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第1篇 传感与测试技术的理论基础1

第1章 绪论1

1.1 传感与测试技术的内涵1

目录1

1.2 传感器的组成及分类2

1.2.1 传感器的组成2

1.2.2 传感器的分类3

1.3 传感与测试技术在工程中的地位4

1.4 传感与测试技术的发展状况5

1.5 本课程的内容及特点6

思考题与习题7

第2章 测量与测量系统的基本知识8

2.1 测量的基础知识8

2.1.1 直接测量8

2.2 非电量电测系统的组成9

2.1.2 间接测量9

2.1.3 标准9

2.3 传感器与测量系统的静态特性11

2.3.1 静态标定12

2.3.2 工作曲线及参考工作曲线13

2.3.3 静态特性指标14

2.4 传感器与测量系统的动态特性18

2.4.1 线性时不变系统18

2.4.2 传感器与测量系统动态特性描绘方法19

2.4.3 典型系统的频率响应22

2.4.4 典型激励的系统响应26

2.4.5 无失真测试条件29

2.5 传感器及测量系统动态特性获取方法30

2.6 动态误差修正32

2.6.1 频域修正方法32

思考题与习题33

2.6.2 时域修正方法33

第3章 工程信号及其分析35

3.1 工程信号的分类35

3.1.1 确定性信号35

3.1.2 随机信号36

3.2 周期信号描述38

3.2.1 周期信号的分解和频谱38

3.2.2 周期信号的可测性分析42

3.3 时限信号（瞬态信号）描述45

3.3.1 时限信号的分解和频谱46

3.3.2 时限信号的可测性分析48

3.4 随机信号描述48

3.4.1 随机信号的特征参数48

3.4.2 随机信号的特征估计52

3.5 典型激励信号描述56

3.5.1 冲激函数及其频谱分析56

3.5.2 单位阶跃信号及其频谱分析58

3.5.3 单位斜坡信号及其频谱60

思考题与习题61

第4章 测量数据处理及表述62

4.1 实验数据的表示方法62

4.1.1 表格法62

4.1.2 图解法62

4.1.3 经验公式63

4.1.4 有效数字及数据修约64

4.2 误差的定义及分类64

4.2.1 误差的定义64

4.2.2 误差的分类65

4.2.3 误差的表示方法66

4.2.4 表征测量结果质量的指标66

4.3 不确定度的基本概念67

4.3.1 有关不确定度的术语67

4.3.2 产生测量不确定度的原因和测量模型68

4.4.1 单次测量结果试验标准差与平均值试验标准差69

4.4 标准不确定度的A类评定69

4.4.2 测量过程的合并样本标准差71

4.4.3 规范测量中的合并样本标准差73

4.4.4 极差74

4.4.5 最小二乘法75

4.4.6 不确定度A类评定的独立性75

4.5 标准不确定度的B类评定76

4.5.1 B类不确定度评定的信息来源76

4.5.2 B类不确定度的评定方法77

4.6 合成标准不确定度的评定79

4.6.1 输入量不相关时不确定度的合成80

4.6.2 输入量相关时不确定度的合成81

4.6.3 合成标准不确定度的自由度82

4.7 扩展不确定度的评定及表示形式82

4.7.1 扩展不确定度的评定82

4.7.2 测量不确定度的报告与表示83

4.8 回归分析及其应用84

4.8.1 直线拟合（一元线性回归）85

4.8.2 曲线拟合（一元非线性回归）89

思考题与习题91

第2篇 传感器技术96

第5章 应变式传感器96

5.1 电阻应变片工作原理96

5.1.1 电阻应变片的结构和工作原理96

5.1.2 电阻应变片的种类、材料和参数99

5.2 电阻应变片特性及粘贴103

5.2.1 应变片的主要工作参数103

5.2.2 应变片的粘贴104

5.2.3 电阻应变片的温度误差及补偿108

5.3 电阻应变片的信号调理电路111

5.3.1 直流电桥111

5.3.2 交流电桥113

5.3.3 电桥的平衡装置118

5.3.4 电阻应变仪119

5.4 常用敏感元件及应变片的排列与接桥124

5.4.1 常用应变测力传感器的结构125

5.4.2 各种载荷测量中应变片的排列和连桥128

思考题与习题133

第6章 电感式传感器136

6.1 自感式电感传感器136

6.1.1 单磁路自感式电感传感器136

6.1.2 自感式差动电感传感器138

6.1.3 螺管式电感传感器140

6.2 差动变压器式传感器142

6.2.1 工作原理142

6.2.2 差动变压器式传感器的结构类型和主要特性143

6.2.3 差动变压器的测量电路145

6.3 电涡流式传感器146

6.3.1 高频率反射式电涡流传感器146

6.3.2 低频透射式涡流传感器148

6.3.3 电涡流传感器的应用149

思考题与习题151

第7章 电容式传感器152

7.1 电容式传感器的工作原理及结构152

7.1.1 工作原理152

7.1.2 结构类型154

7.2 电容式传感器的灵敏度及非线性155

7.2.1 变极距型平板电容式传感器155

7.2.2 变面积型板状线位移传感器156

7.2.3 变介电常数型传感器157

7.2.4 差动电容式传感器158

7.3 电容式传感器的测量电路159

7.3.1 电桥电路159

7.3.2 差动脉冲调宽电路160

7.3.3 运算放大器式电路162

7.4 硅电容式集成传感器162

