全新传感器技术案例教程樊尚春9787111635666

序

前言

章绪论1

1.1传感器的作用实例分析1

1.2传感器的分类5

1.2.1按输出信号的类型分类5

1.2.2按传感器能量源分类5

1..按被测量分类6

1.2.4按工作原理分类6

1.3传感器技术的特点7

1.4传感器技术的发展8

1.4.1新原理、新材料和新工艺的发展8

1.4.2微型化、集成化、多功能和智能化的发展10

1.4.3多传感器融合与网络化的发展11

1.4.4量子传感技术的快展12

1.5本书的特点13

思考题与习题13

第2章传感器的特与评估15

2.1传感器的静态标定15

2.1.1静态标定条件15

2.1.2传感器的静态特16

2.2传感器的主要静态能指标17

2.2.1测量范围与量程17

2.2.2静态灵敏度17

2..分辨力与分辨率17

2.2.4温漂18

2.2.5时漂(稳定)1

2.2.6传感器的测量误差19

2.2.7线度19

2.2.8迟滞21

2.2.9非线迟滞22

2.2.10重复22

2.2.11综合误差

.传感器的动态特与评估24

..1传感器的动态特方程24

..2传感器的动态响应及动态能指标25

..传感器的动态标定30

..4传感器的动态模型建立31

2.4传感器静态特的计算实例34

2.4.1传感器灵敏度的计算与分析34

2.4.2传感器分辨力与分辨率的计算35

2.4.3传感器主要静态能指标的计算与评估35

2.4.4传感器温度漂移的计算39

2.4.5传感器稳定的计算39

2.5传感器动态特计算实例40

2.5.1利用传感器阶跃响应建立传递函数40

2.5.2传感器幅频特的测试及改进41

思考题与习题43

第3章热电式传感器46

3.1概述46

3.1.1温度的概念46

3.1.2温标46

3.1.3测温方法与测温仪器的分类47

3.2热电阻温度传感器47

3.2.1金属热电阻47

3.2.2半导体热敏电阻49

3..测温电桥电路50

3.3热电偶53

3.3.1热电效应53

3.3.2热电偶的工作原理54

3.3.3热电偶的基本定律54

3.3.4热电偶的误差及补偿55

3.3.5热电偶的组成、分类及特点58

3.4半导体温度传感器59

3.5非接触式温度传感器60

3.5.1全辐式温度传感器60

3.5.2亮度式温度传感器60

3.5.3比色式温度传感器61

3.6温度传感器的典型实例62

3.6.1典型的测温电桥电路62

3.6.2基于热电阻的气体质量流量传感器63

思考题与习题64

第4章电位器式传感器66

4.1基本结构与功能66

4.2线绕式电位器的特67

4.2.1灵敏度67

4.2.2阶梯特和阶梯误差67

4..分辨率67

4.3非线电位器68

4.3.1功用68

4.3.2实现途径68

4.4电位器的负载特及负载误差69

4.4.1负载特69

4.4.2负载误差70

4.4.3减小负载误差的措施71

4.5电位器的结构与材料73

4.5.1电阻丝73

4.5.2电刷73

4.5.3骨架74

4.6电位器式传感器的典型实例74

4.6.1电位器式压力传感器74

4.6.2电位器式加速度传感器75

思考题与习题76

第5章应变式传感器78

5.1电阻应变片78

5.1.1应变式变换原理78

5.1.2应变片结构及应变效应79

5.1.3电阻应变片的种类80

5.1.4应变片的主要参数81

5.2应变片的温度误差及其补偿81

5.2.1温度误差产生的原因81

5.2.2温度误差的补偿方法82

5.3电桥电路原理84

5.3.1电桥电路的平衡84

5.3.2电桥电路的不平衡输出85

5.3.3电桥电路的非线误差5

5.3.4四臂受感差动电桥电路的温度补偿87

5.4应变式传感器的典型实例88

5.4.1应变式力传感器88

