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绪论1

0-1自动检测技术及自动检测系统1

一、自动检测技术1

二、自动检测系统1

0-2传感器的定义、组成、分类及要求2

一、传感器的概念2

二、传感器的定义2

三、传感器的组成及作用3

四、传感器的分类4

五、对传感器的要求4

0-3传感器的作用及其在国民经济发展中的地位和应用5

0-4传感器发展的新趋向6

一、社会发展对传感器需求的新动向6

二、传感器的发展趋势6

第一章 传感器的理论和技术基础8

1-1传感器的物理基础8

1-2传感器数学模型的一般式9

一、传感器的静态数学模型10

二、传感器的动态数学模型11

1-3传感器的特性分析与技术指标14

一、传感器的静态特性14

二、传感器的动态特性22

1-4传感器无失真检测条件29

1-5提高传感器性能的方法29

一、合理选择结构、材料与参数29

二、采用线性化技术30

三、差动技术30

四、平均技术31

五、零位法、微差法与闭环技术31

六、采用补偿与校正技术32

七、集成化与智能化32

八、采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施32

九、稳定性处理32

1-6系统类似与机电模拟33

一、系统类似33

二、机电模拟33

三、机械阻抗34

1-7双向传感器的统一理论38

一、理想传感器的传递矩阵38

二、实际传感器的传递矩阵39

三、双向机电传感器的统一传递函数42

1-8传感器非线性特性的线性化43

一、线性化的必要性43

二、非线性静态特性的补偿方法44

三、利用对数放大器线性化50

四、利用非线性函数关系的折线近似逼近法线性化50

1-9传感器的温度补偿技术54

一、温度补偿技术54

二、温度补偿原理54

1-10传感器的标定与校准57

一、传感器的静态标定57

二、传感器的动态标定58

第二章 传感器弹性敏感元件的理论基础61

2-1弹性敏感元件的基本特性61

一、弹性特性61

二、弹性滞后62

三、弹性后效62

四、固有振动频率63

2-2弹性敏感元件的数学模型及参数计算的理论基础63

一、等截面轴（空心和实心）63

二、悬臂梁65

三、扭转棒69

四、薄壁圆筒70

五、薄壁半球71

六、等截面薄板72

2-3弹性敏感元件的特性参数设计计算74

2-4弹性敏感元件材料的选择76

2-5弹性敏感元件的误差76

2-6弹性敏感元件的应用77

第三章 电阻应变式传感器78

3-1电阻应变式传感器的理论基础及数学模型78

一、理论基础78

二、电阻应变式传感器的数学模型79

3-2电阻应变片的结构与分类81

一、电阻应变片的结构81

二、电阻应变片的类型83

3-3电阻应变片的主要特性83

一、静态特性83

二、动态特性88

三、评定应变片主要特性的精度指标90

3-4应变片的设计、参数及材料的选择91

一、应变片的基长和最高工作频率的确定91

二、应变片材料的选择91

三、应变片的主要参数93

3-5电阻应变片的应用93

一、应变片的选择93

二、应变片的使用95

3-6电阻应变片的温度误差及补偿97

一、应变丝的金属电阻本身随温度变化引起的电阻值变化量97

二、试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化97

三、温度引起的电阻变化的总误差98

四、温度误差补偿方法99

3-7静态应变测量中误差分析及计算和修正101

一、静态应变测量中的误差因素及种类101

二、测量误差的分析计算102

3-8电阻应变片的信号转换电路的数学模型、非线性误差及补偿104

一、直流电桥输出电压的数学模型及平衡条件104

二、直流电桥的电压灵敏度及对称电桥105

三、各类电桥的分析107

四、非线性误差及其补偿109

五、交流电桥电压输出的数学模型及平衡条件111

3-9电阻应变式传感器及参数设计116

一、电阻应变式力传感器116

二、电阻应变式压力传感器120

三、电阻应变式加速度传感器124