7.4.1 硅电容式集成压力传感器163

7.4.2 硅电容式加速度传感器164

思考题与习题165

第8章 压电式传感器167

8.1 压电效应与压电常数167

8.1.1 压电效应167

8.1.2 压电常数167

8.2 压电材料及压电元件结构形式171

8.2.1 压电晶体171

8.2.2 压电陶瓷173

8.2.3 压电薄膜175

8.2.4 压电元件的结构形式175

8.3 压电式传感器的等效电路177

8.3.1 压电元件的等效电路177

8.3.2 压电传感器的等效电路178

8.4 测量电路179

8.4.1 电压放大器179

8.4.2 电荷放大器183

8.5 压电式传感器185

8.5.1 压电式力和压力传感器185

8.5.2 压电式加速度传感器187

8.6 误差分析191

8.6.1 环境温度的影响191

8.6.2 环境湿度的影响193

8.6.3 电缆噪声193

思考题与习题194

第9章 磁电式传感器195

9.1 磁电感应式传感器195

9.1.1 磁电式振动传感器的工作原理196

9.1.2 典型结构199

9.1.3 磁电式传感器的误差201

9.2 霍耳式传感器203

9.2.1 霍耳效应203

9.2.2 霍耳元件204

9.2.3 霍耳元件的不等位电势和温度误差的补偿205

9.2.4 集成霍耳传感器208

9.2.5 应用209

思考题与习题210

第10章 光电式传感器211

10.1 光电器件211

10.1.1 外光电效应的光电器件211

10.1.2 内光电效应的光电器件214

10.1.3 光电耦合器件222

10.1.4 电荷耦合器件222

10.2 光纤传感器225

10.2.1 光纤的结构和传输原理225

10.2.2 几种常用的光纤传感器227

10.3 红外传感器230

10.3.1 红外辐射230

10.3.2 红外探测器230

10.3.4 红外测温233

10.3.3 红外探测器使用中应注意的问题233

10.4 光电传感器的应用235

思考题与习题237

第11章 气、湿、色敏传感器238

11.1 气敏传感器238

11.1.1 引言238

11.1.2 气敏传感器的分类240

11.1.3 半导体气敏传感器的工作原理及结构241

11.1.4 其他气敏传感器245

11.1.5 半导体气敏元件的主要特性参数246

11.1.6 气敏传感器的应用250

11.2 湿敏传感器252

11.2.1 引言252

11.2.2 湿敏传感器的主要特性参数254

11.2.3 湿敏传感器的分类256

11.2.4 湿敏传感器的测量电路262

11.3.1 半导体色敏器件的结构与工作原理264

11.3 色敏传感器264

11.3.2 半导体色敏传感器的颜色识别电路267

思考题与习题268

第3篇 工程测试技术269

第12章 常用物理量测试方法269

12.1 应力、应变、力测量269

12.1.1 应变、应力测量269

12.1.2 力的测量275

12.1.3 传感器的标定277

12.2 压力测量279

12.2.1 概述279

12.2.2 常用测压传感器280

12.2.3 动态压力测量时管道传输效应282

12.2.4 测压系统的标定284

12.3 流量测量287

12.3.1 流量测量的基本知识287

12.3.2 常用流量计291

12.3.3 流量计的定度295

12.4 温度测量297

12.4.1 概述297

12.4.2 接触式测量300

12.4.3 非接触式温度测量305

12.5 噪声测量307

12.5.1 噪声测量基础307

12.5.2 常用噪声测量仪器312

12.5.3 噪声测量的方法317

12.6 位移、速度、加速度测量320

12.6.1 概述320

12.6.2 位移测量320

12.6.3 速度测量324

12.6.4 加速度测量331

12.7 机械振动测量338

12.7.1 振动测量系统的组成338

12.7.2 振动系统的合理选用340

12.7.3 传感器的安装341

12.7.4 机械阻抗测试342

思考题与习题344

第13章 计算机化测试技术347

13.1 概述347

13.1.1 智能测量仪器347

13.1.2 计算机自动测试系统347

13.1.3 计算机数据处理348

13.2 采样349

13.2.1 采样过程349

13.2.2 采样定理350

13.2.3 量化351

13.3 计算机辅助测试技术中的接口技术352

13.3.1 概述352

13.3.2 RS232C标准接口总线354

13.3.3 GPIB标准接口总线357

13.3.4 其他标准接口总线简介363

13.4 VXI总线系统365

13.4.1 概述365

13.4.2 VXI总线的特点365

13.4.3 VXI总线系统简介366

13.5 虚拟仪器系统367

13.5.1 概述367

13.5.2 虚拟仪器的结构及特点367

13.5.3 虚拟仪器的系统组成369

13.5.4 VXIplug play370

13.5.5 虚拟仪器软件开发平台371

13.6 计算机辅助测试系统及应用实例373

13.6.1 多通道数据采集系统373

13.6.2 微型计算机在火箭发动机测试中的应用375

13.6.3 基于PCI的半正弦压力发生器的测控系统375

思考题与习题377