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绪论 1

0-1自动检测技术及自动检测系统 1

一、自动检测技术 1

二、自动检测系统 1

0-2传感器的定义、组成、分类及要求 2

一、传感器的概念 2

二、传感器的定义 2

三、传感器的组成及作用 3

四、传感器的分类 4

五、对传感器的要求 4

0-3传感器的作用及其在国民经济发展中的地位和应用 5

0-4传感器发展的新趋向 6

一、社会发展对传感器需求的新动向 6

二、传感器的发展趋势 6

第一章 传感器的理论和技术基础 8

1-1传感器的物理基础 8

1-2传感器数学模型的一般式 9

一、传感器的静态数学模型 10

二、传感器的动态数学模型 11

1-3传感器的特性分析与技术指标 14

一、传感器的静态特性 14

二、传感器的动态特性 22

1-4传感器无失真检测条件 29

1-5提高传感器性能的方法 29

一、合理选择结构、材料与参数 29

二、采用线性化技术 30

三、差动技术 30

四、平均技术 31

五、零位法、微差法与闭环技术 31

六、采用补偿与校正技术 32

七、集成化与智能化 32

八、采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施 32

九、稳定性处理 32

1-6系统类似与机电模拟 33

一、系统类似 33

二、机电模拟 33

三、机械阻抗 34

1-7双向传感器的统一理论 38

一、理想传感器的传递矩阵 38

二、实际传感器的传递矩阵 39

三、双向机电传感器的统一传递函数 42

1-8传感器非线性特性的线性化 43

一、线性化的必要性 43

二、非线性静态特性的补偿方法 44

三、利用对数放大器线性化 50

四、利用非线性函数关系的折线近似逼近法线性化 50

1-9传感器的温度补偿技术 54

一、温度补偿技术 54

二、温度补偿原理 54

1-10传感器的标定与校准 57

一、传感器的静态标定 57

二、传感器的动态标定 58

第二章 传感器弹性敏感元件的理论基础 61

2-1弹性敏感元件的基本特性 61

一、弹性特性 61

二、弹性滞后 62

三、弹性后效 62

四、固有振动频率 63

2-2弹性敏感元件的数学模型及参数计算的理论基础 63

一、等截面轴（空心和实心） 63

二、悬臂梁 65

三、扭转棒 69

四、薄壁圆筒 70

五、薄壁半球 71

六、等截面薄板 72

2-3弹性敏感元件的特性参数设计计算 74

2-4弹性敏感元件材料的选择 76

2-5弹性敏感元件的误差 76

2-6弹性敏感元件的应用 77

第三章 电阻应变式传感器 78

3-1电阻应变式传感器的理论基础及数学模型 78

一、理论基础 78

二、电阻应变式传感器的数学模型 79

3-2电阻应变片的结构与分类 81

一、电阻应变片的结构 81

二、电阻应变片的类型 83

3-3电阻应变片的主要特性 83

一、静态特性 83

二、动态特性 88

三、评定应变片主要特性的精度指标 90

3-4应变片的设计、参数及材料的选择 91

一、应变片的基长和最高工作频率的确定 91

二、应变片材料的选择 91

三、应变片的主要参数 93

3-5电阻应变片的应用 93

一、应变片的选择 93

二、应变片的使用 95

3-6电阻应变片的温度误差及补偿 97

一、应变丝的金属电阻本身随温度变化引起的电阻值变化量 97

二、试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化 97

三、温度引起的电阻变化的总误差 98

四、温度误差补偿方法 99

3-7静态应变测量中误差分析及计算和修正 101

一、静态应变测量中的误差因素及种类 101

二、测量误差的分析计算 102

3-8电阻应变片的信号转换电路的数学模型、非线性误差及补偿 104

一、直流电桥输出电压的数学模型及平衡条件 104

二、直流电桥的电压灵敏度及对称电桥 105

三、各类电桥的分析 107

四、非线性误差及其补偿 109

五、交流电桥电压输出的数学模型及平衡条件 111

3-9电阻应变式传感器及参数设计 116

一、电阻应变式力传感器 116

二、电阻应变式压力传感器 120

三、电阻应变式加速度传感器 124

