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新型传感技术及应用(第3版)


作者:
樊尚春 刘广玉
定价:
45.70 元
版面字数:
560千字
开本:
16开
装帧形式:
平装
版次:
3
最新版次
印刷时间:
2022年
ISBN:
978-7-04-058599-5
物料号:
58599-00
出版时间:
2022-07-13
读者对象:
高等教育
一级分类:
电气/电子信息/自动化类
二级分类:
电气/自动化专业课
三级分类:
传感器与检测技术

传感器在当代科学技术中占有十分重要的地位,所有以计算机为基础的自动化、智能化系统,都需要传感器提供赖以做出实时决策的数据。近年来传感器技术发展非常迅速,非常明显的发展趋势是:沿用传统的作用原理和某些新效应,优先使用晶体材料,采用微机械加工工艺和微电子技术,从传统的结构设计转向微机械加工工艺的微结构设计,制各种新型传感器及传感器系统,以满足体积、质量、功耗及动、静态特性等方面的要求。

本教材正是基于这一发展趋势构思、选材编著的。本教材简要介绍了新型传感技术的发展趋势、传感技术中的一些共性基础问题;重点介绍了传感器技术中采用的先进材料、以硅材料为重点的先进制造技术;重点介绍了一些具有代表性的传感器敏感结构的建模和模拟计算方法;介绍了多类具有代表性的传感器的检测原理及应用。