四、电阻应变仪126

3-10固态压阻式传感器130

一、压阻式传感器的理论基础130

二、体型半导体应变片131

三、固态压阻器件133

第四章 电容式传感器140

4-1电容式传感器的理论基础140

4-2电容式传感器数学模型的建立140

一、平行板电容器式传感器的数学模型140

二、平行板电容器式传感器的工作方式及其分析141

三、圆柱形电容式传感器的数学模型及分析147

4-3电容式传感器的其它特性149

一、电容式传感器的等效电路149

二、电容式传感器的高阻抗和小功率特性150

三、静电吸力150

4-4电容式传感器的信号变换电路的数学模型及其分析152

一、交流不平衡电桥152

二、二极管环形检波电路154

三、差动脉冲宽度调制电路156

四、运算放大器测量电路158

4-5电容式传感器的设计159

一、电容式传感器的参数计算160

二、电容式传感器结构稳定性的设计165

三、寄生电容的干扰及消除168

4-6电容式传感器的应用169

一、电容式差压变送器170

二、电容式测微仪172

三、电容式液位计173

第五章 变磁阻式传感器176

5-1变磁阻式传感器的理论基础176

一、磁场中的毕奥-萨伐尔定律176

二、电磁感应与电磁场中的自感与互感定义176

三、磁场中的安培环路定律177

四、磁场中的高斯定理177

5-2闭磁路自感式传感器的工作原理及数学模型177

一、闭磁路自感式传感器的工作原理177

二、闭磁路自感式传感器的数学模型178

5-3闭磁路自感式传感器的工作方式及特性分析178

一、闭磁路自感式传感器的工作方式178

二、闭磁路自感式传感器的特性分析179

5-4闭磁路电感式传感器的等效电路及数学分析180

一、等效电路180

二、等效电路的数学分析181

5-5闭磁路电感传感器的参数设计183

一、设计原则183

二、参数计算183

5-6开磁路自感传感器的理论基础185

5-7开磁路螺线管式电感传感器187

一、开磁路螺线管式电感传感器的工作原理187

二、开磁路螺线管式电感传感器的数学模型188

5-8开磁路差动式电感传感器的数学模型189

5-9电感式传感器的信号变换电路的理论分析189

一、伏安法190

二、交流电桥电路191

5-10电感式传感器的误差193

一、电源电压及频率不稳定造成的误差193

二、温度误差194

三、非线性误差194

四、电磁力的影响194

五、配用电桥电路时系统存在的零位误差195

5-11互感式电感传感器195

一、闭磁路差动变压器式传感器195

二、开磁路螺线管差动变压器式传感器198

5-12开磁路互感传感器的设计基础202

一、衔铁长度ιc的确定202

二、激磁绕组长度b的确定202

三、副边绕圆长度m的确定203

四、经验数据203

五、激磁电源频率的选定203

六、灵敏度的确定204

七、原边和副边绕组匝数的确定204

八、差动变压器变压比的确定206

九、线圈骨架的确定206

十、铁心磁性材料的确定206

十一、传感器线性工作范围的确定206

十二、屏蔽措施206

5-13开磁路互感传感器的误差206

一、电源幅值及频率稳定度造成的误差206

二、温度误差207

三、不平衡误差207

5-14变磁阻式传感器的应用208

一、差动变压器式应变仪208

二、位移与尺寸测量209

三、压力测量209

四、力和力矩的测量210

五、振动测量210

第六章 电涡流式传感器211

6-1电涡流式传感器的理论基础211

6-2电涡流式传感器的工作原理及其分析211

一、高频反射式涡流传感器211

二、低频透射式电涡流传感器213

6-3电涡流式传感器的信号变换电路216

一、电桥法（阻抗变换电路）216

二、谐振法（也称电感变换器）217

6-4电涡流式传感器的设计要点219

一、传感器线圈产生的磁感应强度的确定219

二、电涡流的径向形成范围221

三、线圈阻抗计算222

四、线圈结构的确定222

五、电源频率的确定223

六、电涡流电阻的计算223

6-5电涡流式传感器的测量误差224

