传感器与检测技术

本书系统地论述了传感器与检测技术的理论基础、传感器原理与应用以及检测技术。本书分3篇，共14章。第1篇共6章，介绍传感器与检测技术理论基础，内容包括：传感器与检测技术的基本概念、地位与作用以及发展，传感器的基础效应、功能材料及加工工艺，信号分析与处理，测试系统的特性分析。第2篇共4章，介绍阻抗式、电动势式、光电式传感器的原理、特性、信号调理电路以及应用，并简要介绍气体、湿度、生物、表面声波、智能传感器的原理。第3篇共4章，介绍检测技术，内容包括振动、温度、流量的测量以及现代检测系统。 本书可作为仪器、自动化、机械、物联网等专业的本科生教材，也可供其他专业的师生及工程技术人员参考。 本书配有电子课件，欢迎选用本书作教材的老师登录www.cmpedu.com注册下载，或发jinacmp@163.com索取。

目录 前言 第1篇传感器与检测技术理论基础 第1章绪论2 1.1传感器的定义、组成及分类2 1.1.1传感器的定义2 1.1.2传感器的组成2 1.1.3传感器的分类2 1.2检测的基本概念3 1.2.1检测技术的定义3 1.2.2被测量的分类4 1.2.3检测系统的基本构成4 1.2.4检测技术研究的主要内容5 1.3传感器与检测技术的地位与作用5 1.4传感器与检测技术的发展6 思考题与习题8 第2章传感器的基础效应9 2.1光电效应9 2.1.1外光电效应9 2.1.2内光电效应10 2.2电光效应11 2.2.1泡克耳斯效应11 2.2.2克尔效应11 2.2.3光弹效应11 2.2.4电致发光效应12 2.2.5电致变色效应12 2.3磁光效应12 2.3.1法拉第效应12 2.3.2磁光克尔效应13 2.3.3科顿材露傩в13 2.3.4塞曼效应13 2.3.5光磁效应13 2.4磁电效应14 2.4.1霍尔效应14 2.4.2磁阻效应14 2.5约瑟夫森效应与核磁共振15 2.5.1隧道效应15 2.5.2直流约瑟夫森效应16 2.5.3交流约瑟夫森效应16 2.5.4核磁共振17 2.6多普勒效应17 2.7纳米效应18 2.7.1表面与界面效应18 2.7.2小尺寸效应18 2.7.3量子尺寸效应19 2.7.4宏观量子隧道效应20 思考题与习题20 第3章传感器的功能材料21 3.1功能材料的分类与特征21 3.1.1功能材料的分类21 3.1.2功能材料的主要功能21 3.1.3对功能材料的要求22 3.2半导体材料22 3.2.1无机半导体材料22 3.2.2有机半导体材料23 3.3功能陶瓷材料23 3.4功能高分子材料24 3.4.1导电高分子材料25 3.4.2压电和热电高分子材料25 3.4.3高分子化学敏感材料25 3.4.4反应型高分子材料25 3.4.5光敏高分子材料26 3.4.6生物医用高分子材料26 3.5纳米材料26 3.5.1纳米材料的分类26 3.5.2纳米材料的基本特性26 3.5.3纳米材料在传感器中的应用27 3.6智能材料27 思考题与习题28 第4章传感器的加工工艺29 4.1结构型传感器的加工工艺29 4.2厚膜工艺29 4.3薄膜工艺31 4.4微机械加工工艺35 思考题与习题39 第5章信号分析与处理40 5.1信号的分类40 5.1.1确定信号和随机信号40 5.1.2连续信号和离散信号42 5.1.3能量信号和功率信号42 5.2信号的描述43 5.2.1信号的时域和频率描述方法43 5.2.2周期信号的描述44 5.2.3非周期信号的描述48 5.2.4随机信号的描述54 5.3数字信号处理基础68 5.3.1时域采样和采样定理68 5.3.2泄漏和窗函数71 5.3.3频域采样和栅栏效应73 5.3.4离散傅里叶变换和快速傅里叶 变换75 5.4现代信号分析方法77 5.4.1短时傅里叶变换77 5.4.2小波变换78 思考题与习题81 第6章测试系统的特性分析83 6.1测试系统的静态特性83 6.1.1非线性度83 6.1.2灵敏度84 6.1.3迟滞84 6.1.4重复性85 6.2测试系统的动态特性86 6.2.1动态参数测试的特殊问题86 6.2.2研究测试系统动态特性的方法86 6.2.3测试系统动态特性的数学描述87 6.2.4实现不失真测试的条件91 6.2.5测试系统的动态特性分析93 6.3测试系统动态特性参数的测定101 6.3.1阶跃响应法101 6.3.2频率响应法103 思考题与习题104第2篇传感器原理与应用 第7章阻抗式传感器106 7.1电阻应变式传感器106 7.1.1电阻应变式传感器的工作 原理106 7.1.2电阻应变片108 7.1.3电阻应变式传感器的信号调理 电路115 7.1.4电阻应变式传感器的应用120 7.2电容式传感器126 7.2.1电容式传感器的工作原理126 7.2.2电容式传感器的结构类型及特性 分析126 7.2.3电容式传感器的等效电路133 7.2.4电容式传感器的信号调理 电路134 7.2.5影响电容式传感器精度的因素 分析138 7.2.6电容式传感器的应用140 7.3电感式传感器143 