5.4.2应变式加速度传感器96

5.4.3应变式压力传感器97

5.4.4应变式转矩传感器102

思考题与习题103

第6章硅压阻式传感器105

6.1硅压阻式变换原理105

6.1.1半导体材料的压阻效应105

6.1.2单晶硅的晶向、晶面的表示106

6.1.3压阻系数107

6.2硅压阻式传感器的典型实例110

6.2.1硅压阻式压力传感器110

6.2.2硅压阻式加速度传感器115

6.3硅压阻式传感器温度漂移的补偿118

思考题与习题119

第7章电容式传感器121

7.1电容式元件及特121

7.1.1电容式元件121

7.1.2变间隙电容式元件121

7.1.3变面积电容式元件122

7.1.4变介电常数电容式元件1

7.1.5电容式元件的等效电路1

7.2电容式变换元件的信号转换电路124

7.2.1运算放大器式电路124

7.2.2交流不平衡电桥电路124

7..变压器式电桥电路124

7.2.4二极管电路125

7.2.5差动脉冲调宽电路126

7.3电容式传感器的典型实例127

7.3.1电容式位移传感器127

7.3.2电容式压力传感器130

7.3.3电容式加速度传感器131

7.4电容式传感器的抗干扰问题131

7.4.1温度变化对结构稳定的影响131

7.4.2温度变化对介质介电常数的影响132

7.4.3绝缘问题132

7.4.4寄生电容的干扰与防止132

思考题与习题133

第8章变磁路式传感器135

8.1电感式变换原理及其元件135

8.1.1简单电感式变换元件135

8.1.2差动电感式变换元件137

8.1.3差动变压器式变换元件138

8.2磁电感应式变换原理140

8.3电涡流式变换原理141

8.3.1电涡流效应141

8.3.2等效电路分析141

8.3.3信号转换电路142

8.4霍尔效应及元件143

8.4.1霍尔效应143

8.4.2霍尔元件144

8.5变磁路式传感器的典型实例145

8.5.1差动变压器式加速度传感器145

8.5.2电磁式振动速度传感器145

8.5.3霍尔式振动位移传感器146

8.5.4差动电感式压力传感器147

……

本书列入“‘十三五’重点出版物出版规划项目”的“卓越工程能力培养与工程教育专业认系列规划教材”子项目，主要适用于电气工程、自动化、测控技术与仪器、机械工程等专业的生，也适用于相关专业的学生。 传感器技术是信息获取的首要环节，在当代科学技术中占有十分重要的地位。所有的自动化测控系统，都需要传感器提供赖以做出实时决策的信息。随着科学技术的发展与进步，特别是系统自动化程度和复杂的增加，对传感器测量的精度、稳定、可靠和实时的要求越来越高。传感器技术已经成为重要的基础技术，掌握传感器技术，能够合理应用传感器，对每个科技工作者与工程技术人员来说是应该具备的基本素养。 就技术内涵而言，传感器是通过元件直接感受被测量，并把被测量转变为可用电信号的一套完整的测量装置。对于传感器，应从三个方面来把握：一是传感器的工作机理，体现在元件上；二是传感器的作用，体现在完整的测量装置上；三是传感器的输出信号形式，体现在可以直接利用的电信号上。 本书围绕着上述三个方面进行内容的组织，注重传感器的机理、整体结构组成、参数设计、误差补偿和应用特点等的介绍，注重在工业自动化领域典型的、常用的传感器的介绍，注重近年来出现的新型传感器技术的介绍。 本书以便于读者阅读、理解所涉及的知识点为原则，突出典型案例分析。对重要知识点给出有针对的分析、讨论；对需要进行定量分析的重要知识点，通过简单算例讨论、计算实例、设计计算实例，给出较详细的计算过程与分析、讨论。在介绍具体传感器的3～3章中，给出许多传感器的典型实例及其分析、讨论。为了便于读者系统掌握传感器技术的主要内容，开展深入学习、研究，每一章配置一定数量的思考题与习题。 本书共分13章。 章是绪论。