一、被测体材料对测量结果的影响224

二、电源频率不稳定的影响224

三、被测体形状和尺寸大小造成的测量误差224

6-6电涡流式传感器的应用224

一、涡流液位计225

二、电涡流测厚仪225

三、电涡流位移计226

四、电涡流温度计226

五、硬度计227

六、涡流探伤仪227

第七章 磁电式传感器228

7-1磁电式传感器的理论基础228

7-2相对测量原理及数学模型228

一、相对测量原理228

二、相对测量原理的数学模型229

7-3机电变换原理及数学模型231

一、恒定磁通磁电式传感器231

二、变磁阻式磁电传感器232

7-4磁电式传感器的传递矩阵与动态分析234

一、磁电式传感器的传递矩阵234

二、机械阻抗234

三、基本元件的机械阻抗235

四、机械系统的机械阻抗239

五、磁电式传感器的机械阻抗240

六、利用机电模拟理论求机械阻抗241

七、磁电式传感器的传递矩阵及动态特性242

八、磁电式传感器的传递函数245

7-5磁电式传感器的设计247

一、磁路设计247

二、线圈参数计算与设计251

三、传感器固有频率的确定及弹簧刚度的计算252

四、阻尼器设计及阻尼系数的计算253

7-6磁电式传感器的误差255

一、电流和电压灵敏度的误差255

二、温度误差255

三、永久磁铁不稳定误差256

四、非线性误差256

7-7磁电式传感器的应用257

一、磁电式振动速度传感器257

二、磁电式转速传感器258

三、磁电式扭矩仪258

四、机载振动监测系统259

第八章 压电式传感器260

8-1压电式传感器的理论基础260

一、压电效应260

二、压电方程及压电常数矩阵261

8-2压电材料265

一、压电材料的主要特性参数265

二、压电材料的种类265

8-3压电式传感器的工作原理269

一、正压电效应的数学表示269

二、压电效应的物理机理270

三、表面电荷的计算271

8-4压电式传感器的等效电路272

一、压电元件的等效电路272

二、压电式传感器的实际等效电路273

8-5压电式传感器的信号变换电路273

一、变换电路的必要性273

二、电压放大器（阻抗变换器）274

三、电荷放大器276

8-6压电式传感器的动态特性278

8-7压电传感器的设计要点280

一、根据需要的压电常数确定压电材料及变形方式280

二、压电元件的结构与组合形式的确定280

三、压电传感器结构的确定282

8-8压电式传感器的误差282

一、横向灵敏度及其引起的误差283

二、环境温、湿度变化产生的误差284

三、噪声284

8-9压电式传感器的应用285

一、应用范围285

二、压电式加速度传感器285

三、压电式力传感器291

四、压电式压力传感器292

五、逆压电效应的应用293

第九章 霍尔传感器294

9-1霍尔传感器的理论基础294

9-2霍尔传感器的数学模型294

9-3霍尔传感器的设计要点296

一、霍尔元件尺寸的考虑296

二、霍尔元件材料的确定297

三、霍尔片的结构298

9-4霍尔传感器的基本电路299

一、霍尔片的符号299

二、霍尔片的基本电路299

9-5霍尔元件的主要特性299

一、额定激励电流299

二、输入电阻300

三、输出电阻300

四、不等位电势及零位电阻300

五、寄生直流电势300

六、热电阻301

七、电磁特性301

9-6霍尔传感器的误差及其补偿302

一、零位误差及其补偿302

二、寄生直流电势误差及其补偿303

三、感应零位电势及补偿303

四、自激磁场零位电势303

五、温度误差及其补偿304

9-7霍尔传感器的应用306

一、霍尔片的组合应用306

二、霍尔传感器在测量与控制技术中作计算元件的应用307

三、作变换元件的应用308

第十章 压磁式传感器311

10-1压磁式传感器的理论基础311

一、磁致伸缩效应311

二、压磁效应311

10-2压磁式传感器理论数学模型的建立312

一、理论数学模型的应用312

二、压磁式传感器的理论分析及数学模型的建立312

10-3压磁式传感器工作原理的物理机理317