7.3.1变磁阻电感式传感器143 7.3.2差动变压器电感式传感器149 7.3.3涡流电感式传感器156 7.3.4电感式传感器的应用159 思考题与习题162 第8章电动势式传感器165 8.1压电式传感器165 8.1.1压电式传感器的工作原理165 8.1.2压电材料167 8.1.3压电式传感器等效电路172 8.1.4压电式传感器的信号调理 电路174 8.1.5影响压电式传感器精度的因素 分析178 8.1.6压电式传感器的应用180 8.2磁电式传感器186 8.2.1磁电式传感器的工作原理187 8.2.2磁电式传感器的结构类型187 8.2.3测量电路189 8.2.4磁电式传感器的应用190 8.3霍尔式传感器192 8.3.1霍尔式传感器的工作原理192 8.3.2霍尔元件的结构和测量电路194 8.3.3霍尔元件的特性参数196 8.3.4霍尔元件的误差及补偿196 8.3.5霍尔式传感器的应用199 思考题与习题203 第9章光电式传感器205 9.1光学量传感器205 9.1.1光照度传感器205 9.1.2光亮度传感器206 9.1.3紫外传感器206 9.1.4红外传感器207 9.2固态图像传感器210 9.2.1CCD图像传感器211 9.2.2CMOS图像传感器215 9.2.3固态图像传感器的应用218 9.3光纤传感器221 9.3.1光纤的基本知识221 9.3.2光纤传感器的分类及其工作 原理225 9.3.3光纤传感器的应用229 思考题与习题233 第10章其他传感器234 10.1气体传感器234 10.1.1半导体式气体传感器的工作 原理235 10.1.2其他气体传感器236 10.2湿度传感器237 10.2.1湿度的定义及表示方法237 10.2.2湿度传感器的主要特性参数与 类型238 10.3生物传感器241 10.3.1生物传感器概述241 10.3.2典型生物传感器243 10.4表面声波传感器246 10.4.1SAW传感器的结构与工作 原理246 10.4.2SAW气体传感器247 10.4.3SAW压力传感器249 10.5智能传感器250 10.5.1智能传感器概念与基本结构250 10.5.2智能传感器的实现250 10.5.3智能传感器实例252 思考题与习题255第3篇检 测 技 术 第11章振动的测量257 11.1概述257 11.1.1振动的类型及基本参数257 11.1.2振动的测试内容及测量方法258 11.1.3振动测试系统的构成258 11.2常用测振传感器259 11.2.1概述259 11.2.2绝对式测振传感器原理259 11.2.3相对式测振传感器原理263 11.2.4测振传感器的选择264 11.3振动的激励与激振器264 11.3.1振动的激励264 11.3.2激振器265 11.4测振传感器的标定267 思考题与习题269 第12章温度的测量270 12.1概述270 12.1.1温度的基本概念270 12.1.2温标270 12.1.3温度的测量方法272 12.2热电偶测温273 12.2.1工作原理273 12.2.2热电偶回路热电动势273 12.2.3热电偶测温基本定律275 12.2.4热电偶冷端温度补偿276 12.2.5热电偶材料、类型及结构280 12.2.6热电偶的标定282 12.2.7热电偶的动态特性283 12.3金属电阻测温284 12.3.1工作原理、结构和材料284 12.3.2测量电路286 12.4半导体温度传感器287 12.4.1半导体热敏电阻287 12.4.2集成温度传感器290 12.4.3数字温度传感器293 12.5其他测温方法295 12.5.1膨胀式温度计295 12.5.2示温涂料297 思考题与习题298 第13章流量的测量299 13.1流量测量基础299 13.1.1流量及定义299 13.1.2流体的基本知识299 13.2流量计分类302 13.3常用流量计302 13.3.1椭圆齿轮流量计302 13.3.2差压式流量计303 13.3.3转子流量计306 13.3.4靶式流量计307 13.3.5涡轮流量计308 13.3.6电磁流量计309 13.3.7超声波流量计309 13.3.8科里奥利力质量流量计311 思考题与习题314 第14章现代检测系统315 14.1现代检测系统概述315 14.1.1现代检测系统的组成315 14.1.2现代检测系统的设计316 14.1.3现代检测系统的发展319 14.2测控总线技术320 14.2.1仪器总线321 14.2.2现场总线323 14.3虚拟仪器325 14.3.1虚拟仪器概述325 14.3.2虚拟仪器的组成326 14.3.3虚拟仪器应用与发展329 14.3.4虚拟仪器的设计方法步骤329 14.4网络化测试系统330 14.4.1基于现场总线技术的网络化 测控系统331 14.4.2面向Internet的网络化测控 系统331 14.4.3无线传感器网络测控系统331 思考题与习题333 附录334