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第1章　测量系统1

1.1 引言1

1.2　测量系统的结构1

1.2.1　传感器的动态特性3

1.2.2　信号调整小结5

1.3　测量误差6

1.3.1　过失误差6

1.3.2　系统误差6

1.4　测量标准11

1.4.1　电气标准11

1.4.1.1 电位差12

1.4.1.2　电阻15

1.4.1.3　电流和电荷20

1.4.1.4　电容23

1.4.1.5　电感24

1.4.2　时间和频率26

1.4.3　物理标准27

1.4.3.1　质量27

1.4.3.2　长度28

1.4.3.3　温度29

1.4.3.4　国际单位制的基本单位29

1.5　本章小结29

习题30

第2章　模拟信号调整33

2.1 引言33

2.2　差动放大器33

2.2.1　差动放大器特性分析33

2.2.2　共模抑制比34

2.2.3　共模抑制比、AD和Ac的测量35

2.2.4　内阻不平衡对共模抑制比的影响35

2.3　运算放大器38

2.3.1　运算放大器的分类39

2.3.2　利用运算放大器设计基本的宽带放大器40

2.3.2.1　同相放大器41

2.3.2.2　反相放大器及加法器42

2.3.3　电流反馈型运算放大器43

2.4　利用普通运算放大器构成模拟有源滤波器47

2.4.1　引言47

2.4.2　模拟有源滤波器结构48

2.4.2.1　受控源有源滤波器48

2.4.2.2　四次有源滤波器50

2.4.2.3　通用阻抗变换器有源滤波器53

2.4.2.4　高阶有源滤波器55

2.4.3　运算放大器积分器和微分器56

2.4.4　小结58

2.5　测量放大器58

2.5.1　采用运算放大器构成的测量放大器58

2.5.2　隔离放大器61

2.5.3　自动调零型放大器63

2.5.4　绝对隔离方案65

2.5.5　小结65

2.6　利用运算放大器和特殊函数模型进行非线性模拟信号处理65

2.6.1　引言65

2.6.2　精密绝对值电路66

2.6.3　多功能转换器68

2.6.4　真有效值直流转换器68

2.6.5　平方根电路和除法器电路71

2.6.6　峰值检测器和跟踪－保持电路72

2.6.7　对数比和三角函数集成电路75

2.6.8　小结77

2.7　电荷放大器77

2.7.1　用作压电传感器的电荷放大器77

2.7.2　用作积分电量计的电荷放大器79

2.7.3　小结80

2.8　相敏检波器80

2.8.1　双边带抑制载波调制81

2.8.2　利用模拟乘法器解调DSBSCM信号82

2.8.3　其他相敏检波器设计62

2.8.4　锁定放大器83

2.8.4.1　引言83

2.8.4.2　利用锁定放大器提高的信噪比计算85

2.8.5　小结89

2.9 本章小结89

习题90

第3章　测量中的噪声和相干干扰98

3.1 引言98

3.2　电路中的随机噪声98

3.2.1　概率密度函数99

3.2.2　功率密度谱99

3.2.3　信号调整系统中的噪声源102

3.2.3.1　电阻器噪声102

3.2.3.2　有源器件的两源噪声模型104

3.2.3.3 JFET中的噪声104

3.2.3.4 BJT中的噪声106

3.3　高斯噪声通过线性滤波器的传播107

3.4　放大器的宽带噪声因数和噪声系数108

3.5　点噪声因数和点噪声系数110

3.6　放大器Fspot的变压器优化设计和输出信噪比112

3.7　级联的有噪声放大器113

3.8　具有噪声限制的给定信号调整系统中分辨率的计算114

3.8.1 有噪声反相运算放大器最小可分辨交流输入电压的计算114

3.8.2　有白色和1/f噪声的最小可分辨直流电流的计算115

3.8.3　为获得变压器耦合可调放大器特定的输出信噪比，最小可分辨交流输入信号的计算117

3.8.4　在给定SNRo条件下计算单臂电桥中最小的△R/R118

3.8.5　给定已知ena和ina的简单反相运算放大器，确定其最大输出信噪比的存牛119