一、组成317

二、工作原理的物理机理317

三、压磁式传感器的结构318

四、交流压磁式传感器318

10-4压磁式传感器的变换电路319

一、组成319

二、各组成部分的作用319

三、压磁式传感器的变换参考电路320

10-5压磁式传感器的设计要点320

一、压磁元件的设计320

二、激励绕组匝数的确定322

三、磁感强度的确定322

四、压磁式传感器的输出特性323

10-6压磁式传感器的误差324

一、磁场强度选择不当引起的误差324

二、激励频率的影响324

三、激励电流的影响324

四、预加载荷的影响324

五、滞后误差325

六、电源影响325

七、环境温度的影响326

10-7压磁式传感器的应用326

第十一章 光栅传感器327

11-1计量光栅的理论基础327

一、光栅327

二、光栅的种类327

三、莫尔条纹原理328

11-2光栅传感器的工作原理332

一、莫尔条纹测量位移原理332

二、辨向原理335

11-3莫尔条纹细分技术336

一、细分与细分方法336

二、直接细分336

三、细分电桥基本原理338

11-4光栅传感器的设计要点340

一、设计目的340

二、设计要求340

三、光源的选择340

四、光栅常用光路341

五、光栅参数的选择342

六、光栅刻线的宽度和长度的选择342

七、光栅载体的选择343

八、两光栅之间的间隙选择343

九、准直透镜参数的确定344

十、光电接收元件的选择345

十一、机械结构设计346

11-5光栅传感器的误差346

11-6光栅传感器的应用346

第十二章 感应同步器347

12-1感应同步器的理论基础347

一、单矩形线圈有运动电荷时产生的磁场347

二、两个矩形线圈产生相对运动时的感应电势348

三、几个典型位移的感应电势348

四、感应同步器两绕组相对运动时产生的感应电势348

12-2感应同步器工作原理数学模型的建立350

一、感应同步器工作原理数学模型的分析350

二、感应同步器的等效电路350

三、滑尺绕组所产生的磁感应强度350

四、在定尺中产生的感应电势352

12-3输出电势的检测方法354

一、鉴幅型系统354

二、鉴相型系统355

12-4感应同步器的设计357

一、设计要求357

二、结构及接线方式设计357

三、直接型感应同步器的设计步骤358

12-5感应同步器的误差360

一、零位误差360

二、细分误差360

三、综合误差362

12-6感应同步器的应用362

一、作高精度测量仪器362

二、作自动化技术中的检测元件363

第十三章 磁栅式传感器365

13-1磁栅式传感器的组成及工作原理365

一、磁栅式传感器的组成365

二、动态磁头工作原理365

三、静态磁头工作原理366

13-2信号处理方式及检测电路367

一、动态磁头信号处理及检测电路367

二、静态磁头信号处理及检测电路368

13-3磁栅的误差369

一、零位误差369

二、细分误差370

13-4磁栅式传感器的应用范围及特点370

一、磁栅式传感器的特点370

二、磁栅式传感器的应用范围370

第十四章 热电式传感器371

14-1热电偶传感器371

一、理论基础371

二、热电偶的基本定律374

三、热电偶测量温度的基本原理376

四、冷端温度补偿376

五、热电偶种类379

六、热电偶的标定383

七、热电偶的误差386

14-2热电阻传感器389

一、金属热电阻390

二、热电阻传感器的测量电路393

14-3半导体热敏电阻394

一、负温度系数（NTC）热敏电阻395

二、负温度系数热敏电阻的主要特性395

三、热敏电阻的主要参数397

四、热敏电阻的线性化397

14-4晶体管和集成温度传感器400

一、晶体管P-N结温度传感器400

二、晶体三极管温度传感器401

三、集成温度传感器402

14-5热电式传感器的应用402

一、热电式金属材质鉴别仪403

二、热电式继电器404

三、集成晶体管测温仪404

第十五章 闭环传感器406

