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第1章光、机、电一体化技术发展概况1

1.1 概念的提出1

1.2 光机电一体化的发展过程1

第1篇总论1

1.3 光机电一体化产品的应用范围4

1.4 光机电一体化的发展趋势4

第2章光、机、电一体化的技术构成6

2.1 机械本体6

2.1.1 对机械本体的要求6

2.1.2 精密机械传动机构7

2.2 传感技术7

2.2.1 传感器的构成7

2.2.2 传感器分类7

2.3.2 数据处理的类型8

2.3.3 信息的生成采集和系统的输入输出8

2.3 信息处理技术8

2.3.1 信息处理的工具8

2.3.4 信息存储9

2.3.5 数据库系统9

2.3.6 信息的传输和计算机网络9

2.3.7 计算机信息处理的结构10

2.4 驱动技术10

2.4.1 精度位置控制执行器10

2.4.2 步进电机或电机控制的定量液动机10

2.4.3 液压扭矩放大器11

2.4.4 电液伺服阀11

2.4.5 步进电机驱动技术11

2.5 接口技术11

2.5.2 接口的基本功能12

2.5.1 接口分类12

2.5.3 接口的基本结构13

2.6 软件与综合技术13

2.6.1 系统软件13

2.6.2 应用软件14

2.6.3 软件的发展14

2.6.4 软件开发技术15

第3章光、机、电的融合方式16

3.1 机械本体上加入光电器件16

3.2 光电器件代替原来的机械式控制部分16

3.3 机械式信息处理机被光电技术全部代替17

3.4 机械部分比较简单，以光、电部分为主开发的光机电产品17

第4章光、机、电一体化对产品性能的影响18

1.2 传感器的组成和分类20

1.2.2 分类20

1.2.1 组成20

1.1 传感器的定义20

第1章传感器概论20

第2篇机电测量及传感器20

1.3 传感器技术的发展方向21

1.4 传感器性能名词术语22

1.5 传感器的特性22

1.5.1 输入信号特性23

1.5.2 静态特性23

1.5.3 动态特性24

1.6 传感器的选用原则27

第2章弹性敏感元件29

2.1 弹性敏感元件基本特性29

2.1.1 弹性特性29

2.1.2 弹性滞后29

2.2 弹性敏感元件的材料30

2.1.5 品质因数30

2.1.3 弹性后效和蠕变30

2.1.4 固有振动频率30

2.3 弹性敏感元件的形式和力学特性31

2.4 弹性敏感元件设计计算32

第3章电阻式传感器35

3.1 电阻应变片式传感器产品35

3.1.1 应变式力传感器和称重传感器35

3.1.2 应变式压力传感器38

3.1.3 应变式加速度传感器39

3.2 电位计式传感器39

3.2.1 线绕电位器结构和工作原理39

3.2.2 线绕电位器传感器的阶梯特性、分辨率和误差39

3.2.3 非线绕式电位器40

3.2.4 电位器式传感器41

4.1.1 基本原理42

4.1.2 电容式传感器的种类42

第4章电容式传感器42

4.1 电容式传感器原理42

4.1.3 电容式传感器的等效电路45

4.2 电容式传感器的测量电路45

4.2.1 运算放大器式电路45

4.2.2 电桥电路46

4.2.3 调频电路46

4.2.4 谐振电路46

4.2.5 二极管T型网络47

4.2.6 脉冲宽度调制电路47

4.3 电容传感器影响精度的因素48

4.3.1 温度48

4.3.2 漏电阻48

4.4.1 电容式加速度传感器49

4.4 电容式传感器产品49

4.3.3 边缘效应与寄生参量49

4.4.2 电容式压力传感器50

4.4.3 电容式称重传感器51

4.4.4 电容式物位和厚度传感器51

4.5 电容式接近开关51

第5章变磁阻式电感传感器53

5.1 变磁阻式电感传感器原理53

5.1.1 基本原理53

5.1.2 变磁阻式电感传感器的种类和等效电路53

5.2 变磁阻式电感传感器的结构类型和输出特性54

5.2.1 变气隙变磁阻电感传感器54