介绍有关传感器的基本概念，传感器的作用实例分析，传感器的功能、分类、技术特点；论述传感器新原理、新材料、新工艺的发展，传感器微型化、集成化、多功能和智能化的发展，多传感器融合与网络化的发展以及量子传感技术的发展；简要介绍本书的特点。 第2章介绍传感器的特与评估。介绍传感器静态标定、主要静态能指标、传感器的动态响应及动态能指标、动态标定与动态模型建立；给出传感器静态特的计算实例和动态特的计算实例。 第3章介绍热电式传感器。介绍温度概念、温度标准、测温方法与测温仪器分类，金属热电阻、半导体热敏电阻的特及测温电桥电路，热电偶、半导体温度传感器的测温原理，全辐式、亮度式和比色式三种常用的非接触式测温原理。 第4章介绍电位器式传感器。介绍电位器的基本结构与功能、工作原理、输出特、阶梯特和阶梯误差，非线电位器的特及其实现途径，电位器的负载特、负载误差以及改善措施，电位器的结构与材料等。 第5章介绍应变式传感器。介绍金属电阻丝产生应变效应的机理，金属应变片的结构及应变效应，应变片的横向效应及减小横向效应的措施，电阻应变片的温度误差及补偿方法；详细介绍电桥电路原理、差动检测原理及其应用特点等。 第6章介绍硅压阻式传感器。介绍半导体材料产生压阻效应的机理、特点，单晶硅的晶向、晶面的表示，压阻效应与金属应变效应的比较，单晶硅的压阻系数矩阵与任意方向压阻系数的计算，压阻式传感器温度漂移的补偿等。 第7章介绍电容式传感器。介绍电容式元件的基本结构形式、特、等效电路以及典型的信号转换电路；讨论电容式传感器温度变化对结构稳定和介质介电常数的影响、绝缘问题以及寄生电容的干扰与防止等。 第8章介绍变磁路式传感器。介绍电感式、差动电感式和差动变压器式变换元件的基本结构形式、特、等效电路以及典型的信号转换电路，磁电感应式变换原理、电涡流式变换原理和霍尔效应等。 第9章介绍压电式传感器。介绍石英晶体、压电陶瓷、聚偏二氟乙烯等常用压电材料的压电效应及应用特点，压电换能元件的等效电路及信号转换电路；讨论压电式传感器的抗干扰问题。 0章介绍谐振式传感器。讨论机械谐振元件的谐振现象，谐振子的机械品质因数值；介绍谐振式传感器闭环自激系统的基本结构，在复频域、时域中的幅值与相位条件，谐振式传感器测量原理及特点等。 1章介绍光纤传感器。介绍光纤的结构与种类、传光原理、集光能力及其传输损耗，光纤传感器中应用的强度调制、相位调制、频率调制的原理、应用特点等。 2章介绍近年来迅展起来的微机械传感器。简要介绍微传感器的发展过程、应用的材料与加工工艺、传感器中结构的建模与弱号处理问题等。 3章介绍代表传感器发展大趋势的智能化传感器。简要介绍智能化传感器的组成原理、功和涉的基本传感器、应用软件以及发展前景。 3～3章分别介绍了一些测量典型参数的传感器，包括传感器的结构组成、机理、设计思路、误差补偿，以及典型应用实例与特点等。 本书由北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院测控与信息技术系樊尚春教授编著,内容结合了作者30多年在该技术领域积累的教学、科研与工程实践的体会，特别地，还包括在自然科学“谐振式直接质量流量传感器结构优化及系统实现(69674029)”“科氏质量流量计若干干扰因素影响机理与抑制(60274039)”“谐振式硅微结构压力传感器优化设计与闭环系统实现(50275009)”“谐振式硅微结构传感器综合测试系统(科学仪器专项，60927005)”“频率型微陀螺谐振子振动非线特的理论与实验研究(61273060)”“具有差动检测结构的石墨烯谐振式压力传感器研究(61773045)”等项目资下取得的部分研究结果，在此向自然科学委员会表示衷心感谢。 在本书编写过程中，为了充分反映国内外传感器技术的发展过程和进展，参考了一些国内外专家学者的教材与论著,清华大学丁天怀教授审阅了全稿并提出了许多宝贵的意见与建议，在此一并表示衷心感谢。 传感器技术领域内容广泛且发展迅速，限于作者的学识与水平，教材中的错误与不妥之处，敬请读者批评指正。作者的联系方式：shangcfan@buaa.edu.cn。