四、电阻应变仪 126

3-10固态压阻式传感器 130

一、压阻式传感器的理论基础 130

二、体型半导体应变片 131

三、固态压阻器件 133

第四章 电容式传感器 140

4-1电容式传感器的理论基础 140

4-2电容式传感器数学模型的建立 140

一、平行板电容器式传感器的数学模型 140

二、平行板电容器式传感器的工作方式及其分析 141

三、圆柱形电容式传感器的数学模型及分析 147

4-3电容式传感器的其它特性 149

一、电容式传感器的等效电路 149

二、电容式传感器的高阻抗和小功率特性 150

三、静电吸力 150

4-4电容式传感器的信号变换电路的数学模型及其分析 152

一、交流不平衡电桥 152

二、二极管环形检波电路 154

三、差动脉冲宽度调制电路 156

四、运算放大器测量电路 158

4-5电容式传感器的设计 159

一、电容式传感器的参数计算 160

二、电容式传感器结构稳定性的设计 165

三、寄生电容的干扰及消除 168

4-6电容式传感器的应用 169

一、电容式差压变送器 170

二、电容式测微仪 172

三、电容式液位计 173

第五章 变磁阻式传感器 176

5-1变磁阻式传感器的理论基础 176

一、磁场中的毕奥-萨伐尔定律 176

二、电磁感应与电磁场中的自感与互感定义 176

三、磁场中的安培环路定律 177

四、磁场中的高斯定理 177

5-2闭磁路自感式传感器的工作原理及数学模型 177

一、闭磁路自感式传感器的工作原理 177

二、闭磁路自感式传感器的数学模型 178

5-3闭磁路自感式传感器的工作方式及特性分析 178

一、闭磁路自感式传感器的工作方式 178

二、闭磁路自感式传感器的特性分析 179

5-4闭磁路电感式传感器的等效电路及数学分析 180

一、等效电路 180

二、等效电路的数学分析 181

5-5闭磁路电感传感器的参数设计 183

一、设计原则 183

二、参数计算 183

5-6开磁路自感传感器的理论基础 185

5-7开磁路螺线管式电感传感器 187

一、开磁路螺线管式电感传感器的工作原理 187

二、开磁路螺线管式电感传感器的数学模型 188

5-8开磁路差动式电感传感器的数学模型 189

5-9电感式传感器的信号变换电路的理论分析 189

一、伏安法 190

二、交流电桥电路 191

5-10电感式传感器的误差 193

一、电源电压及频率不稳定造成的误差 193

二、温度误差 194

三、非线性误差 194

四、电磁力的影响 194

五、配用电桥电路时系统存在的零位误差 195

5-11互感式电感传感器 195

一、闭磁路差动变压器式传感器 195

二、开磁路螺线管差动变压器式传感器 198

5-12开磁路互感传感器的设计基础 202

一、衔铁长度ιc的确定 202

二、激磁绕组长度b的确定 202

三、副边绕圆长度m的确定 203

四、经验数据 203

五、激磁电源频率的选定 203

六、灵敏度的确定 204

七、原边和副边绕组匝数的确定 204

八、差动变压器变压比的确定 206

九、线圈骨架的确定 206

十、铁心磁性材料的确定 206

十一、传感器线性工作范围的确定 206

十二、屏蔽措施 206

5-13开磁路互感传感器的误差 206

一、电源幅值及频率稳定度造成的误差 206

二、温度误差 207

三、不平衡误差 207

5-14变磁阻式传感器的应用 208

一、差动变压器式应变仪 208

二、位移与尺寸测量 209

三、压力测量 209

四、力和力矩的测量 210

五、振动测量 210

第六章 电涡流式传感器 211

6-1电涡流式传感器的理论基础 211

6-2电涡流式传感器的工作原理及其分析 211

一、高频反射式涡流传感器 211

二、低频透射式电涡流传感器 213

6-3电涡流式传感器的信号变换电路 216

一、电桥法（阻抗变换电路） 216

二、谐振法（也称电感变换器） 217

6-4电涡流式传感器的设计要点 219

一、传感器线圈产生的磁感应强度的确定 219

二、电涡流的径向形成范围 221

三、线圈阻抗计算 222

四、线圈结构的确定 222

五、电源频率的确定 223

六、电涡流电阻的计算 223

6-5电涡流式传感器的测量误差 224

