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第1章 工程中的传感器系统1

1.1 传感器和传感器系统的作用1

1.1.1 传感过程中估计的重要性2

1.1.2 创新的传感器技术3

1.2 应用场景3

1.3 人体感官系统5

1.4 机电一体化工程5

1.4.1 机电一体化的方法6

1.4.2 机电一体化仪器的瓶颈6

1.5 控制系统的架构7

1.5.1 反馈和前馈控制8

1.5.2 数字控制10

1.5.3 可编程逻辑控制器11

1.5.4 分布式控制12

1.6 仪表化过程14

1.6.1 仪表化步骤15

1.6.2 应用实例15

1.7 本书的组织结构21

关键术语22

思考题24

第2章 组件互连27

2.1 引言27

2.1.1 组件互连概述27

2.1.2 本章内容28

2.2 阻抗28

2.2.1 阻抗的定义28

2.2.2 在组件互连中阻抗匹配的重要性28

2.3 阻抗匹配的方法29

2.3.1 最大功率传输29

2.3.2 效率最高的功率传输31

2.3.3 信号传输中的反射预防31

2.3.4 负载效应的降低32

2.3.5 机械系统中的阻抗匹配34

关键术语42

思考题42

第3章 放大器和滤波器45

3.1 信号修整与调理45

3.1.1 信号调理45

3.1.2 本章内容45

3.2 放大器46

3.2.1 运算放大器46

3.2.2 放大器的性能等级48

3.2.3 电压、电流和功率放大器51

3.2.4 仪表放大器53

3.2.5 噪声和接地回路55

3.3 模拟滤波器57

3.3.1 无源滤波器和有源滤波器58

3.3.2 低通滤波器59

3.3.3 高通滤波器64

3.3.4 带通滤波器65

3.3.5 带阻滤波器68

3.3.6 数字滤波器69

关键术语70

思考题71

第4章 信号转换方法74

4.1 信号修整与转换74

4.1.1 信号转换74

4.1.2 本章内容75

4.2 调制器和解调器75

4.2.1 幅度调制76

4.2.2 幅度调制的应用78

4.2.3 解调80

4.3 数据采集硬件82

4.3.1 数-模转换器85

4.3.2 模-数转换器89

4.3.3 采样-保持硬件93

4.3.4 多路复用器94

4.4 电桥96

4.4.1 惠斯登电桥96

4.4.2 恒流电桥98

4.4.3 电桥输出的硬件线性化99

4.4.4 半桥电路100

4.4.5 阻抗电桥101

4.5 装置的线性化102

4.5.1 非线性的性质102

4.5.2 模拟线性化硬件104

4.6 其他信号转换硬件107

4.6.1 移相器108

4.6.2 电压-频率转换器109

4.6.3 频率-电压转换器111

4.6.4 电压-电流转换器111

4.6.5 峰值保持电路112

关键术语113

思考题114

第5章 性能指标和参数120

5.1 性能指标120

5.1.1 性能指标的参数120

5.1.2 动态参考模型122

5.2 时域指标124

5.3 频域指标127

5.3.1 增益裕度和相位裕度128

5.3.2 频域内简单的振荡器模型129

5.4 线性度129

5.5 仪表额定值133

5.5.1 额定参数133

5.5.2 灵敏度134

关键术语141

思考题143

第6章 带宽、采样和误差传递146

6.1 引言146

6.2 带宽分析146

6.2.1 带宽147

6.2.2 静态增益150

6.3 由信号采样而产生的混叠失真151

6.3.1 采样定理151

6.3.2 混叠的简要说明152

6.3.3 抗混叠滤波器152

6.3.4 控制系统的带宽设计155

6.4 仪器误差的注意事项157

6.5 误差传递与合成159

6.5.1 灵敏度在误差合成中的应用159

6.5.2 绝对误差160

6.5.3 方和根误差160

6.5.4 来自单项误差的同等贡献160

关键术语164

思考题166

第7章 测量结果的估计171

7.1 传感与估计171

7.2 最小二乘估计172

7.2.1 最小二乘点估计172

7.2.2 数据和估计的随机性173

7.2.3 最小二乘线估计176

7.2.4 估计的质量177

7.3 MLE179

7.3.1 MLE的分析依据179

7.3.2 通过贝叶斯定理证明MLE180

7.3.3 MLE与正态分布181

7.3.4 递归最大似然估计182

7.3.5 离散MLE的示例183

7.4 标量静态卡尔曼滤波器184

7.4.1 标量静态卡尔曼滤波器的概念184

7.4.2 贝叶斯公式的使用185

7.4.3 标量静态卡尔曼滤波器算法186

7.5 线性多变量动态卡尔曼滤波器190

7.5.1 状态空间模型191

7.5.2 系统响应192

7.5.3 可控性与可观测性192

7.5.4 离散时间状态空间模型193

7.5.5 线性卡尔曼滤波器算法194

7.6 扩展卡尔曼滤波器196

7.7 无迹卡尔曼滤波器199

7.7.1 无迹变换200

7.7.2 无迹卡尔曼滤波器算法202

关键术语206

思考题209

第8章 模拟运动传感器215

8.1 传感器和换能器215

8.1.1 相关术语216

8.1.2 传感器的类型与选型217

