机械量传感器与MEMS技术及应用

本分册为丛书的专业分册，主要介绍机械量传感器及其应用。包括传感器静态、动态性能的评估，传感器用基本弹性敏感元件的力学特性；机械量传感器用到的变电阻、变电容、变电感、压电式、谐振式等基本测量原理；力、力矩、速度、转速、角速度、加速度、振动、温度、压力以及流量传感器等；机械量传感器的典型应用实例。

樊尚春，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院量子传感技术工信部重点实验室主任，教授，博士生导师，校学术委员会副主任。主要研究方向为传感器技术及应用、MEMS系统及其应用、智能化传感器技术。主持国家“863计划”等重点项目20余项；获得国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项。国务院特殊津贴获得者。发表学术论文200余篇。

第一部分：传感器与基本弹性敏感元件的特性


第1章传感器的静态特性


1.1 传感器的静态特性一般描述


1.2 传感器的静态标定


1.2.1 静态标定条件


1.2.2传感器的静态特性


1.3传感器的主要静态性能指标及其计算


1.3.1 测量范围


1.3.2 量程


1.3.3 静态灵敏度


1.3.4分辨力与分辨率


1.3.5 漂移


1.3.6 温漂


1.3.7 测量误差


1.3.8 线性度


1.3.9符合度


1.3.10
迟滞


1.3.11非线性迟滞


1.3.12
重复性


1.3.13
综合误差


第2章传感器的动态特性


2.1 概述


2.2 传感器动态特性方程


2.2.1 微分方程


2.2.2 传递函数


2.2.3 状态方程


2.3 传感器动态响应及动态性能指标


2.3.1
传感器时域动态性能指标


2.3.2
传感器频域动态性能指标


2.4 传感器动态特性测试与动态模型建立


2.4.1
传感器动态标定


2.4.2
由实验阶跃响应曲线获取传感器的传递函数的回归分析法


2.4.3 由实验频率特性获取传感器的传递函数的回归法


第3章基本弹性敏感元件的力学特性


3.1 概述


3.2 弹性敏感元件的基本特性


3.2.1刚度与柔度


3.2.2弹性滞后


3.2.3弹性后效与蠕变


3.2.4弹性元件的机械品质因数


3.2.5位移描述


3.2.6应变描述


3.2.7应力描述


3.2.8广义虎克定律


3.2.9固有谐振频率


3.2.10弹性元件的热特性


3.2.11
弹性敏感元件的边界条件


3.3 基本弹性敏感元件的力学特性


3.3.1弹性柱体


3.3.2弹性弦丝的固有振动


3.3.3悬臂梁


3.3.4双端固支梁


3.3.5周边固支圆平膜片


3.3.6周边固支矩形平膜片


3.3.7周边固支波纹膜片


3.3.8E形圆膜片


3.3.9薄壁圆柱壳体


3.3.10弹簧管（包端管）


3.3.11波纹管


3.4 弹性敏感元件的材料





第二部分：机械量传感器基本测量原理


第4章热电阻测量


4.1 热电阻


4.2 金属热电阻


4.3 半导体热敏电阻





第5章电位器测量原理


5.1 基本构造及工作原理


5.2 线绕式电位器的特性


5.3 非线性电位器


5.4 电位器的负载特性及负载误差


5.5 非线绕式电位器





第6章应变式测量原理


6.1 金属电阻的应变效应


6.2金属应变片的结构及应变效应


6.3 横向效应及横向灵敏度


6.4 电阻应变片的种类


6.5 电阻应变片的温度误差及补偿方法


6.6 电桥原理





第7章压阻式测量原理


7.1 半导体材料的压阻效应


7.2 单晶硅的晶向、晶面的表示


7.3 压阻系数





第8章变电容测量原理


8.1 基本电容式敏感元件


8.2 电容式敏感元件的主要特性


8.2.1
变间隙电容式敏感元件


8.2.2
变面积电容式敏感元件


8.2.3
变介电常数电容式敏感元件


8.2.4
电容式敏感元件的等效电路


8.3电容式变换元件的信号转换电路


8.3.1
交流不平衡电桥


8.3.2
变压器式电桥线路


8.3.3
二极管电路


8.3.4
差动脉冲调宽电路


8.3.5
运算放大器式电路





第9变磁路测量原理


9.1 电感式变换原理


9.1.1
简单电感式原理


9.1.2
差动电感式变换元件


9.2 差动变压器式变换元件


9.2.1
磁路分析


9.2.2 电路分析


9.3 电涡流式变换原理


9.3.1
电涡流效应


9.3.2
等效电路分析


9.3.3
信号转换电路


9.4 霍尔效应


9.4.1
霍尔效应


9.4.2
霍尔元件





第10章、压电式测量原理


10.1 压电效应


10.1.1
石英晶体的压电效应


10.1.2
压电陶瓷的压电效应


10.1.3
聚偏二氟乙烯的压电效应


10.2 压电常数与表面电荷的计算


10.2.1
石英晶体的压电常数与表面电荷的计算


10.2.2
压电陶瓷的压电常数与表面电荷的计算


10.3 压电材料


10.3.1
压电晶体


10.3.2
压电陶瓷


10.3.3
聚偏二氟乙烯(PVF2)


