本教材以提高本科教育人才培養(yǎng)質(zhì)量、強化“三海一核”特色優(yōu)勢為原則,系統(tǒng)地介紹傳感器的基本知識,以傳感器的應(yīng)用為目標,同時配有傳感器在水聲工程中的應(yīng)用實例。包括傳感器的特性、彈性敏感元件的力學特性、應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、聲學傳感器、超聲波傳感器及水聲發(fā)射傳感器、聲矢量傳感器、光纖傳感器、智能傳感器、水下弱信號檢測系統(tǒng)、傳感器的校準等。本教材在每一章都配有適量的思考題與習題,在一些重點章節(jié)有應(yīng)用實例與分析。
傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門綜合技術(shù),是現(xiàn)代科學技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。隨著人類對神秘海洋中各種信息的深入研究,誕生出各種用途的水下聲學系統(tǒng),這些系統(tǒng)均以聲波作為水下信息的載體,因此,能夠有效探知水下信息的聲學傳感器則成為了水聲系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件。
本書遵循提高本科教育人才培養(yǎng)質(zhì)量、強化“三海一核”特色優(yōu)勢的原則,較全面地介紹水聲工程領(lǐng)域中經(jīng)常使用的聲學傳感器,系統(tǒng)地介紹聲學傳感器的基本原理和工作特性等。根據(jù)水聲學的原理,通過水下聲學傳感器的合理設(shè)計,可以將空氣介質(zhì)中使用的某些傳感器作為水下聲學傳感器的結(jié)構(gòu)部件之一,因此,與水下聲學傳感器有關(guān)的一些傳感器本書也做了介紹。作者從多年的傳感器技術(shù)等課程的教學和科研工作中體會到,學習傳感器技術(shù)的目的在于更好地將它們運用到科學研究和生產(chǎn)實踐中。所以,有必要將聲學傳感器的相關(guān)原理與實際應(yīng)用結(jié)合起來,給讀者一個較為系統(tǒng)而完整的聲學傳感器方面的應(yīng)用知識。本書在編寫過程中參考了國內(nèi)許多傳感器方面的優(yōu)秀教材。
全書共分為10章。前2章對傳感器技術(shù)進行基本概述,并給出傳感器的一些特性,包括傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性:第3章介紹聲學傳感器的基本理論,給出了聲學的基本物理量:第4章介紹傳感器常用的材料及基本的彈性敏感元件,包括電學功能材料、磁學功能材料、光學功能材料、熱學功能材料及特殊功能材料;第5章集中介紹水下聲矢量傳感器的基本工作原理和分類,給出了水下聲矢量測量系統(tǒng);第6章介紹電阻式傳感器的基本原理及測量電路,并給出具體的壓力傳感器和加速度傳感器實例: 第7章介紹壓電式傳感器的工作原理及其設(shè)計實例;第8章介紹三種工作原理的電容式傳感器及硅微電容式加速度傳感器;第9章著重介紹變磁阻式、互感式及電渦流式傳感器;第10章介紹超聲波的物理性質(zhì)、超聲波傳感器及其應(yīng)用。
哈爾濱工程大學的博士生李玥對本書插圖進行了整理并對全書進行了校對,在此深表謝意。
由于作者水平有限,不足之處在所難免,敬請讀者批評指正。
第1章 概述
1.1 傳感器的作用及其在水聲工程中的地位
1.2 傳感器的定義與組成
1.3 傳感器的分類
1.4 現(xiàn)代傳感器的發(fā)展動向
1.4.1 聲學量傳感器
1.4.2 力學量傳感器
1.4.3 光學量傳感器
1.5 傳感器的技術(shù)動向
1.5.1 集成化與智能化
1.5.2 微機械化和系統(tǒng)化
1.5.3 多樣化
1.5.4 擴大應(yīng)用領(lǐng)域
思考題與習題
第2章 傳感器的特性
2.1 傳感器靜態(tài)特性的一般知識
2.1.1 靜態(tài)特性的表示方法
2.1.2 靜態(tài)特性的求法
2.2 傳感器的主要靜態(tài)特性指標
2.2.1 測量范圍和量程
2.2.2 分辨力和閾值
2.2.3 靈敏度
2.2.4 遲滯
2.2.5 重復(fù)性
2.2.6 線性度
2.2.7 重復(fù)性
2.2.8 零漂及溫漂
2.3 傳感器的動態(tài)特性
2.3.1 動態(tài)特性的一般數(shù)學模型
2.3.2 傳遞函數(shù)和傳感器的頻率特性
