傳感器設計制造及測試技術

目 錄
第1章 緒論 1
1.1 傳感器的定義及其應用 2
1.1.1 傳感器的定義 2
1.1.2 傳感器的分類 2
1.1.3 傳感器與傳感系統 3
1.1.4 傳感器的應用 4
1.2 執行器的定義及其應用 4
1.2.1 執行器的定義 4
1.2.2 執行器的類型、特點及選擇 4
1.2.3 傳感器與執行器的聯系 5
1.3 傳感器基礎知識 6
1.3.1 傳感器的基本特性 6
1.3.2 改善傳感器性能的技術途徑 6
1.3.3 傳感器技術的發展趨勢 7
思考題 8
第2章 傳感器的基本特性 9
2.1 傳感器的靜態特性 9
2.1.1 量程 9
2.1.2 線性度 10
2.1.3 遲滯 12
2.1.4 重復性誤差 12
2.1.5 精度 13
2.1.6 靈敏度 14
2.1.7 漂移 15
2.1.8 飽和度與死區 15
2.2 傳感器的動態特性 16
2.2.1 傳感器的數學模型 16
2.2.2 傳感器的動態特性分析 16
2.2.3 傳遞函數 20
2.2.4 頻率響應函數 21
2.2.5 傳感器的瞬態響應 21
2.2.6 傳感器元件的動態模型 22
2.2.7 平均失效時間 24
2.2.8 不確定度 24
2.2.9 環境因素 26
2.3 傳感器的標定與校準 26
2.3.1 校準誤差 27
2.3.2 極限測試 27
2.3.3 加速壽命測試 28
2.3.4 改善傳感器性能的技術措施 29
思考題 30
第3章 位置與位移傳感器 32
3.1 電位式位置與位移傳感器 32
3.2 壓阻式位置與位移傳感器 34
3.3 電感式位置與位移傳感器 35
3.4 電容式位置與位移傳感器 37
3.4.1 變極距型 38
3.4.2 變面積型 39
3.4.3 變介質型 41
3.4.4 多電容傳感器 42
3.5 光學位置與位移傳感器 43
3.5.1 偏振光接近傳感器 43
3.5.2 棱鏡式和反射式傳感器 44
3.5.3 法布裏-珀羅傳感器 45
3.5.4 光纖布拉格光柵傳感器 45
3.5.5 光柵傳感器 46
3.5.6 光柵光電調制器 48
3.6 超聲波位置與位移傳感器 49
3.6.1 超聲波傳感器的工作原理 50
3.6.2 超聲波傳感器的測量方法 52
3.7 激光位置與位移傳感器 52
3.7.1 三角測量法 52
3.7.2 便攜式二維激光位移傳感器 53
3.7.3 激光反射式位移傳感器 53
3.8 磁性增量位置傳感器 54
3.8.1 磁柵式傳感器 54
3.8.2 磁致伸縮位移傳感器 56
3.9 厚度和液位傳感器 60
3.9.1 膜厚傳感器 60
3.9.2 低溫液位傳感器 61
3.10 角度測量 62
3.10.1 激光幹涉法測角原理 62
3.10.2 激光自準直法測角原理 62
3.10.3 光學內反射法測角原理 63
3.10.4 光電碼盤測角原理 63
思考題 65
第4章 機械參數傳感器 66
4.1 力傳感器 66
4.1.1 簡介 67
4.1.2 彈性敏感元件 68
4.1.3 電阻式壓力傳感器 68
4.1.4 壓阻式壓力傳感器 71
4.1.5 壓電式壓力傳感器 73
4.1.6 電容式壓力傳感器 77
4.2 扭矩傳感器 78
4.2.1 按信號/能源的傳遞方式分類 79
4.2.2 按檢測方法分類 81
4.3 轉速傳感器 82
4.3.1 常用的轉速測量方法 83
4.3.2 轉速傳感器的分類 83
思考題 89
第5章 流體傳感器 90
5.1 流體壓力傳感器 90
5.1.1 流體壓力的概念及單位 90
5.1.2 汞壓力傳感器 91
5.1.3 波紋管、薄膜和薄板 92
5.1.4 真空傳感器 93
5.2 流速傳感器 94
5.2.1 壓電式風速傳感器 94
5.2.2 熱傳輸流速傳感器 95
5.3 流量傳感器 100
5.3.1 流量的測量方法 101
5.3.2 差壓式流量計 101
5.3.3 速度式流量計 104
5.3.4 容積式流量計 105
5.3.5 流體振動式流量計 106
5.3.6 電磁流量計 107
5.3.7 超聲流量計 108
5.3.8 科裏奧利質量流量計 110
5.3.9 阻力式流量計 111
5.4 密度傳感器 112
5.4.1 電容式液體密度傳感器 112
5.4.2 射線式液體密度傳感器 113
5.4.3 超聲波式液體密度傳感器 113
5.4.4 諧振式液體密度傳感器 113
5.5 黏度傳感器 114
5.5.1 毛細管黏度計 114
5.5.2 落球黏度計 115
5.5.3 旋轉黏度計 115
5.5.4 振動黏度計 115
思考題 116
第6章 溫度傳感器 117