一、被测体材料对测量结果的影响 224

二、电源频率不稳定的影响 224

三、被测体形状和尺寸大小造成的测量误差 224

6-6电涡流式传感器的应用 224

一、涡流液位计 225

二、电涡流测厚仪 225

三、电涡流位移计 226

四、电涡流温度计 226

五、硬度计 227

六、涡流探伤仪 227

第七章 磁电式传感器 228

7-1磁电式传感器的理论基础 228

7-2相对测量原理及数学模型 228

一、相对测量原理 228

二、相对测量原理的数学模型 229

7-3机电变换原理及数学模型 231

一、恒定磁通磁电式传感器 231

二、变磁阻式磁电传感器 232

7-4磁电式传感器的传递矩阵与动态分析 234

一、磁电式传感器的传递矩阵 234

二、机械阻抗 234

三、基本元件的机械阻抗 235

四、机械系统的机械阻抗 239

五、磁电式传感器的机械阻抗 240

六、利用机电模拟理论求机械阻抗 241

七、磁电式传感器的传递矩阵及动态特性 242

八、磁电式传感器的传递函数 245

7-5磁电式传感器的设计 247

一、磁路设计 247

二、线圈参数计算与设计 251

三、传感器固有频率的确定及弹簧刚度的计算 252

四、阻尼器设计及阻尼系数的计算 253

7-6磁电式传感器的误差 255

一、电流和电压灵敏度的误差 255

二、温度误差 255

三、永久磁铁不稳定误差 256

四、非线性误差 256

7-7磁电式传感器的应用 257

一、磁电式振动速度传感器 257

二、磁电式转速传感器 258

三、磁电式扭矩仪 258

四、机载振动监测系统 259

第八章 压电式传感器 260

8-1压电式传感器的理论基础 260

一、压电效应 260

二、压电方程及压电常数矩阵 261

8-2压电材料 265

一、压电材料的主要特性参数 265

二、压电材料的种类 265

8-3压电式传感器的工作原理 269

一、正压电效应的数学表示 269

二、压电效应的物理机理 270

三、表面电荷的计算 271

8-4压电式传感器的等效电路 272

一、压电元件的等效电路 272

二、压电式传感器的实际等效电路 273

8-5压电式传感器的信号变换电路 273

一、变换电路的必要性 273

二、电压放大器（阻抗变换器） 274

三、电荷放大器 276

8-6压电式传感器的动态特性 278

8-7压电传感器的设计要点 280

一、根据需要的压电常数确定压电材料及变形方式 280

二、压电元件的结构与组合形式的确定 280

三、压电传感器结构的确定 282

8-8压电式传感器的误差 282

一、横向灵敏度及其引起的误差 283

二、环境温、湿度变化产生的误差 284

三、噪声 284

8-9压电式传感器的应用 285

一、应用范围 285

二、压电式加速度传感器 285

三、压电式力传感器 291

四、压电式压力传感器 292

五、逆压电效应的应用 293

第九章 霍尔传感器 294

9-1霍尔传感器的理论基础 294

9-2霍尔传感器的数学模型 294

9-3霍尔传感器的设计要点 296

一、霍尔元件尺寸的考虑 296

二、霍尔元件材料的确定 297

三、霍尔片的结构 298

9-4霍尔传感器的基本电路 299

一、霍尔片的符号 299

二、霍尔片的基本电路 299

9-5霍尔元件的主要特性 299

一、额定激励电流 299

二、输入电阻 300

三、输出电阻 300

四、不等位电势及零位电阻 300

五、寄生直流电势 300

六、热电阻 301

七、电磁特性 301

9-6霍尔传感器的误差及其补偿 302

一、零位误差及其补偿 302

二、寄生直流电势误差及其补偿 303

三、感应零位电势及补偿 303

四、自激磁场零位电势 303

五、温度误差及其补偿 304

9-7霍尔传感器的应用 306

一、霍尔片的组合应用 306

二、霍尔传感器在测量与控制技术中作计算元件的应用 307

三、作变换元件的应用 308

第十章 压磁式传感器 311

10-1压磁式传感器的理论基础 311

一、磁致伸缩效应 311

二、压磁效应 311

10-2压磁式传感器理论数学模型的建立 312

一、理论数学模型的应用 312

二、压磁式传感器的理论分析及数学模型的建立 312

10-3压磁式传感器工作原理的物理机理 317