2.3.3 傳感器的動態(tài)響應(yīng)及其動態(tài)特性指標
思考題與習題
第3章 聲學傳感器的基本理論
3.1 聲學基本量
3.2 聲學傳感器
3.2.1 電動式話筒
3.2.2 電容式話筒
3.2.3 駐極體式話筒
3.2.4 壓電式聲傳感器
3.2.5 振動傳感器
第4章 傳感器的材料及基本彈性敏感元件
4.1 傳感器的材料
4.1.1 電學功能材料
4.1.2 磁學功能材料
4.1.3 光學功能材料
4.1.4 熱功能材料
4.1.5 特殊功能材料
4.2 基本彈性敏感元件
4.2.1 彈性敏感元件的基本特性
4.2.2 彈性敏感元件的材料
4.2.3 彈性敏感元件的形式及其力學特性
4.2.4 常用彈性元件的設(shè)計與計算
第5章 水下聲矢量傳感器
5.1 水下聲矢量傳感器的工作原理
5.2 聲矢量傳感器
5.3 矢量水聽器的基本參數(shù)
5.4 聲接收器的分類
5.5 水下復(fù)合式矢量水聽器
5.5.1 壓差式矢量水聽器
5.5.2 復(fù)合式同振型矢量水聽器
5.6 水下聲矢量測量系統(tǒng)
第6章 電阻式傳感器
6.1 電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理
6.1.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)
6.1.2 結(jié)構(gòu)與分類
6.2 工作特性和主要參數(shù)
6.2.1 工作狀態(tài)和靈敏系數(shù)
6.2.2 橫向效應(yīng)和橫向效應(yīng)系數(shù)
6.2.3 應(yīng)變極限
6.2.4 零漂和蠕變
6.2.5 機械滯后
6.2.6 動態(tài)特性
6.3 溫度誤差及其補償
6.3.1 溫度誤差
6.3.2 溫度補償
6.4 測量電路
6.4.1 電橋的主要特性
6.4.2 單臂工作電橋的非線性誤差及差動電橋
6.4.3 應(yīng)變片的串聯(lián)與并聯(lián)式接線法
6.5 電阻應(yīng)變式傳感器
6.5.1 電阻應(yīng)變式力傳感器
6.5.2 電阻應(yīng)變式壓力傳感器
6.5.3 電阻應(yīng)變式加速度傳感器
6.6 半導體應(yīng)變片及壓阻傳感器
6.6.1 壓阻效應(yīng)及半導體應(yīng)變片
6.6.2 壓阻式壓力傳感器
6.6.3 壓阻式加速度傳感器
第7章 壓電式傳感器
7.1 壓電效應(yīng)
7.2 壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式
7.3 測量電路
7.4 壓電式加速度傳感器
7.4.1 壓電材料及其等效電路
7.4.2 一維壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)
7.4.3 壓電加速度傳感器的工作原理
7.4.4 加速度傳感器的頻率特性
7.5 三維加速度傳感器的工作原理
7.6 加速度傳感器參量與聲學物理量的關(guān)系
思考題與習題
第8章 電容式傳感器
8.1 電容式傳感器的工作原理
8.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式
8.2.1 變間隙式敏感元件
8.2.2 變面積電容式敏感元件
8.2.3 變介電常數(shù)電容式敏感元件
8.2.4 電容式敏感元件的等效電路
8.2.5 差動電容式傳感器
8.3 硅微電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式
思考題與習題
第9章 電感應(yīng)式傳感器
9.1 變磁阻式傳感器
9.1.1 變氣隙式自感傳感器
9.1.2 變面積式自感傳感器
9.1.3 螺管式自感傳感器
9.2 互感式傳感器
9.2.1 結(jié)構(gòu)與類型
9.2.2 工程原理
9.3 電渦流式傳感器
9.3.1 工作原理
9.3.2 結(jié)構(gòu)類型及線圈參數(shù)對性能的影響
第10章 超聲波傳感器
10.1 超聲波及其物理性質(zhì)
10.1.1 聲波的波形及其轉(zhuǎn)換
10.1.2 超聲波的反射與折射
10.1.3 超聲波傳播過程中的衰減
10.2 超聲波傳感器
10.2.1 厚度振動換能器
10.2.2 圓柱形壓電換能器
10.2.3 復(fù)合棒壓電換能器
10.2.4 壓電陶瓷雙疊片彎曲振動換能器
10.3 超聲波傳感器應(yīng)用舉例
思考題與習題
參考文獻