傳感器原理與應用

第一篇 傳感器原理

第1章 傳感器概述 2

1.1 傳感器的定義、組成和分類 2

1.1.1 傳感器的定義 2

1.1.2 傳感器的基本組成 2

1.1.3 傳感器的分類 3

1.2 傳感器的靜態特性 3

1.2.1 靜態方程式 4

1.2.2 靜態特性的主要技術指標 5

1.3 傳感器的動態特性 9

1.3.1 動態特性的一般數學模型與傳遞函數 9

1.3.2 傳感器的頻率特性 10

1.3.3 過渡函數與穩定時間 11

1.3.4 二階傳感器 11

1.4 傳感器的標定 14

1.4.1 傳感器靜態特性的標定方法 15

1.4.2 傳感器動態特性的實驗確定法 15

第2章 電阻式傳感器 18

2.1 金屬應變片式電阻傳感器 18

2.1.1 工作原理 18

2.1.2 金屬電阻應變片的選用和粘貼 20

2.1.3 電阻應變片的測量電路 21

2.1.4 溫度誤差及其補償 23

2.2 基於MEMS的半導體壓阻式傳感器 26

2.2.1 半導體材料的壓阻效應和壓阻系數 26

2.2.2 半導體壓阻式壓力傳感器的構成 31

2.2.3 壓阻式傳感器溫度漂移的補償 35

2.2.4 壓阻式集成壓力傳感器 36第3章 電容式傳感器 40

3.1 電容式傳感器的基本工作原理和結構類型 40

3.1.1 電容式傳感器的基本工作原理 40

3.1.2 電容式傳感器的結構類型 41

3.2 電容式傳感器的測量電路 47

3.3 基於MEMS的微型電容式傳感器 51

3.3.1 微型電容式加速度傳感器 51

3.3.2 微型電容式壓力傳感器 55

第4章 電感式傳感器 57

4.1 自感型電感式傳感器 57

4.1.1 可變磁阻式自感型傳感器的工作原理和結構類型 57

4.1.2 可變磁阻式自感型傳感器的信號測量電路 59

4.2 互感型差動變壓器式傳感器 61

4.2.1 螺線管式差動變壓器的工作原理和基本特性 62

4.2.2 差動變壓器的測量電路 65

4.2.3 差動變壓器式傳感器的應用 67

4.3 電渦流式傳感器 68

4.3.1 高頻反射渦流式傳感器 68

4.3.2 低頻透射渦流式傳感器 70

4.3.3 測量電路 71

4.3.4 應用舉例 72第5章 壓電式傳感器 74

5.1 壓電效應原理 74

5.1.1 石英晶體 74

5.1.2 壓電陶瓷 75

5.1.3 壓電式傳感器 76

5.2

壓電式傳感器的測量 78

5.2.1 壓電式傳感器的等效電路 78

5.2.2 壓電式傳感器的測量電路 78

5.3

壓電式傳感器的應用 80

5.3.1 壓電式測力傳感器 80

5.3.2 壓電式加速度傳感器 81

5.3.3 壓電式金屬加工切削力測量 81

5.3.4 壓電式玻璃破碎報警器 82第6章 磁電式傳感器 83

6.1

磁電感應式傳感器 83

6.1.1 磁電感應式傳感器的工作原理和結構形式 83

6.1.2 磁電感應式傳感器的特性 84

6.1.3 磁電感應式傳感器的測量電路 86

6.1.4 磁電感應式扭矩傳感器 86

6.2

霍爾式傳感器 87

6.2.1 霍爾效應及霍爾元件 87

6.2.2 霍爾元件的基本電路 91

6.2.3 霍爾元件的誤差分析及補償電路 93

6.2.4 霍爾式傳感器的應用 95第7章 熱電式傳感器 98

7.1 熱電偶 98

7.1.1 熱電偶工作的基本原理 98

7.1.2 熱電偶基本定律 99

7.1.3 熱電偶類型 101

7.1.4 熱電偶的結構形式 104

7.2 熱電偶冷端溫度及其補償 106

7.3 熱電偶測溫線路 107

7.4

熱電阻傳感器 108

7.4.1 金屬熱電阻 108

7.4.2 熱敏電阻 110

7.4.3 熱電阻測量電路 111

7.4.4 熱敏電阻測量電路與應用 113第8章 光電式傳感器 114