5.2.2 螺管式变磁阻电感传感器55

5.3 变磁阻式电感传感器测量电路56

5.4.1 具有铁心和小气隙的电感线圈的设计要点57

5.4.2 差动螺管式线圈的设计要点57

5.4 主要参数设计57

5.5 影响传感器精度的因素分析58

5.5.1 电源电压和频率的波动58

5.5.2 温度变化的影响58

5.5.3 非线性特性58

5.5.4 输出电压与电源电压之间的相位差58

5.5.5 零位误差58

5.6 变磁阻式电感传感器的应用59

5.6.1 电感式位移传感器59

5.6.2 电感式压力传感器59

5.6.3 电感式接近开关59

5.6.4 压磁式传感器60

5.7 差动变压器式传感器61

5.7.1 差动变压器式传感器原理61

5.7.2 结构类型和基本特性62

5.7.3 测量电路64

5.7.4 差动变压器式传感器产品66

5.8 电涡流式传感器67

5.8.1 电涡流式传感器种类和原理67

5.8.2 电涡流式传感器测量电路68

5.8.3 电涡流式传感器产品69

第6章压电式传感器70

6.1 压电式传感器原理70

6.1.1 压电效应70

6.1.2 压电常数71

6.2 压电元件结构形式和等效电路72

6.3 压电材料72

6.3.1 压电晶体72

6.3.2 压电陶瓷73

6.4 压电式传感器测量电路73

6.4.1 电压放大器73

6.4.2 电荷放大器74

6.5 压电式传感器的误差75

6.5.1 横向灵敏度及其所引起的误差75

6.5.2 温度影响75

6.5.3 湿度、磁场和声场75

6.5.4 电缆噪声75

6.6 压电式传感器产品76

6.6.1 压电式加速度传感器76

6.6.2 压电式力传感器77

6.6.3 压电式压力传感器78

第7章磁电式传感器80

7.1 磁电式传感器原理80

7.1.1 基本原理80

7.1.2 磁电式传感器的类型和结构80

7.3 设计要点82

7.2.2 频率响应特性82

7.2 磁电式传感器特性82

7.2.1 灵敏度82

7.4 磁电式传感器测量电路83

7.4.1 积分电路83

7.4.2 微分电路83

7.5 磁阻式传感器误差84

7.5.1 温度误差84

7.5.2 永久磁铁的不稳定性误差84

7.5.3 磁电式传感器的非线性误差84

7.6 磁电式传感器产品84

8.1.2 压阻系数86

8.2 压阻传感器材料和结构类型86

8.2.1 单晶硅敏感元件86

8.1.1 压阻效应86

8.1 压阻式传感器原理86

第8章固态压阻式传感器86

8.2.2 结构类型87

8.3 压阻传感器温度漂移87

8.4 压阻传感器测量电路88

8.5 压阻式传感器产品89

8.6.2 半导体应变计的种类90

8.6.1 半导体应变计工作原理90

8.6 半导体应变计90

8.6.3 半导体应变计特性91

8.6.4 半导体应变计的补偿91

8.6.5 半导体应变计产品92

8.7 薄膜应变片传感器92

8.7.1 薄膜应变片原理92

8.7.2 薄膜应变片结构特点93

8.7.3 薄膜应变片的种类93

8.8.1 厚膜应变片原理94

8.8 厚膜应变片传感器94

8.7.4 薄膜应变片压力传感器94

8.8.2 厚膜应变片式传感器95

第9章霍尔式传感器97

9.1 霍尔效应97

9.2 霍尔元件的材料和结构类型98

9.2.1 材料98

9.2.2 结构类型98

9.3 霍尔元件技术参数98

9.4 测量电路99

9.5 霍尔元件的测量误差和补偿方法99

9.5.1 零位误差及其补偿方法99

9.5.2 温度误差及其补偿方法99

9.6 霍尔式传感器产品101

9.7.1 磁阻效应102

9.7 磁敏电阻器102

9.7.2 磁敏电阻的结构103

9.8 磁敏二极管和磁敏三极管103

9.8.1 磁敏二极管103

9.8.2 磁敏三极管105

9.8.3 磁敏式晶体管的应用105

第10章热电式传感器107

10.1 热电偶107

10.1.1 热电偶原理107