3.9 目前用于测量信号调整系统中的低噪声放大器120

3.10　相干干扰及其最小化121

3.10.1　相干干扰源121

3.10.1.1　相干干扰的直接静电耦合122

3.10.1.2　相干干扰的直接磁感应123

3.10.1.3　接地环路124

3.10.2　相干干扰的解决方法125

3.10.2.1　电力线低通滤波器125

3.10.2.2　瞬变电压抑制器126

3.10.2.3　在同轴电缆中通过磁耦合感应的相干干扰127

3.10.2.4　同轴电缆屏蔽单独接地以阻止接地环路干扰130

3.10.2.5　采用纵向扼流圈或中和变压器衰减共模相干干扰131

3.10.2.6　通过实验检验电缆和接地方案以获得最小的噪声耦合132

3.10.2.7　电路的接地134

3.10.2.8　铁氧体磁环和旁路电容器135

3.10.2.9　利用隔离变压器和光耦合器阻断接地环路135

3.10.2.10　光耦合器135

3.10.2.11　采用保护和屏蔽方法减小共模相干干扰135

3.10.3　减小相干干扰技术小结140

3.11　本章小结141

习题142

第4章　直流零位测量法147

4.1 引言147

4.2　单臂电桥分析148

4.3　双臂电桥分析150

4.4　安德森恒流环151

4.4.1　引言151

4.4.2　用于传感器组的安德森环153

4.4.3　小结158

4.5　电位差计158

4.6　本章小结159

习题160

第5章　交流零位测量法164

5.1　引言164

5.2　电感等效电路164

5.3　电容等效电路165

5.4　交流单臂电桥167

5.5　交流电桥168

5.5.1 测量电容的电桥168

5.5.1.1　电阻比电桥168

5.5.1.2　西林电桥169

5.5.1.3　并联电容电桥169

5.5.1.4　德绍蒂电桥170

5.5.1.5　维恩电桥171

5.5.1.6　换向电容电桥172

5.5.2　测量电感和互感的电桥173

5.5.2.1　麦克斯韦电桥173

5.5.2.2　并联电感电桥174

5.5.2.3　海氏电桥174

5.5.2.4　欧文电桥175

5.5.2.5　安德森电桥176

5.5.2.6　海维赛德互感电桥176

5.5.2.7　海德维勒互感电桥177

5.5.3　零位法测量晶体管小信号跨导和反馈电容178

5.6　本章小结180

习题180

第6章　传感器183

6.1 引言183

6.2　传感器种类183

6.3　电阻式传感器183

6.3.1　电阻式温度传感器184

6.3.2　电阻应变仪186

6.3.3　光电导体187

6.3.4　电阻式相对湿度传感器191

6.3.5　利用阻值变化判定位置或角度193

6.3.6　巨磁阻效应传感器194

6.3.7　各向异性磁致电阻传感器197

6.4　电动势传感器203

6.4.1　热电偶和热电堆203

6.4.2　光电池206

6.4.3　压电传感器208

6.4.4　热电传感器212

6.4.5　输出电压与dФ/dt成正比的传感器216

6.4.5.1　可变磁阻留声机拾音器216

6.4.5.2　电力学加速度计217

6.4.5.3　线速度传感器218

6.4.6　利用磁场和电荷移动实现电动势输出的传感器219

6.4.6.1　法拉第效应流量计219

6.4.6.2　霍尔效应传感器221

6.5　可变磁耦合式传感器224

6.5.1　线性可变差动变压器224

6.5.2　同步器和分解器226

6.6　可变电容式传感器229

6.7　光纤传感器230

6.7.1　磁光电流传感器231

6.7.2　测量光学传感器线性偏振光输出旋光度的方法234

6.7.3　光纤磁阻传感器243

6.8　光电倍增管和相关的电子倍增器件248

6.8.1　引言248

6.8.2　光电倍增管的应用250

6.8.3　单通道光电倍增管252

6.8.4　微通道板光电倍增管253

6.8.5　小结254

6.9　电离辐射传感器255

