11.3 传感器信号基本运算电路 179 11.3.1 信号放大电路 179 11.3.2 电桥电路 181 11.4 阵列语音采集系统 183 11.5 MEMS传感器实验系统 187 11.6 电子心肺音采集系统 188第12章 无线传感器网络(WSN) 191 12.1 无线传感器网络的体系结构 191 12.1.1 WSN的应用系统架构 191 12.1.2 WSN感知节点结构 193 12.1.3 WSN 体系结构 194 12.2 无线传感器网络的特征 196 12.2.1 与现有无线网络的区别 196 12.2.2 与现场总线的区别 196 12.2.3 无线传感器网络的特点 197 12.3 基于WSN技术的室内空气质量监测系统设计及应用 198 12.3.1 WSN总体硬件结构 198 12.3.2 空气质量监测节点硬件设计 198 12.3.3 数据传输节点电路 202 12.3.4 监测系统软件设计 204 12.3.5 室内空气质量监测系统测试 206 12.4 物联网+区块链实例：分布式高精度定位网络 209 12.5 传感器、物联网与区块链概述 211 12.6 物联网面临的各种挑战 212 12.6.1 中心化的安全、管理压力 212 12.6.2 数据的可信、溯源问题 212 12.6.3 信息孤岛挑战 212 参考文献 214