10.1.2 热电偶的材料和结构类型108

10.1.3 热电偶冷端温度及其补偿109

10.1.4 热电偶的测量线路112

10.1.5 热电偶的传热误差和动态误差114

10.1.6 热电偶产品115

10.2 热电阻和热敏电阻116

10.2.1 金属热电阻116

10.2.2 半导体热敏电阻117

11.1 谐振式传感器基本原理121

11.1.1 基本原理121

第11章谐振式传感器121

11.1.2 品质因数122

11.1.3 分类和设计要点122

11.2 振弦式传感器123

11.2.1 工作原理与激励方式123

11.2.2 振弦的固有频率与输出特性124

11.2.3 振弦式传感器应用举例125

11.3 振筒式压力传感器126

11.4 振膜式传感器126

11.5 振梁式传感器126

11.6 压电式谐振传感器127

11.7 谐振梁式差压传感器128

11.8 硅微结构谐振式传感器128

12.1 概述130

第12章数字式传感器130

12.2 编码器131

12.2.1 角度数字编码器131

12.2.2 直线位移编码器138

12.3 位移－数字传感器139

12.3.1 编码技术139

12.3.2 模－数（A/D）转换技术141

12.3.3 电压频率（V/f）转换技术142

12.4 角度－数字传感器143

12.4.1 光电编码器143

12.4.2 应用实例144

12.4.3 性能参数144

12.5 感应同步器145

12.5.1 感应同步器的工作原理145

12.5.2 感应同步器的种类146

12.5.3 感应同步器的结构148

12.5.4 感应同步器的误差消除149

12.5.5 感应同步器的典型应用150

第13章特殊传感器154

13.1 陀螺传感器154

13.1.1 陀螺的工作原理154

13.1.2 微动同步器的工作原理156

13.2 磁栅传感器157

13.2.1 磁栅传感器的结构与工作原理158

13.2.2 数字测量原理159

13.2.3 影响磁栅传感器性能的有关因素159

13.3 红外辐射传感器160

13.3.1 红外辐射的物理基础160

13.3.2 常见红外传感器162

13.3.3 红外传感器的性能参数164

13.3.4 红外辐射检测技术的应用165

13.4 核辐射传感器171

13.4.1 核辐射的基本特性171

13.4.2 核辐射传感器175

13.4.3 核辐射传感器的应用177

13.4.4 核辐射传感器的误差178

13.5 放射性的保护179

第14章国内外新型传感器产品简介180

14.1 国外部分典型传感器180

14.1.1 应变计180

14.1.2 测力（称重）传感器185

14.1.3 加速度传感器188

14.1.4 压力传感器190

14.2 国内部分传感器192

14.2.1 位移传感器192

14.2.2 力、称重传感器200

14.2.3 压力传感器210

14.2.4 加速度传感器218

14.2.5 压电晶体与压电陶瓷221

第3篇光电测量与传感器229

第1章光电测量与传感器229

1.1 光的传播描述与量度229

1.1.1 光线的传播与成像229

1.1.2 光的波动性与粒子性230

1.1.3 光的干涉与干涉仪231

1.1.4 光的衍射与衍射光栅236

1.1.5 光的偏振与偏振器件241

1.1.6 光辐射的度量243

1.1.7 光辐射基本定律和公式245

1.1.8 光辐射测量仪器246

1.2.1 光源的基本特性参数250

1.2 光辐射源250

1.2.2 热辐射光源252

1.2.3 气体放电光源254

1.2.4 固体发光光源256

1.2.5 激光光源260

1.3 光辐射探测器件264

1.3.1 分类264

1.3.2 光电转换的原理265

1.3.3 特性参数与噪声269

1.3.4 光电子发射型探测器272

1.4 光电探测技术286

1.4.1 光电探测技术中的光学系统286

1.4.2 光电变换的基本形式289