一、组成 317

二、工作原理的物理机理 317

三、压磁式传感器的结构 318

四、交流压磁式传感器 318

10-4压磁式传感器的变换电路 319

一、组成 319

二、各组成部分的作用 319

三、压磁式传感器的变换参考电路 320

10-5压磁式传感器的设计要点 320

一、压磁元件的设计 320

二、激励绕组匝数的确定 322

三、磁感强度的确定 322

四、压磁式传感器的输出特性 323

10-6压磁式传感器的误差 324

一、磁场强度选择不当引起的误差 324

二、激励频率的影响 324

三、激励电流的影响 324

四、预加载荷的影响 324

五、滞后误差 325

六、电源影响 325

七、环境温度的影响 326

10-7压磁式传感器的应用 326

第十一章 光栅传感器 327

11-1计量光栅的理论基础 327

一、光栅 327

二、光栅的种类 327

三、莫尔条纹原理 328

11-2光栅传感器的工作原理 332

一、莫尔条纹测量位移原理 332

二、辨向原理 335

11-3莫尔条纹细分技术 336

一、细分与细分方法 336

二、直接细分 336

三、细分电桥基本原理 338

11-4光栅传感器的设计要点 340

一、设计目的 340

二、设计要求 340

三、光源的选择 340

四、光栅常用光路 341

五、光栅参数的选择 342

六、光栅刻线的宽度和长度的选择 342

七、光栅载体的选择 343

八、两光栅之间的间隙选择 343

九、准直透镜参数的确定 344

十、光电接收元件的选择 345

十一、机械结构设计 346

11-5光栅传感器的误差 346

11-6光栅传感器的应用 346

第十二章 感应同步器 347

12-1感应同步器的理论基础 347

一、单矩形线圈有运动电荷时产生的磁场 347

二、两个矩形线圈产生相对运动时的感应电势 348

三、几个典型位移的感应电势 348

四、感应同步器两绕组相对运动时产生的感应电势 348

12-2感应同步器工作原理数学模型的建立 350

一、感应同步器工作原理数学模型的分析 350

二、感应同步器的等效电路 350

三、滑尺绕组所产生的磁感应强度 350

四、在定尺中产生的感应电势 352

12-3输出电势的检测方法 354

一、鉴幅型系统 354

二、鉴相型系统 355

12-4感应同步器的设计 357

一、设计要求 357

二、结构及接线方式设计 357

三、直接型感应同步器的设计步骤 358

12-5感应同步器的误差 360

一、零位误差 360

二、细分误差 360

三、综合误差 362

12-6感应同步器的应用 362

一、作高精度测量仪器 362

二、作自动化技术中的检测元件 363

第十三章 磁栅式传感器 365

13-1磁栅式传感器的组成及工作原理 365

一、磁栅式传感器的组成 365

二、动态磁头工作原理 365

三、静态磁头工作原理 366

13-2信号处理方式及检测电路 367

一、动态磁头信号处理及检测电路 367

二、静态磁头信号处理及检测电路 368

13-3磁栅的误差 369

一、零位误差 369

二、细分误差 370

13-4磁栅式传感器的应用范围及特点 370

一、磁栅式传感器的特点 370

二、磁栅式传感器的应用范围 370

第十四章 热电式传感器 371

14-1热电偶传感器 371

一、理论基础 371

二、热电偶的基本定律 374

三、热电偶测量温度的基本原理 376

四、冷端温度补偿 376

五、热电偶种类 379

六、热电偶的标定 383

七、热电偶的误差 386

14-2热电阻传感器 389

一、金属热电阻 390

二、热电阻传感器的测量电路 393

14-3半导体热敏电阻 394

一、负温度系数（NTC）热敏电阻 395

二、负温度系数热敏电阻的主要特性 395

三、热敏电阻的主要参数 397

四、热敏电阻的线性化 397

14-4晶体管和集成温度传感器 400

一、晶体管P-N结温度传感器 400

二、晶体三极管温度传感器 401

三、集成温度传感器 402

14-5热电式传感器的应用 402

一、热电式金属材质鉴别仪 403

二、热电式继电器 404

三、集成晶体管测温仪 404

第十五章 闭环传感器 406