6.1 基本概念 117
6.1.1 溫度 117
6.1.2 溫度傳感器的類型 118
6.1.3 靜態熱交換 119
6.1.4 動態傳熱 120
6.1.5 溫度傳感器的結構 122
6.1.6 溫度傳感器響應信號的處理 123
6.2 熱敏電阻 124
6.2.1 NTC熱敏電阻的自熱效應 125
6.2.2 PTC熱敏電阻 127
6.3 熱電式傳感器 129
6.3.1 熱電定律 130
6.3.2 熱電偶電路 132
6.3.3 熱電偶組件 133
6.4 光學溫度傳感器 134
6.4.1 熒光傳感器 134
6.4.2 幹涉型傳感器 135
6.4.3 熱致變色傳感器 136
6.4.4 光纖溫度傳感器 136
思考題 137
第7章 濕度傳感器 138
7.1 濕度傳感器的概念 138
7.1.1 濕度 138
7.1.2 濕度傳感器 140
7.2 水分子親和力型濕度傳感器 142
7.2.1 電容式濕度傳感器 142
7.2.2 電解式濕度傳感器 144
7.2.3 半導體及陶瓷濕度傳感器 145
7.2.4 高分子聚合物濕度傳感器 147
7.3 非水分子親和力型濕度傳感器 148
7.3.1 電阻式濕度傳感器 148
7.3.2 熱傳導式濕度傳感器 149
7.3.3 紅外吸收式濕度傳感器 149
7.3.4 冷凝鏡光學濕度計 150
7.3.5 光學相對濕度傳感器 151
7.3.6 振蕩式濕度計 151
7.3.7 濕度電壓變送器 152
7.4 濕度傳感器的應用 152
7.4.1 土壤濕度測量 153
7.4.2 自動除濕器 154
7.4.3 房間濕度控制器 155
7.4.4 結露傳感器 155
思考題 156
第8章 化學與生物傳感器 157
8.1 化學傳感器 157
8.1.1 化學傳感器的基本概念 157
8.1.2 化學傳感器的分類 159
8.2 生物傳感器 172
8.2.1 生物傳感器的基本概念 173
8.2.2 生物傳感器的分類 174
8.3 化學與生物傳感器的發展方向 177
8.3.1 化學量微傳感器 178
8.3.2 多傳感器陣列 180
思考題 182
第9章 先進傳感器制造技術 183
9.1 MEMS 183
9.2 MEMS的特點 184
9.3 MEMS工藝 185
9.3.1 MEMS的材料選擇與工藝參數控制 185
9.3.2 MEMS制造工藝 185
9.3.3 MEMS封裝技術 189
9.4 MEMS陣列式傳感器的制造技術 194
9.5 MEMS傳感器的應用 197
9.5.1 MEMS傳感器在汽車上的應用 197
9.5.2 MEMS傳感器在醫學領域的應用 197
9.5.3 MEMS傳感器在消費電子領域的應用 198
思考題 199
第10章 執行器的技術理論基礎 200
10.1 概述 200
10.1.1 執行器的定義 200
10.1.2 執行器的功能 200
10.1.3 執行器的分類 201
10.2 驅動執行器的電力電子器件 202
10.2.1 功率二極管 202
10.2.2 雙極型晶體管 204
10.2.3 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管 207
10.2.4 晶閘管 208
10.3 常見執行器的驅動電路 209
思考題 210
第11章 常見的執行器 211
11.1 電動執行器 211
11.1.1 電磁學理論基礎 211
11.1.2 電動執行器概述 214
11.1.3 開關類電動執行器 215
11.1.4 電動機執行器 217
11.2 液壓執行器 226
11.2.1 液壓傳動簡介 226
11.2.2 液壓缸的分類及其結構特點 226
11.2.3 液壓馬達 230
11.3 氣動執行器 231
11.3.1 氣動執行器概述 231
11.3.2 氣動執行機構的結構 232
思考題 234
第12章 自動控制系統中的傳感器與執行器 236
12.1 概述 236
12.1.1 自動控制系統的架構設計 236
12.1.2 控制系統的性能指標 239
12.2 自動控制系統中的傳感器 240
12.2.1 傳感系統的發展趨勢 240
12.2.2 現場總線技術 241
12.2.3 分布式測量系統 241
12.2.4 物聯網傳感系統 242
12.3 自動控制系統中的執行器 245
12.3.1 開環執行器 246
12.3.2 閉環執行器 247
12.4 電動自行車的自動控制系統案例 248
12.4.1 傳感器方案 248
12.4.2 執行器方案 249
12.4.3 系統架構 250
思考題 251
參考文獻 252