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第1篇 基础知识3

第1章 基础知识和基本概念3

1.1传感器与检测技术的发展历史与作用3

1.2测量技术名词5

1.2.1测量5

1.2.2量值5

1.2.3[量的]真值6

1.2.4[量的]约定真值6

1.2.5精确度6

1.2.6[测量]误差6

1.2.7修正值7

1.2.8相对误差8

1.2.9引用误差和精度等级8

1.2.10量程8

1.2.11范围度9

1.2.12计量9

1.2.13校准9

1.2.14量值传递9

1.2.15溯源性10

1.2.16仪表的零点迁移和量程迁移10

1.2.17仪表的死区、滞环误差和回差11

1.2.18灵敏度和分辨力12

1.2.19信噪比12

1.2.20线性度误差12

1.2.21重复性误差12

1.2.22仪表的可靠性13

1.2.23检测元件或传感元件13

1.2.24[测量]传感器14

1.2.25变送器14

1.2.26计、表和仪（器）15

1.3典型的测量系统15

1.3.1第一级—敏感元件-传感器级16

1.3.2第二级—信号调理级16

1.3.3第三级—读出记录级17

1.4多种测量方式18

1.4.1直接与间接测量18

1.4.2串联型（开环）与反馈型（闭环）测量19

1.4.3能量变换型与能量控制型测量20

1.4.4接触式与非接触式测量21

1.4.5静态与动态测量21

1.5提高精度的系统结构与测量方法23

1.5.1补偿测量结构23

1.5.2差分测量结构24

1.5.3基于同步叠加的去噪方法25

1.5.4基于响应速度的分离方法25

1.5.5滤波放大与调频放大方法26

1.5.6陷波放大方法26

1.5.7锁定放大方法27

1.6测量单位和国际单位制28

1.6.1量和单位28

1.6.2国际单位制30

1.6.3法定计量单位33

1.6.4国际单位制和法定计量单位使用注意事项34

练习题及思考题34

第2章 测量数据处理36

2.1测量数据中粗大误差的判定和剔除36

2.1.1粗大误差的概念36

2.1.2粗大误差的剔除准则37

2.2测量数据中系统误差的发现和修正40

2.2.1系统误差的概念40

2.2.2系统误差的判别方法41

2.2.3减小系统误差的方法44

2.3近似数的修约与运算48

2.3.1近似数的修约48

2.3.2有效数字50

2.3.3近似数的运算51

2.4数据的图形表示53

2.4.1图形表示的规则54

2.4.2选择坐标系和绘制曲线54

2.5最小二乘法与实验曲线拟合56

2.5.1最小二乘法原理57

2.5.2直线和曲线拟合57

2.5.3典型经验公式的选择与检验60

练习题及思考题62

第3章测量不确定度的评定与表示方法63

3.1测量不确定度的定义及与测量误差的比较63

3.1.1预备知识63

3.1.2 u、uc和U（Up）值的评定67

3.2标准不确定度、合成标准不确定度和扩展不确定度的计算68

3.3测量不确定度的A类和B类评定70

3.4测量结果和测量不确定度的表示72

3.5温度检测中不确定度评定与表示方法的实例72

3.6相对合成标准不确定度在差压式流量计中的应用75

练习题及思考题76

第2篇 传感器原理79

第4章 电阻式电容式传感器79

4.1应变电阻传感器79

4.1.1金属电阻丝应变片79

4.1.2半导体应变元件81

4.2应变电阻转换电路81

4.3应变片的种类及应用83

4.4电容式传感器85

4.4.1电容式传感器工作原理85

4.4.2电容式传感器的种类85

4.4.3差动电容传感器87

4.5电容式传感器的特性88

4.5.1减小环境温度湿度变化的影响88

4.5.2漏电阻、激励频率和材料的绝缘性88

4.5.3减小边缘效应89

4.5.4屏蔽电极89

4.6电容式传感器的应用90

4.6.1工业液位计90

4.6.2电容式接近传感器90

4.6.3差动电容式加速度传感器92

4.6.4电容式差压传感器95

4.6.5电容式倾斜仪96

4.6.6容栅位移传感器96

4.7电容传感器测量电路97

4.7.1运算放大器电路97

4.7.2电桥电路98

4.7.3充放电式差动电容开关转换电路98

4.7.4充放电式差动脉冲调宽电路98

4.7.5振荡电路99

4.8电容传感器的使用注意事项100

4.8.1减少外界干扰100

4.8.2减少寄生电容101

练习题及思考题102

第5章 压电传感器103

5.1压电效应和压电方程103

5.2压电材料104

5.2.1压电晶体104

5.2.2压电陶瓷107