8.1 光電效應傳感器 114

8.1.1 外光電效應型光電器件 114

8.1.2 內光電效應型光電器件 118

8.1.3 光電傳感器的應用 127

8.2 光熱效應傳感器 129

8.2.1 熱釋電探測器 129

8.2.2 熱釋電探測器的應用 130

8.3 固體圖像傳感器 130

8.3.1 CCD的工作原理 131

8.3.2 線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器 134

8.3.3 CCD的特性參數 136

8.3.4 CCD圖像傳感器的應用 137第9章 光纖傳感器 139

9.1 光纖傳感器基本知識 139

9.1.1 光纖結構及傳光原理 139

9.1.2 光纖的基本特性 140

9.1.3 光纖傳感器 141

9.2 光纖傳感器的工作原理和應用 142

9.2.1 強度調制型光纖傳感器 142

9.2.2 相位調制型光纖傳感器 143

9.2.3 波長調制型光纖傳感器 144

9.2.4 偏振態調制型光纖傳感器 145

9.3 分布式光纖傳感器 146

9.3.1 分布式光纖傳感器的特點和分類 147

9.3.2 散射型分布式光纖傳感器 147

9.4

光纖傳感器工程應用實例 149

9.4.1 在電力系統中的應用 149

9.4.2 在生物醫學中的應用 150

9.4.3 在土木工程中的應用 151

9.4.4 在環保監測中的應用 152第10章 化學量傳感器 154

10.1 氣敏傳感器 154

10.1.1 電阻型半導體氣敏傳感器 154

10.1.2 非電阻型氣敏傳感器 158

10.1.3 氣敏傳感器的主要參數與特性 160

10.1.4 應用舉例 160

10.2 離子敏傳感器 162

10.2.1 離子選擇電極 162

10.2.2 離子敏場效應管 163

第二篇 物聯網系統

第11章 傳感器電路與系統應用 176

11.1 傳感器信號的類型及處理方法 176

11.1.1 傳感器信號的類型 176

11.1.2 電容式與電感式傳感器信號處理方法 177

11.1.3 頻率變化式傳感器信號處理方法 177

11.2 傳感器信號基本運算電路 178

11.2.1 求差電路 178

11.2.2 高輸入阻抗的差分放大電路 178

11.2.3 求和電路 178

11.2.4 積分電路 179

11.2.5 微分電路 179

11.3 傳感器信號基本運算電路 179

11.3.1 信號放大電路 179

11.3.2 電橋電路 181

11.4 陣列語音采集系統 183

11.5 MEMS傳感器實驗系統 187

11.6

電子心肺音采集系統 188第12章 無線傳感器網絡(WSN) 191

12.1 無線傳感器網絡的體系結構 191

12.1.1 WSN的應用系統架構 191

12.1.2 WSN感知節點結構 193

12.1.3 WSN 體系結構 194

12.2 無線傳感器網絡的特征 196

12.2.1 與現有無線網絡的區別 196

12.2.2 與現場總線的區別 196

12.2.3 無線傳感器網絡的特點 197

12.3 基於WSN技術的室內空氣質量監測系統設計及應用 198

12.3.1 WSN總體硬件結構 198

12.3.2 空氣質量監測節點硬件設計 198

12.3.3 數據傳輸節點電路 202

12.3.4 監測系統軟件設計 204

12.3.5 室內空氣質量監測系統測試 206

12.4 物聯網+區塊鏈實例：分布式高精度定位網絡 209

12.5 傳感器、物聯網與區塊鏈概述 211

12.6 物聯網面臨的各種挑戰 212

12.6.1 中心化的安全、管理壓力 212

12.6.2 數據的可信、溯源問題 212

12.6.3 信息孤島挑戰 212

參考文獻 214