6.9.1　盖革－米勒计数管256

6.9.2　固态晶体辐射传感器258

6.9.3　闪烁计数器260

6.10　电化学传感器261

6.10.1　pH值和离子选择电极261

6.10.2　极谱式电极264

6.10.3　燃料电池电极264

6.11 电子鼻266

6.11.1　人造鼻的可行性266

6.11.2　嗅觉系统的解剖和生理知识266

6.11.3　脊椎动物嗅觉的化学感受系统267

6.11.4　用于气体状态分析的传感器270

6.11.5　电子鼻的分辨特性280

6.11.6　本节小结281

6.12　机械－光学传感器281

6.12.1　光编码盘281

6.12.2　利用Sagnac效应测量角速度的方法283

6.12.3　激光多普勒测速仪285

6.13　本章小结291

习题292

第7章　物理量测量中传感器的应用303

7.1 引言303

7.2　测量角加速度、角速度和角位移303

7.2.1　测量角加速度303

7.2.1.1　利用强迫式机械陀螺仪测量角加速度303

7.2.1.2　简易惯性轮式弹簧阻尼器角加速度计304

7.2.1.3　伺服角加速度计306

7.2.2　利用机械陀螺仪测量角速度306

7.2.2.1　机械速度陀螺仪309

7.2.2.2　Sagnac效应光纤陀螺仪311

7.2.2.3　振动块速度陀螺仪314

7.2.2.4　汉弗莱喷气式陀螺仪316

7.2.2.5　振荡盘式速度陀螺仪320

7.2.3　利用转速计测量角速度324

7.2.4　利用陀螺仪测量角坐标329

7.2.5　利用倾斜仪测量角坐标332

7.2.6　测量轴的角坐标335

7.3　测量线加速度、线速度、线位移和线性位置336

7.3.1　线加速度计336

7.3.1.1　基本的牛顿加速度计336

7.3.1.2　伺服加速度计的设计338

7.3.1.3　压电传感器式加速度计339

7.3.1.4　微机械IC加速度计340

7.3.2　线速度的测量341

7.3.2.1　液体流速的测量342

7.3.2.2　其他测量流速和流量的方法346

7.3.3　线性位置的测量355

7.3.3.1　利用全球定位系统确定物体线性位置358

7.3.3.2　利用光干涉仪测量△x367

7.3.3.3　用超声波和EM辐射测量锁相的速率和范围379

7.4　力和转矩的测量385

7.4.1　力的测量386

7.4.2　转矩的测量389

7.5　压力测量393

7.5.1　高压力传感器393

7.5.2　低压力传感器400

7.6　利用光子检测特定物质405

7.6.1　引言405

7.6.2　色散分光光度法407

7.6.3　非色散光谱仪414

7.6.4　傅里叶变换红外光谱仪418

7.6.5　单泡和多泡声致发光423

7.6.5.1　单泡声致发光423

7.6.5.2　多泡声致发光426

7.6.5.3　小结427

7.6.6　表面等离子体振子谐振427

7.7　温度的测量432

7.7.1　温度标准432

7.7.2　常用测量温度的方法433

7.7.2.1　机械式温度传感器433

7.7.2.2　电子温度传感器435

7.8　本章小结444

习题445

第8章　基本的电气测量451

8.1 引言451

8.2　直流电压的测量451

8.2.1　机电式直流电压表452

8.2.1.1　D'Arsonval直流电压表452

8.2.1.2　电容式（静电式）电压表456

8.2.1.3　功率计型电压表458

8.2.2　直流电子电压表459

8.3　静电场和带电界面电压的测量463

8.4　直流电流的测量470

8.4.1　机电式直流电流表472

8.4.2　电子式直流电流表472

8.4.2.1　分流式皮安表的误差分析473

8.4.2.2　反馈式皮安表的误差分析475

8.4.3　磁光电流传感器476

8.5　交流电压的测量476

8.5.1　机电式交流电压表477

8.5.1.1 电动系交流电压表477

8.5.1.2　电磁系电压表478