5.2.3压电薄膜107

5.3压电传感器的信号调理电路108

5.3.1压电传感器电压放大电路109

5.3.2压电传感器电荷放大电路110

5.4压电式加速度传感器111

5.5压电逆效应的应用111

5.6超声波传感器113

5.6.1超声波的波型、波速114

5.6.2超声波的反射、折射和波型转换115

5.6.3声波的衰减117

5.6.4超声空化效应117

5.6.5超声波传感器的结构和等效电路117

5.6.6超声波测距、测厚原理119

5.6.7超声波流量计121

5.6.8超声成像123

5.6.9声表面波SAW传感器器件123

练习题及思考题124

第6章 光电传感器125

6.1概述125

6.1.1光的特性126

6.1.2光源种类128

6.2光电传感器元件130

6.2.1光敏二极管130

6.2.2光敏三极管132

6.2.3光敏电阻134

6.2.4光电倍增管136

6.2.5光耦合器137

6.2.6彩色传感器137

6.2.7 CCD图像传感器138

6.2.8 CMOS图像传感器140

6.3红外传感器141

6.3.1热释电型红外传感器142

6.3.2热电堆型红外传感器143

6.4光电位置检测传感器143

6.5太阳能电池145

6.6光纤传感器146

6.6.1光学纤维的结构和原理146

6.6.2非功能型光纤传感器148

6.6.3功能型光纤传感器150

练习题及思考题150

第7章 磁敏传感器152

7.1概述152

7.1.1磁场强度和磁敏传感器种类153

7.1.2地磁场和电子罗盘154

7.2霍尔传感器156

7.2.1霍尔传感器原理156

7.2.2霍尔传感器的应用158

7.3磁阻元件161

7.3.1各向异性磁阻AMR元件162

7.3.2巨磁阻GMR元件165

7.3.3磁阻传感器的应用166

7.4磁阻抗元件166

7.4.1磁阻抗效应166

7.4.2磁阻抗MI元件167

7.5感应式磁电传感器169

7.5.1磁通门传感器169

7.5.2自感式位移传感器170

7.5.3互感式位移传感器差动变压器171

7.5.4电涡流传感器174

练习题及思考题175

第8章 气体传感器176

8.1概述176

8.2半导体气体传感器177

8.2.1氧化物半导体气体传感器177

8.2.2 MOSFET气体传感器179

8.3振动频率型气体传感器180

8.3.1表面弹性波传感器180

8.3.2晶振膜传感器180

练习题及思考题181

第9章 生化传感器182

9.1概述182

9.2新型生化传感器184

9.2.1蛋白传感器184

9.2.2肽纳米管生化传感器185

9.2.3碳纳米管生化传感器186

9.2.4微机械生化传感器188

9.2.5石英晶体传感器191

9.2.6光寻址生化传感器192

练习题及思考题193

第10章 智能传感器194

10.1概述194

10.1.1智能传感器可实现的功能194

10.1.2智能材料196

10.2常用智能材料197

10.2.1智能金属材料（形状记忆合金）199

10.2.2智能高分子（聚合物）材料201

10.2.3智能纤维202

10.2.4智能陶瓷206

10.2.5电流变液智能材料208

10.2.6磁流变液智能材料209

10.2.7磁性液体智能材料210

10.2.8智能玻璃212

10.3光纤智能传感器212

10.3.1光纤智能传感器的结构基础212

10.3.2智能蒙皮213

10.3.3智能夹层215

10.3.4光纤智能传感器用于结构的健康监测217

练习题及思考题217

第3篇 检测技术221

第11章 温度检测技术221

11.1温标222

11.1.1温标的概念及其发展222

11.1.2 90国际温标225

11.2接触式测温方法228

11.2.1膨胀式与压力式温度计228

11.2.2热电偶温度计231

11.2.3热电阻温度计241

11.2.4热敏电阻温度计244

11.3非接触式测温方法246

11.3.1辐射测温基础247

11.3.2光学高温计252

11.3.3光电高温计254

11.3.4辐射温度计257

11.3.5比色温度计259

11.3.6红外测温仪261

练习题及思考题262

第12章 压力检测技术263

12.1压力单位和表示264

12.2压力检测方法265

12.2.1液柱式压力计265

12.2.2弹性式压力表269

12.2.3电阻应变式压力计275

12.2.4压电式压力计283

12.3压力表校验装置286

12.3.1活塞式压力计286

12.3.2气动压力校验泵287