15-1闭环传感器的工作原理及特点 406

一、工作原理 406

二、闭环传感器的特点 407

15-2力平衡式传感器 408

一、组成 408

二、工作原理 408

三、力平衡式加速度传感器的传递函数 409

四、静态特性 410

五、动态特性 410

15-3电平衡式闭环传感器 412

一、组成 412

二、工作原理 412

第十六章 红外检测的理论基础 414

16-1红外辐射的理论基础 414

一、红外辐射 414

二、红外辐射源 414

16-2黑体辐射的基本定律 419

一、绝对黑体 419

二、黑体的有效比辐射率 420

16-3红外辐射的基本定律 420

一、基尔霍夫定律及比辐射率 420

二、绝对黑体的光谱辐射发射量 422

三、绝对黑体的积分辐射发射量 424

四、绝对黑体的最大光谱辐射发射量 425

五、用光子数表示的绝对黑体的辐射公式 425

16-4辐射效率和微分辐射率 426

一、辐射效率 426

二、微分辐射率（辐射对比度） 427

16-5各种温度的定义及其相互关系 428

一、真实温度与辐射温度之间的关系 428

二、真实温度与亮度温度的关系 429

三、真实温度与有色温度之间的关系 430

16-6红外辐射在大气中的传输 430

一、大气的组成 431

二、大气各组成部分对红外辐射的吸收作用 431

三、可凝水 432

四、大气透过率 433

16-7大气吸收的经验公式 433

一、计算CO2吸收的经验公式 433

二、计算水蒸气吸收的经验公式 434

16-8大气散射的经验公式 434

16-9红外探测器的特性参数 435

一、噪声等效功率和探测率 435

二、响应率 436

三、光谱响应 437

四、响应速度 438

16-10红外辐射系统设计的理论基础 439

一、测温系统的作用距离 439

二、温度方程 441

16-11辐射计的理论及应用 442

一、常温物体的比辐射率的测定 442

二、比色红外测温法（比色辐射计） 444

三、红外辐射测温的优点 445

四、红外检测在其它方面的应用 445

16-12热释电探测器的理论基础 445

一、热释电效应 445

二、热释电效应的微观机理 446

三、忽略敏感元件平面内横向热扩散厚度方向-维响应率 448

16-13 MOS场效应管光子红外探测器的理论基础 448

一、IRFET的结构 449

二、IRFET的工作原理 449

三、IRFET的特性 451

第十七章 气敏、湿敏与水分传感器 456

17-1电导控制型气敏传感器的机理 456

一、晶界势垒模型 457

二、表面电导模型 457

三、氧离子陷阱势垒模型 458

17-2电压控制型气敏传感器 459

一、电压控制型气敏传感器的工作原理 460

二、电压控制型半导体气敏传感器的特性 460

17-3催化金属栅场效应气敏传感器 461

一、一氧化碳气敏Pd栅MOS晶体管传感器 462

二、硫化氢气敏Pd栅MOS晶体管 464

17-4湿敏传感器 466

一、绝对湿度与相对温度 466

二、湿敏元件的特性参数 467

三、湿敏传感器的分类 468

四、氯化锂湿敏电阻 468

五、半导瓷湿敏电阻 469

六、测量电路 472

17-5水分传感器 474

一、水分在物质中的存在形式及水分含量的表示方法 474

二、水分的测量方法及其种类 475

三、电导式水分计 475

四、电容式水分计 479

五、微波式水分计 481

六、中子式水分计 481

七、红外式水分计 483

第十八章 智能式传感器 484

18-1传感器信号的采集 485

一、传感器输出信号的类型 485

二、传感器输出模拟信号的处理 485

18-2传感器的智能化 490

一、控制功能 490

二、数据处理功能 493

三、数据传输功能 499

18-3智能传感器 499

第十九章 机器人传感器 501

19-1机器人传感器的功能与分类 501

19-2机器人视觉传感器 505

一、视觉检测 505

二、视觉图像的分析 506

三、描绘技术 509

四、识别技术 509

19-3机器人广义触觉传感器 510

一、机器人接触觉传感器 510

二、机器人压觉传感器 510

三、机器人力觉传感器 514

四、机器人接近觉传感器 516

五、机器人滑觉传感器 517

参考文献 519