15-1闭环传感器的工作原理及特点406

一、工作原理406

二、闭环传感器的特点407

15-2力平衡式传感器408

一、组成408

二、工作原理408

三、力平衡式加速度传感器的传递函数409

四、静态特性410

五、动态特性410

15-3电平衡式闭环传感器412

一、组成412

二、工作原理412

第十六章 红外检测的理论基础414

16-1红外辐射的理论基础414

一、红外辐射414

二、红外辐射源414

16-2黑体辐射的基本定律419

一、绝对黑体419

二、黑体的有效比辐射率420

16-3红外辐射的基本定律420

一、基尔霍夫定律及比辐射率420

二、绝对黑体的光谱辐射发射量422

三、绝对黑体的积分辐射发射量424

四、绝对黑体的最大光谱辐射发射量425

五、用光子数表示的绝对黑体的辐射公式425

16-4辐射效率和微分辐射率426

一、辐射效率426

二、微分辐射率（辐射对比度）427

16-5各种温度的定义及其相互关系428

一、真实温度与辐射温度之间的关系428

二、真实温度与亮度温度的关系429

三、真实温度与有色温度之间的关系430

16-6红外辐射在大气中的传输430

一、大气的组成431

二、大气各组成部分对红外辐射的吸收作用431

三、可凝水432

四、大气透过率433

16-7大气吸收的经验公式433

一、计算CO2吸收的经验公式433

二、计算水蒸气吸收的经验公式434

16-8大气散射的经验公式434

16-9红外探测器的特性参数435

一、噪声等效功率和探测率435

二、响应率436

三、光谱响应437

四、响应速度438

16-10红外辐射系统设计的理论基础439

一、测温系统的作用距离439

二、温度方程441

16-11辐射计的理论及应用442

一、常温物体的比辐射率的测定442

二、比色红外测温法（比色辐射计）444

三、红外辐射测温的优点445

四、红外检测在其它方面的应用445

16-12热释电探测器的理论基础445

一、热释电效应445

二、热释电效应的微观机理446

三、忽略敏感元件平面内横向热扩散厚度方向-维响应率448

16-13 MOS场效应管光子红外探测器的理论基础448

一、IRFET的结构449

二、IRFET的工作原理449

三、IRFET的特性451

第十七章 气敏、湿敏与水分传感器456

17-1电导控制型气敏传感器的机理456

一、晶界势垒模型457

二、表面电导模型457

三、氧离子陷阱势垒模型458

17-2电压控制型气敏传感器459

一、电压控制型气敏传感器的工作原理460

二、电压控制型半导体气敏传感器的特性460

17-3催化金属栅场效应气敏传感器461

一、一氧化碳气敏Pd栅MOS晶体管传感器462

二、硫化氢气敏Pd栅MOS晶体管464

17-4湿敏传感器466

一、绝对湿度与相对温度466

二、湿敏元件的特性参数467

三、湿敏传感器的分类468

四、氯化锂湿敏电阻468

五、半导瓷湿敏电阻469

六、测量电路472

17-5水分传感器474

一、水分在物质中的存在形式及水分含量的表示方法474

二、水分的测量方法及其种类475

三、电导式水分计475

四、电容式水分计479

五、微波式水分计481

六、中子式水分计481

七、红外式水分计483

第十八章 智能式传感器484

18-1传感器信号的采集485

一、传感器输出信号的类型485

二、传感器输出模拟信号的处理485

18-2传感器的智能化490

一、控制功能490

二、数据处理功能493

三、数据传输功能499

18-3智能传感器499

第十九章 机器人传感器501

19-1机器人传感器的功能与分类501

19-2机器人视觉传感器505

一、视觉检测505

二、视觉图像的分析506

三、描绘技术509

四、识别技术509

19-3机器人广义触觉传感器510

一、机器人接触觉传感器510

二、机器人压觉传感器510

三、机器人力觉传感器514

四、机器人接近觉传感器516

五、机器人滑觉传感器517

参考文献519