练习题及思考题288

第13章流量检测技术289

13.1基本概念289

13.2体积流量检测方法292

13.2.1橢圆齿轮流量计292

13.2.2节流式差压流量计293

13.2.3电磁流量计312

13.2.4转子流量计318

13.2.5涡街流量计323

13.2.6超声波流量计330

13.3质量流量检测方法336

13.3.1测量方法分类336

13.3.2科里奥利式质量流量计340

13.4流量校验标准装置和校验方法345

练习题及思考题350

第14章 物位检测技术351

14.1基本概念351

14.2常用物位测量方法353

14.2.1压力式液位计353

14.2.2浮力式液位计356

14.2.3电容式物位计363

14.2.4电导式及电感式物位计369

14.2.5阻力式料位计371

14.2.6超声式物位计374

14.2.7微波式及γ射线式物位计379

练习题及思考题380

第15章 成分分析测试技术381

15.1气体成分分析技术382

15.1.1热导式气体分析器382

15.1.2磁性氧气分析仪388

15.1.3红外线气体分析器397

15.1.4过程气相色谱仪403

15.1.5工业质谱仪417

15.2物性分析测试技术426

15.2.1含水量和湿度测量426

15.2.2黏度测量429

15.2.3密度测量434

15.2.4酸度测量437

15.2.5浊度测量444

15.2.6浓度测量446

练习题及思考题451

第4篇 检测系统455

第16章 虚拟仪器测试系统455

16.1概述455

16.2虚拟仪器的组成与分类456

16.3虚拟仪器的硬件技术458

16.3.1 DAQ仪器458

16.3.2 GPIB仪器459

16.3.3 VXI仪器459

16.3.4 PXI仪器459

16.3.5其他计算机硬件接口仪器460

16.4虚拟仪器软件标准461

16.4.1 SCPI标准461

16.4.2 VISA标准461

16.4.3 IVI标准462

16.5虚拟仪器开发环境462

16.5.1 LabVIEW462

16.5.2 LabWindows/CVI463

16.5.3 HP VEE464

16.6在虚拟仪器中常使用的其他技术464

16.7虚拟仪器的发展方向465

16.8基于虚拟仪器的测试系统465

练习题及思考题467

第17章AS-i现场总线测控系统468

17.1概述468

17.1.1体系结构468

17.1.2技术指标470

17.1.3标准制定及应用领域472

17.1.4 AS-i总线国际组织472

17.2 AS-i总线传输系统473

17.2.1传输电缆473

17.2.2信号调制过程474

17.2.3电源和数据解耦电路475

17.2.4访问方式和报文476

17.2.5主站请求和从站应答报文477

17.3 AS-i从站结构和工作流程478

17.3.1从机的组成结构479

17.3.2从机专用芯片的构成480

17.4 AS-i主站和通信协议481

17.4.1主机性能特点481

17.4.2主机硬件电路482

17.4.3通信协议485

17.5 AS-i总线技术的新进展488

练习题及思考题488

第18章 多传感器数据融合技术489

18.1多传感器数据融合概念489

18.2多传感器数据融合框架491

18.2.1多传感器数据融合中的传感器工作方式491

18.2.2多传感器数据融合结构492

18.2.3多传感器数据融合模型494

18.3多传感器数据融合算法496

18.3.1基于卡尔曼滤波的多传感器数据融合方法496

18.3.2多传感器数据融合应用实例500

练习题及思考题502

第19章 软测量技术503

19.1前言503

19.2软测量技术分类504

19.2.1基于传统方法的软测量模型504

19.2.2基于回归分析的软测量模型504

19.2.3基于智能方法的软测量模型505

19.3软测量工程实现506

19.3.1辅助变量的选择507

19.3.2数据的预处理508

19.3.3软测量模型的建立508

19.3.4软测量模型的校正509

19.4小结509

练习题及思考题509

第20章 现场无线总线技术510

20.1前言510

20.2无线通信网络的分类510

20.3自动化和控制环境下现场无线总线层次划分511

20.4常用现场无线总线技术简介512

20.4.1 ZigBee技术512

20.4.2无线HART技术514

20.5小结516

练习题及思考题516

附录1常用标准热电偶分度表517

附录2常用标准热电阻分度表528

参考文献532