本教材可作为仪器科学与技术、控制科学与工程、机械工程等领域的高年级本科生、研究生的教材,也可供有关的工程技术人员参考。

  • 目录
    • 文前辅文
      • 第1章 绪论
        • 1.1 传感器的作用
          • 1.2 新型传感技术的发展
            • 1.2.1 新原理、新材料和新工艺的发展
              • 1.2.2 微型化、集成化、多功能和智能化发展
                • 1.2.3 多传感器融合与网络化发展
                  • 1.2.4 量子传感技术的快速发展
                  • 1.3 传感器的分类与命名
                    • 1.4 传感器技术的特点
                      • 1.5 本教材的特点及主要内容
                        • 1.6 传感技术领域的学术交流
                          • 习题与思考题
                          • 第2章 传感器的特性
                            • 2.1 传感器静态特性的描述
                              • 2.2 传感器的主要静态性能指标
                                • 2.3 传感器动态特性的描述
                                  • 2.3.1 时域动态特性方程
                                    • 2.3.2 频域动态特性方程
                                    • 2.4 传感器的动态响应与性能指标
                                      • 2.4.1 时域动态响应与性能指标
                                        • 2.4.2 频域动态响应与性能指标
                                        • 2.5 加速度传感器动态特性测试及改进
                                          • 2.6 传感器噪声及其减小的方法
                                            • 2.6.1 传感器噪声产生的原因
                                              • 2.6.2 传感器的信噪比
                                                • 2.6.3 传感器低噪声化的方法
                                                • 习题与思考题
                                                • 第3章 传感器与敏感材料
                                                  • 3.1 概述
                                                    • 3.2 硅材料
                                                      • 3.2.1 单晶硅
                                                        • 3.2.2 多晶硅
                                                          • 3.2.3 碳化硅(SiC)
                                                            • 3.2.4 氧化硅和氮化硅
                                                            • 3.3 化合物半导体材料
                                                              • 3.4 压电材料
                                                                • 3.4.1 压电效应
                                                                  • 3.4.2 压电石英晶体
                                                                    • 3.4.3 压电陶瓷
                                                                      • 3.4.4 聚偏二氟乙烯薄膜
                                                                        • 3.4.5 氧化锌(ZnO)压电薄膜
                                                                        • 3.5 磁致伸缩材料
                                                                          • 3.6 形状记忆合金
                                                                            • 3.7 熔凝石英
                                                                              • 3.8 光导纤维
                                                                                • 3.9 弹性合金
                                                                                  • 3.9.1 Ni基弥散硬化恒弹合金
                                                                                    • 3.9.2 马氏体弥散硬化合金
                                                                                    • 3.10 纳米材料
                                                                                      • 3.11 石墨烯材料
                                                                                        • 习题与思考题
                                                                                        • 第4章 传感器的制造和封装技术
                                                                                          • 4.1 概述
                                                                                            • 4.2 硅微加工技术
                                                                                              • 4.2.1 体型微加工技术
                                                                                                • 4.2.2 表面微加工技术
                                                                                                • 4.3 LIGA技术与SLIGA技术
                                                                                                  • 4.3.1 LIGA技术
                                                                                                    • 4.3.2 SLIGA技术
                                                                                                    • 4.4 特种精密加工技术
                                                                                                      • 4.5 封装技术
                                                                                                        • 4.5.1 技术要求
                                                                                                          • 4.5.2 阳极键合
                                                                                                            • 4.5.3 Si-Si直接键合
                                                                                                              • 4.5.4 玻璃封接键合
                                                                                                                • 4.5.5 金属共熔键合
                                                                                                                  • 4.5.6 冷压焊键合
                                                                                                                  • 习题与思考题
                                                                                                                  • 第5章 传感器建模的力学基础
                                                                                                                    • 5.1 概述
                                                                                                                      • 5.2 弹性体的应力
                                                                                                                        • 5.2.1 直角坐标系中的应力平衡方程
                                                                                                                          • 5.2.2 直角坐标系中弹性体边界上的应力平衡方程
                                                                                                                            • 5.2.3 平面极坐标系中的应力平衡方程
                                                                                                                              • 5.2.4 不同坐标系中应力之间的变换关系
                                                                                                                                • 5.2.5 应力的摩尔圆(Mohr〖WTBZ〗〖HTXH〗s circle)
                                                                                                                                • 5.3 弹性体的应变
                                                                                                                                  • 5.3.1 直角坐标系中的几何方程
                                                                                                                                    • 5.3.2 圆柱体坐标系中的几何方程
                                                                                                                                      • 5.3.3 平面极坐标系中的几何方程
                                                                                                                                        • 5.3.4 圆柱壳坐标系中的几何方程
                                                                                                                                          • 5.3.5 球壳坐标系中的几何方程
                                                                                                                                            • 5.3.6 大挠度下的几何方程
                                                                                                                                              • 5.3.7 不同坐标系中应变之间的关系
                                                                                                                                              • 5.4 弹性体的物理方程
                                                                                                                                                • 5.5 弹性体的能量方程
                                                                                                                                                  • 5.5.1 弹性体的弹性势能
                                                                                                                                                    • 5.5.2 弹性体外力的功
                                                                                                                                                      • 5.5.3 虚功原理
                                                                                                                                                        • 5.5.4 弹性体的动能
                                                                                                                                                          • 5.5.5 弹性体初始内力引起的附加弹性势能
                                                                                                                                                            • 5.5.6 弹性体的能量泛函原理
                                                                                                                                                              • 5.5.7 Hamilton原理
                                                                                                                                                                • 5.5.8 Ritz法
                                                                                                                                                                • 5.6 弹性体的主要边界条件
                                                                                                                                                                  • 习题与思考题
                                                                                                                                                                  • 第6章 传感器的建模
                                                                                                                                                                    • 6.1 弹性圆柱体(杆)的建模
                                                                                                                                                                      • 6.1.1 受轴向力的圆柱体
                                                                                                                                                                        • 6.1.2 圆柱体拉伸振动的固有频率
                                                                                                                                                                          • 6.1.3 受扭矩的圆柱体
                                                                                                                                                                            • 6.1.4 圆柱体扭转振动的固有频率
                                                                                                                                                                              • 6.1.5 弹性杆弯曲振动的固有频率
                                                                                                                                                                                • 6.1.6 弹性弦丝振动的固有频率
                                                                                                                                                                                • 6.2 梁的建模
                                                                                                                                                                                  • 6.2.1 受法向力的悬臂梁
                                                                                                                                                                                    • 6.2.2 受轴向力的双端固支梁
                                                                                                                                                                                    • 6.3 圆平膜片的建模
                                                                                                                                                                                      • 6.3.1 圆平膜片的小挠度变形
                                                                                                                                                                                        • 6.3.2 圆平膜片的大挠度变形
                                                                                                                                                                                          • 6.3.3 圆平膜片的弯曲振动
                                                                                                                                                                                            • 6.3.4 算例与分析
                                                                                                                                                                                            • 6.4 矩形(方)平膜片的建模
                                                                                                                                                                                              • 6.4.1 矩形(方)平膜片的小挠度变形
                                                                                                                                                                                                • 6.4.2 矩形(方)平膜片的大挠度变形
                                                                                                                                                                                                  • 6.4.3 方平膜片的弯曲振动
                                                                                                                                                                                                    • 6.4.4 算例与分析
                                                                                                                                                                                                      • 6.4.5 方平膜片的边界结构参数
                                                                                                                                                                                                      • 6.5 波纹膜片的建模
                                                                                                                                                                                                        • 6.5.1 受均布压力的波纹膜片