1.4.3 光电检测电路设计292

1.4.4 非相干时变光信号的直接探测方法301

1.4.5 非相干时变光信号的调制探测方法308

1.4.6 光学目标的空间定位技术312

1.4.8 相干光信号的强度调制与探测技术322

1.4.9 相干光信号的相位调制及探测技术324

1.4.1 0相干光信号的频率、波长调制与探测技术330

1.5 光电典型测量系统334

1.5.1 光电尺寸检测系统334

1.5.2 光电轮廓检测系统343

1.5.3 光电图像检测系统345

1.5.4 光电位移检测系统347

1.5.5 光电速度检测系统350

1.5.6 光电色度测量仪器356

1.5.7 光电表面粗糙度检测系统361

1.5.8 光热探测应用系统364

1.5.9 光电编码器及其应用373

1.5.10 光弹测力系统378

2.1 光纤的结构与性能381

2.1.1 光纤的结构与分类381

第2章光纤测量与传感器381

2.1.2 光纤中光传输描述384

2.1.3 光纤的光学性能386

1.4.7 光学图像的扫描技术388

2.1.4 光纤的物理化学性能390

2.2 光纤参数测量391

2.2.1 光纤衰减测量391

2.2.2 光纤色散的测量395

2.2.3 基带测量398

2.2.4 光纤截止波长测量399

2.2.5 模场直径的测量402

2.2.6 光纤偏振特性测量404

2.2.7 折射率分布测量409

2.2.8 光纤数值孔径的测量411

2.2.9 光纤几何尺寸的测量413

2.3 光纤传感技术原理415

2.3.1 光纤强度调制传感原理415

2.3.2 光纤位相调制传感原理420

2.3.3 光纤偏振调制传感原理423

2.3.4 光纤波长调制传感原理424

2.3.5 光纤频率调制传感原理427

2.4 光纤信号检测方法427

2.4.1 光纤强度信号检测方法427

2.4.2 光纤位相信号检测方法428

2.4.3 光纤波长信号检测方法431

2.4.4 光纤频率信号检测方法432

2.4.5 光纤偏振信号检测方法433

2.5 光纤机械量传感器433

2.5.1 位移传感器433

2.5.2 压力传感器436

2.5.3 振动传感器440

2.5.4 形变传感器443

2.5.5 加速度传感器445

2.5.6 转角传感器446

2.6 光纤温度传感器448

2.6.1 辐射式温度传感器448

2.6.2 吸收式温度传感器449

2.6.3 荧光式温度传感器450

2.6.4 热色式温度传感器451

2.6.5 分布式温度传感器452

2.6.6 反射式温度传感器454

2.6.7 光功率振动光纤温度传感器455

2.6.8 光纤偏振温度传感器457

2.6.9 自辐射式温度传感器458

2.6.10 干涉型温度传感器459

2.7.1 液位传感器460

2.7 光纤液体传感器460

2.7.2 浓度传感器461

2.7.3 流量流速传感器465

2.7.4 远距离液漏传感器466

2.8 光纤电磁量传感器467

2.8.1 磁场传感器467

2.8.2 光纤电压传感器471

2.8.3 电流传感器472

2.8.4 电磁场传感器474

2.9 光纤化学量传感器476

2.9.1 光纤气体成分含量传感器476

2.9.2 光纤pH值传感器480

2.9.3 光纤乙醇含量传感器482

2.9.4 光纤放射线传感器483

2.10.2 光纤血流速、血流量传感器485

2.10.1 光纤血红蛋白传感器485

2.10 光纤物医学传感器485

2.10.3 光纤血压传感器487

2.10.4 光纤脉象传感器487

2.10.5 光纤血色素传感器489

2.10.6 光纤心血管参量传感器489

2.10.7 光纤内窥镜491

2.11 其他类型光纤传感器491

2.11.1 光纤图像传感器491

2.11.2 光纤光颜色分析系统493

2.11.3 光纤陀螺仪497

2.11.4 光纤表面粗糙度传感器500

2.11.5 光纤工业电视506