8.5.1.3　整流式／D'Arsonval交流电压表479

8.5.1.4　真空热电偶式／D'Arsonval交流电压表480

8.5.2　模拟电子式交流电压表481

8.5.2.1　交流放大－整流型交流电压表481

8.5.2.2　峰值读数型电子式交流电压表482

8.5.2.3　反馈型真有效值交流电压表484

8.5.2.4　直接转换型真有效值交流电压表487

8.5.3　放大器噪声电压、噪声因数和噪声系数的测量488

8.6　交流电流的测量494

8.6.1　机电式（模拟）交流电流表494

8.6.2　电子磁光交流电流表496

8.7　磁场的测量497

8.8　相位的测量506

8.8.1　模拟相位测量507

8.8.2　数字相位检测器511

8.9　频率和周期（时间）的测量511

8.10　电阻、电容和电感的测量517

8.10.1　电阻的测量517

8.10.2　电容的测量522

8.10.2.1　使用Q表测量电容522

8.10.2.2　使用Q/V测量电容525

8.10.3　电感的测量529

8.10.3.1　使用电压表估测电感529

8.10.3.2　使用Q表测量电感和Q值531

8.11　矢量阻抗表531

8.12　本章小结533

习题533

第9章　测量系统的数字接口540

9.1 引言540

9.2　采样定理540

9.3　量化噪声544

9.4　抖动546

9.5　数／模转换器548

9.6　保持电路553

9.7　模／数转换器554

9.7.1　逐次逼近型模／数转换器555

9.7.2　跟踪型（伺服型）模／数转换器557

9.7.3　双积分型模／数转换器558

9.7.4　闪存（并行）型模／数转换器560

9.7.5　动态量程浮点型模／数转换器563

9.7.6　△-∑型模／数转换器564

9.7.7　数据采集卡568

9.8 IEEE-488仪表总线（GPIB）569

9.8.1　GPIB结构570

9.8.2　GPIB工作方式571

9.9　串行数据通信链路573

9.9.1　RS-232C和D形接口574

9.9.2 RS-422、RS-423和RS-485接口576

9.9.3　通用串行总线578

9.9.3.1　通用串行总线功能简介579

9.9.3.2　小结581

9.10　CAMAC（IEEE-583）模块式仪表标准和VXI模块式仪表架构581

9.11　传输线路对数字数据传输的影响584

9.11.1　传输线模型584

9.11.2　具有不合适终端的无损传输线上的反射585

9.12　光纤中的数据传输591

9.12.1　光纤导光原理592

9.12.2　光纤通信系统中的半导体光源和检测器597

9.12.3　光纤系统601

9.13　虚拟仪表601

9.13.1　引言601

9.13.2 PXI系统603

9.13.3 小结603

9.14 本章小结604

习题604

第10章 数字信号调整导论609

10.1 引言609

10.2 数字滤波和z变换609

10.3 简单DSP算法614

10.4 离散快速傅里叶变换及其应用621

10.4.1 应用数据窗提高光谱分辨率623

10.4.2 运用离散傅里叶变换分析随机信号和噪声的特性625

10.4.3 快速傅里叶变换628

10.4.4 DSP协处理器主板629

10.5 用于离散数据插值的数字程序630

10.6 本章小结634

习题635

第11章 测量系统设计实例637

11.1 引言637

11.2 用于测量生物反应器中葡萄糖浓度的自动调零型微度旋光计637

11.3 发现、测量并定位高压同轴电力电缆中局部放电位置的测量系统设计647

11.4 闭环固定相位脉冲激光测距系统和速率计的设计654

11.5 用于检测隐藏物体的电容型传感器的设计659

11.5.1 引言659

11.5.2 用于测量△C/Co的自平衡电路661

11.5.3 小结665

11.6 本章小结665

附录 常用计量单位及其换算表667

参考文献668