                                                                                                                                                                                                          • 6.5.2 受集中力的波纹膜片
                                                                                                                                                                                                            • 6.5.3 算例与分析
                                                                                                                                                                                                            • 6.6 E形圆膜片的建模
                                                                                                                                                                                                              • 6.6.1 基本方程
                                                                                                                                                                                                                • 6.6.2 受集中力的E形圆膜片
                                                                                                                                                                                                                  • 6.6.3 受均布压力的E形圆膜片
                                                                                                                                                                                                                    • 6.6.4 算例与分析
                                                                                                                                                                                                                    • 6.7 带有顶盖的圆柱壳的建模
                                                                                                                                                                                                                      • 6.7.1 基本方程
                                                                                                                                                                                                                        • 6.7.2 圆柱壳环单元的有限元列式
                                                                                                                                                                                                                          • 6.7.3 算例与分析
                                                                                                                                                                                                                          • 6.8 顶端开口的圆柱壳的建模
                                                                                                                                                                                                                            • 6.8.1 近似解析解
                                                                                                                                                                                                                              • 6.8.2 底端约束的特征
                                                                                                                                                                                                                              • 6.9 半球壳的建模
                                                                                                                                                                                                                                • 6.9.1 半球壳的弯曲振动
                                                                                                                                                                                                                                  • 6.9.2 半球壳的振型进动特性
                                                                                                                                                                                                                                    • 6.9.3 半球壳的耦合振动
                                                                                                                                                                                                                                    • 习题与思考题
                                                                                                                                                                                                                                    • 第7章 硅电容式集成传感器
                                                                                                                                                                                                                                      • 7.1 概述
                                                                                                                                                                                                                                        • 7.2 硅电容式集成压力传感器
                                                                                                                                                                                                                                          • 7.2.1 原理结构
                                                                                                                                                                                                                                            • 7.2.2 敏感特性
                                                                                                                                                                                                                                            • 7.3 硅电容式集成压力传感器的接口电路
                                                                                                                                                                                                                                              • 7.3.1 开关-电容接口电路
                                                                                                                                                                                                                                                • 7.3.2 电容-频率接口变换电路
                                                                                                                                                                                                                                                • 7.4 硅电容式集成加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.4.1 零位平衡电容式加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                    • 7.4.2 基于组合梁的电容式加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.4.3 硅电容式三轴加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.5 硅电容式角速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                        • 习题与思考题
                                                                                                                                                                                                                                                        • 第8章 谐振式传感器
                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.1 概述
                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.2 谐振式传感器的基础理论
                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.2.1 基本结构
                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.2.2 闭环系统及其实现条件
                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.2.3 敏感机理
                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.2.4 谐振子的机械品质因数
                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.2.5 设计要点
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.2.6 特征与优势
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.3 谐振弦式压力传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.3.1 基本结构
                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.3.2 特性方程
                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.4 谐振膜式压力传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.4.1 基本结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.4.2 特性方程
                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.5 谐振筒式压力传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.5.1 简述
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.5.2 压电激励特性
                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.5.3 拾振信号的转换
                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.5.4 稳定的单模态自激系统的实现
                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.5.5 双模态的有关讨论
                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.6 石英振梁式加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.6.1 基本结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.6.2 特性方程
                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.7 谐振式角速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.7.1 压电激励谐振式圆柱壳角速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.7.2 静电激励半球谐振式角速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.8 谐振式直接质量流量传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.8.1 结构与工作原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.8.2 信号检测电路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.8.3 密度的测量
                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.8.4 双组分流体的测量
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.8.5 应用特点
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.9 硅微结构谐振式传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.9.1 简述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.9.2 硅微结构谐振式压力传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.9.3 谐振式硅微结构加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.9.4 输出频率的硅微机械陀螺
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.9.5 硅微结构谐振式质量流量传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.9.6 硅微结构谐振式传感器开环特性测试仪
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.10 石墨烯谐振式传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.10.1 石墨烯谐振器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.10.2 石墨烯制备工艺
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.10.3 石墨烯谐振式压力传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.10.4 石墨烯谐振式加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.10.5 石墨烯谐振式角速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.10.6 石墨烯谐振式质量传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.10.7 石墨烯谐振式传感器需要解决的技术难点
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 习题与思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 第9章 声表面波传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.1 概述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.2 表面波的基本理论
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.2.1 表面波的基本类型
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.2.2 声表面波的主要性质
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.3 声表面波叉指换能器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.3.1 叉指换能器的基本特性
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.3.2 叉指换能器的基本分析模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.4 声表面波谐振器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.5 SAW应变传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.6 SAW压力传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.6.1 结构与闭环实现
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.6.2 特性方程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.6.3 差动检测输出
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.7 SAW加速度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.7.1 特性方程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.7.2 动态特性分析
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.8 SAW流量传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.8.1 结构与原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.8.2 特性方程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.9 SAW气体传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.9.1 工作原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.9.2 薄膜与传感器特性之间的关系
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.10 SAW湿度传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 习题与思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 第10章 薄膜传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.1 概述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.2 薄膜应变式传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.2.1 工作原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.2.2 溅射薄膜应变片及传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.2.3 蒸发薄膜应变片及传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.2.4 薄膜应变式传感器的特点
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.3 薄膜热敏传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.4 薄膜气敏传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.4.1 溅射SnO2气敏元件
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.4.2 等离子化学气相淀积SnO2气敏薄膜元件
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.4.3 稀土掺杂薄膜型气敏元件
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.5 薄膜磁敏传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 习题与思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 第11章 磁传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 11.1 概述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 11.2 磁传感器的工作原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 11.2.1 基本效应
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 11.2.2 霍尔效应
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 11.2.3 磁阻效应
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 11.2.4 量子力学电磁效应(超导体电磁效应)
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 11.3 霍尔元件与霍尔传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 11.3.1 霍尔元件
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 11.3.2 霍尔传感器应用举例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 11.4 磁阻元件与传感器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 11.4.1 磁阻元件
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 11.4.2 磁阻式传感器应用举例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 11.5 硅谐振式磁传感器简介
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 习题与思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 部分习题与思考题参考答案
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 参考文献

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        相关图书