第3章激光测量与传感器511

3.1 激光的形成和特性511

3.1.1 激光的基本特性511

3.1.2 激光的形成与模式512

3.1.3 激光工作物质514

3.1.4 泵浦516

3.1.5 谐振腔517

3.1.6 激光束的传播与变换518

3.2 激光参数与性能522

3.2.1 激光脉冲波形测量522

3.2.2 激光测量与功率测量525

3.2.3 激光束空间分布参数测量528

3.2.4 激光波长与线宽测量530

3.2.5 激光频率稳定性测量534

3.3 激光的非线性光线效应与调制技术535

3.3.1 激光非线性频率变换技术535

3.3.2 激光调制540

3.3.3 激光偏转547

3.3.4 激光选模技术550

3.4 激光干涉测量仪器551

3.4.1 基本组成和形成551

3.4.2 光源选择552

3.4.3 干涉系统的结构552

3.4.4 信号接收与处理557

3.4.5 激光干涉测长仪557

3.4.6 激光比长干涉仪558

3.4.7 激光精密定位干涉仪559

3.4.8 激光丝杆动态测量干涉仪559

3.4.9 激光平面干涉仪560

3.4.10 激光球面干涉仪560

3.4.11 激光共模抑制表面轮廓仪560

3.4.12 激光地震仪562

3.4.13 激光应变仪562

3.4.14 激光干涉测振仪563

3.4.15 激光干涉测角仪565

3.4.16 大位移纳米级精度分子测量机567

3.4.17 激光外差干涉仪570

3.5 激光测距仪571

3.5.1 相位式激光测距仪571

3.5.2 脉冲式激光测距仪574

3.5.3 远距离反馈式测距仪575

3.6 激光测速仪器576

3.6.1 激光多普勒流速仪576

3.6.2 激光干涉测速仪577

3.6.3 激光散斑测速仪578

3.6.4 激光多普勒转速仪578

3.6.5 激光陀螺579

3.6.6 多普勒效应光栅测量仪580

3.6.7 激光多普勒测速仪582

3.7.1 激光衍射测径仪584

3.7 激光测径仪584

3.7.2 激光扫描测径仪586

3.7.3 投影放大法激光测径仪587

3.7.4 能量比较法激光测径仪588

3.7.5 CCD激光测径仪588

3.7.6 散射干涉法激光测径仪590

3.8 激光准直仪器591

3.8.1 准直原理与结构591

3.8.2 激光不直度测量594

3.8.3 激光偏心度测量594

3.8.4 准直测量的其他应用595

3.9 激光散斑测量仪器597

3.9.1 散斑原理597

3.9.2 激光散斑测量表面粗糙度598

3.9.4 岩石弹性参数测量的激光散斑技术599

3.9.3 激光散斑检测圆柱内孔质量599

3.10 激光光谱分析仪器601

3.10.1 激光微区光谱仪601

3.10.2 激光吸收式光谱仪601

3.10.3 激光光声光谱仪603

3.10.4 激光光热偏转光谱仪611

3.10.5 激光荧光光谱仪612

3.10.6 激光喇曼光谱仪614

3.10.7 激光反斯托克斯光谱仪615

3.10.8 瞬态红外激光光谱装置616

3.11 激光全息计量仪器617

3.11.1 全息计量原理617

3.11.2 激光全息内孔尺寸测量仪618

3.11.3 激光全息表面粗糙度测量仪619

3.11.4 应用三干涉图法测物体变形全信息620

3.11.5 冲床动态激光全息分析仪623

3.12 激光加工技术624

3.12.1 激光与物质互作用625

3.12.2 影响的因素626

3.12.3 激光焊接628

3.12.4 激光打孔631

3.12.5 激光平衡633

3.12.6 激光切割633

3.12.7 激光热处理635

3.12.8 激光加工在电子元件中的应用636

3.12.9 激光扫平637

3.13 激光其他应用技术和传感器638

3.13.1 激光光镊效应638

3.13.2 激光CT技术638

3.13.3 激光条形码扫描器640

3.13.4 激光在医疗技术中应用642