10.4 压电换能元件的等效电路


10.5 压电换能元件的信号转换电路





第11章谐振式测量原理


11.1 谐振状态及其评估


11.1.1
谐振现象


11.1.2
谐振子的机械品质因数Q值


11.2 闭环自激系统的实现


11.2.1
基本结构


11.2.2
闭环系统的实现条件


11.3 敏感机理及特点


11.3.1
敏感机理


11.3.2
谐振式测量原理的特点


11.4 频率输出谐振式传感器的测量方法比较





第三部分：机械量传感器


第12章力和力矩传感器


12.1 力传感器


12.1.1位移式测力传感器


12.1.2应变式测力传感器


12.1.3压电式测力传感器


12.1.4压磁式测力传感器


12.2 力矩传感器


12.2.1 电阻应变式力矩传感器


12.2.2 压磁式力矩传感器


12.2.3
扭转角式力矩传感器





第13章速度、转速、角速度、加速度和振动传感器


13.1 转速测量


13.1.1 离心式转速表


13.1.2 磁性转速表


13.1.3 测速发电机


13.1.4 频率量输出的转速传感器


13.2角速度测量


13.2.1 压电式角速度传感器


13.2.2电容式角速度传感器


13.2.3频率输出角速度传感器


13.3加速度测量


13.3.1位移式加速度传感器


13.3.2应变式加速度传感器


13.3.3压电式加速度传感器


13.4振动测量


13.4.1振动位移(振幅)传感器


13.4.2 振动速度传感器





第14章温度传感器


14.1 概述


14.1.1 温度的概念


14.1.2 温标


14.1.3 温度标准的传递


14.1.4测温方法与测温传感器的分类


14.2 热电阻温度传感器


14.2.1 平衡电桥电路


14.2.2.不平衡电桥电路


14.2.3自动平衡电桥电路


14.3 热电偶测温


14.3.1 热电效应


14.3.2 热电偶的工作机理


14.3.3 热电偶的基本定律


14.3.4 热电偶的温差及补偿


14.3.5 热电偶的组成、分类及特点


14.4 半导体P-N结测温系统


14.5石英温度传感器


14.6 非接触式温度测量系统


14.6.1 全辐射测温系统


14.6.2 亮度式测温系统


14.6.3 比色测温系统





第15章压力传感器


15.1 概述


15.1.1
压力的概念


15.1.2
压力的单位


15.1.3
压力测量系统的分类


15.2开环压力传感器


15.2.2
电位计式压力传感器


15.2.3
应变式压力传感器


15.2.4
压阻式压力传感器


15.2.5 电容式压力传感器


15.2.6 压电式压力传感器


15.2.7
变磁阻式压力传感器


15.3谐振式压力传感器


15.3.1
谐振弦式压力传感器


15.3.2
振动筒式压力传感器


15.3.3
谐振膜式压力传感器


15.3.4
石英谐振梁式压力传感器


15.3.5 硅谐振式压力微传感器





第16章流量传感器


16.1 概述


16.2转子流量传感器


16.2.1
工作原理


16.2.2
流量方程式


16.2.3
转子流量传感器的刻度修正


16.2.4 转子流量传感器的特点


16.3节流式流量传感器


16.3.1
工作原理


16.3.2
流量方程式


16.3.3 取压方式


16.3.4 节流式流量传感器的特点


16.4靶式流量传感器


16.4.1
工作原理


16.4.2
流量方程式


16.4.3
靶式流量传感器的特点


16.5涡轮流量传感器


16.5.1
工作原理


16.5.2
涡轮流量传感器的流量方程


16.5.3
涡轮流量传感器的特点


16.6电磁流量传感器


16.6.1
工作原理


16.6.2
电磁流量传感器的结构


16.6.3
电磁流量传感器的特点


16.7漩涡流量传感器


16.7.1
卡门涡街式漩涡流量传感器


16.7.2 旋进式漩涡流量传感器


16.8超声波流量传感器


16.8.1
工作原理


16.8.2
超声流量传感器的结构


16.8.3
超声电磁流量传感器的特点


16.9质量流量测量


16.9.1
热式质量流量传感器


16.9.2谐振式科里奥利直接质量流量传感器





第四部分：机械量传感器的典型应用


第17章压力传感器的典型应用


17.1压力传感器在空间推进系统的应用


17.2航空发动机动态压力测试中的传感器系统及其校准


17.3声传感器在噪声测系统的应用


17.4石墨烯膜光纤声压传感器在声探测技术的应用


17.5 压力传感器在汽车轮胎压力检测系统中的典型应用


第18章流量传感器的典型应用


18.1多声道超声传感器的典型应用


18.2 差压装置在非稳态流量测量中的应用


18.3 压力传感器在流量计标定系统中的典型应用


第19章温度传感器的典型应用


19.1辐照晶体温度传感器在航空发动机地面测试中的应用


19.2 声学温度传感器在航空制造与试验系统中的应用


19.3热敏电阻在火灾报警器中的典型应用


第20章其他传感器的典型应用


20.1传感器在浮空器系统的应用


20.2 多种机械量传感器在液体火箭发动机试验系统中的应用


20.3 行程开关传感器及应用


20.4 加速度传感器在比较法振动校准系统的应用


20.5 压电聚焦传感器在材料弹性模量测量中的应用


20.6 高精度液位传感器在储罐测量系统典型的应用


20.7压电式传感器在乳腺超声CT成像系统的应用


20.8惯性传感器在动物行为分析系统的应用


附录





附录A 基本常数


附录B 国际制词冠


附录C 国际单位制(SI)的主要单位


附录D 国际单位制(SI)下空气与常见液体的物理性质


参考文献