8.2 传感器的机电应用219

8.3 电位计220

8.3.1 旋转电位计221

8.3.2 性能方面的考量223

8.3.3 光学电位计225

8.4 可变电感传感器227

8.4.1 电感、电抗和磁阻228

8.4.2 线性可变差动变压器式传感器229

8.4.3 互感接近传感器235

8.4.4 旋转变压器236

8.5 永磁和涡流传感器238

8.5.1 直流转速计238

8.5.2 交流转速计243

8.5.3 涡流传感器244

8.6 可变电容传感器245

8.6.1 电容传感器的测量电路246

8.6.2 电容位移传感器248

8.6.3 测量旋转和角速度的电容传感器248

8.6.4 电容液位传感器248

8.6.5 电容传感器的应用249

8.7 压电传感器250

8.7.1 电荷灵敏度和电压灵敏度251

8.7.2 电荷放大器252

8.7.3 压电加速度计254

8.8 陀螺仪传感器256

8.8.1 速率陀螺仪256

8.8.2 科里奥利力设备257

关键术语257

思考题260

第9章 力传感器268

9.1 传感器268

9.1.1 力传感器268

9.1.2 用于运动测量的力传感器269

9.1.3 力传感器的位置269

9.2 应变片270

9.2.1 应变片测量的公式270

9.2.2 半导体应变片276

9.2.3 温度自动补偿（半导体应变片）279

9.3 转矩传感器281

9.3.1 应变片转矩传感器281

9.3.2 设计方面的注意事项282

9.3.3 挠度转矩传感器290

9.3.4 反作用转矩传感器292

9.3.5 电动机电流转矩传感器292

9.3.6 力传感器294

9.4 触觉传感295

9.4.1 触觉传感器的要求296

9.4.2 触觉传感器的结构和操作297

9.4.3 光学触觉传感器298

9.4.4 应变片触觉传感器299

9.4.5 其他种类的触觉传感器300

9.5 阻抗传感和控制301

关键术语303

思考题304

第10章 多种传感器309

10.1 引言309

10.2 光学传感器和激光器309

10.2.1 激光器309

10.2.2 光纤传感器311

10.2.3 光学传感器例子312

10.2.4 光传感器315

10.2.5 光学耦合器的应用317

10.3 几种传感器技术318

10.3.1 超声波传感器318

10.3.2 磁致伸缩位移传感器319

10.3.3 声发射传感器319

10.4 热流体传感器320

10.4.1 压力传感器320

10.4.2 流量传感器321

10.4.3 温度传感器323

10.5 监测水质的传感器325

10.5.1 pH值传感器326

10.5.2 溶解氧传感器326

10.5.3 氧化-还原电位传感器326

关键术语327

思考题329

第11章 数字传感器331

11.1 创新的传感器技术331

11.1.1 模拟与数字传感331

11.1.2 数字传感器的优点333

11.2 轴编码器333

11.3 增量式光电编码器336

11.3.1 旋转方向337

11.3.2 编码器的硬件特性338

11.3.3 线性编码器339

11.4 编码器的运动感测340

11.4.1 位移测量340

11.4.2 速度测量343

11.5 编码器数据的采集和处理346

11.5.1 利用微控制器进行数据采集346

11.5.2 利用台式机进行数据采集347

11.6 绝对式光电编码器348

11.6.1 格雷码349

11.6.2 分辨率350

11.6.3 速度测量350

11.6.4 优点和缺点350

11.7 编码器误差351

11.8 各种数字传感器354

11.8.1 二进制传感器354

11.8.2 数字旋转变压器355

11.8.3 数字转速计356

11.8.4 莫尔条纹位移传感器357

11.9 霍尔效应传感器359

11.9.1 霍尔效应运动传感器359

11.9.2 特性360

11.10 图像传感器360

11.10.1 图像处理和计算机视觉360

11.10.2 基于图像的感觉系统360

11.10.3 相机360

11.10.4 图像帧的采集361

11.10.5 彩色图像361

11.10.6 图像处理362

11.10.7 有关应用362

关键术语362

思考题364

第12章 微机电系统与多传感器系统369

12.1 先进的多传感器技术369

12.2 微机电系统传感器369

12.2.1 微机电系统的优点369

12.2.2 MEMS传感器建模370

12.2.3 MEMS的应用371

12.2.4 MEMS的材料与制造372

12.2.5 MEMS传感器例子373

12.3 无线传感器网络374

12.3.1 无线传感器网络体系结构374

12.3.2 无线传感器网络的优点和问题377

12.3.3 通信问题379

12.3.4 定位381

12.3.5 无线传感器网络的应用384

12.3.6 无线传感器网络的实现案例385

12.4 传感器融合387

12.4.1 融合的性质和类型387

12.4.2 传感器融合的应用388

12.4.3 传感器融合的方法390

关键术语404

思考题410

扩展阅读415

计算题答案416

单位和转换418

公制前缀419