本書立足于對學生知識、能力、素質(zhì)全面培養(yǎng)的要求,充分考慮經(jīng)典傳感測試理論與現(xiàn)代測試方法的融合、測試技術與信息科學技術的融合,以測試流程為主線,圍繞工程測試系統(tǒng)的設計,著重介紹測試與傳感系統(tǒng)的基本知識,內(nèi)容主要包括: 測試系統(tǒng)的組成及基本特性、常用傳感器以及一些新型傳感器的原理及應用、信號變換與調(diào)理、信號分析與處理、現(xiàn)代測試技術。
本書注重體系結(jié)構(gòu)的完整性和科學性,內(nèi)容的先進性和新穎性,文字簡練,內(nèi)容充實,條理清晰,深淺適當,列舉大量的工程案例,突出工程應用,避免了繁雜的數(shù)學推導,便于教學和自學。
本書可作為儀器儀表類、機械類、自動化、物聯(lián)網(wǎng)、電子工程等相關專業(yè)的教材,亦可供高等學校相關教師和從事測試技術工作的工程技術人員參考。
叢 書 序 言
PREFACE
我曾提出過高等工程教育邊界再設計的想法,這個想法源于社會的反應。常聽到工業(yè)界人士提出這樣的話題: 大學能否為他們進行人才的訂單式培養(yǎng)。這種要求看似簡單、直白,卻反映了當前學校人才培養(yǎng)工作的一種尷尬: 大學培養(yǎng)的人才還不是很適應企業(yè)的需求,或者說畢業(yè)生的知識結(jié)構(gòu)還難以很快適應企業(yè)的工作。
當今世界,科技發(fā)展日新月異,業(yè)界需求千變?nèi)f化。為了適應工業(yè)界和人才市場的這種需求,也即是適應科技發(fā)展的需求,工程教學應該適時地進行某些調(diào)整或變化。一個專業(yè)的知識體系、一門課程的教學內(nèi)容都需要不斷變化,此乃客觀規(guī)律。我所主張的邊界再設計即是這種調(diào)整或變化的體現(xiàn)。邊界再設計的內(nèi)涵之一即是課程體系及課程內(nèi)容邊界的再設計。
技術的快速進步,使得企業(yè)的工作內(nèi)容有了很大變化。如從20世紀90年代以來,信息技術相繼成為很多企業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸,因此不少企業(yè)紛紛把信息化作為一項具有戰(zhàn)略意義的工作。但是業(yè)界人士很快發(fā)現(xiàn),在畢業(yè)生中很難找到這樣的專門人才。計算機專業(yè)的學生并不熟悉企業(yè)信息化的內(nèi)容、流程等,管理專業(yè)的學生不熟悉信息技術,工程專業(yè)的學生可能既不熟悉管理,也不熟悉信息技術。我們不難發(fā)現(xiàn),制造業(yè)信息化其實就處在某些專業(yè)的邊緣地帶。那么對那些專業(yè)而言,其課程體系的邊界是否要變?某些課程內(nèi)容的邊界是否有可能變?目前不少課程的內(nèi)容不僅未跟上科學研究的發(fā)展,也未跟上技術的實際應用。極端情況甚至存在有些地方個別課程還在講授已多年棄之不用的技術。若課程內(nèi)容滯后于新技術的實際應用好多年,則是高等工程教育的落后甚至是悲哀。
課程體系的邊界在哪里?某一門課程內(nèi)容的邊界又在哪里?這些實際上是業(yè)界或人才市場對高等工程教育提出的我們必須面對的問題。因此可以說,真正驅(qū)動工程教育邊界再設計的是業(yè)界或人才市場,當然更重要的是大學如何主動響應業(yè)界的驅(qū)動。
當然,教育理想和社會需求是有矛盾的,對通才和專才的需求是有矛盾的。高等學校既不能喪失教育理想、喪失自己應有的價值觀,又不能無視社會需求。明智的學;蚪處煻紤摱夷軌蛲ㄟ^合適的邊界再設計找到適合自己的平衡點。
我認為,長期以來,我們的高等教育其實是“以教師為中心”的。幾乎所有的教育活動都是由教師設計或制定的。然而,更好的教育應該是“以學生為中心”的,即充分挖掘、啟發(fā)學生的潛能。盡管教材的編寫完全是由教師完成的,但是真正好的教材需要教師在編寫時常懷“以學生為中心”的教育理念。如此,方得以產(chǎn)生真正的“精品教材”。
教育部高等學校機械設計制造及其自動化專業(yè)教學指導分委員會、中國機械工程學會與清華大學出版社合作編寫、出版了《中國機械工程學科教程》,規(guī)劃機械專業(yè)乃至相關課程的內(nèi)容。但是“教程”絕不應該成為教師們編寫教材的束縛。從適應科技和教育發(fā)展的需求而言,這項工作應該不是一時的,而是長期的,不是靜止的,而是動態(tài)的!吨袊鴻C械工程學科教程》只是提供一個平臺。我很高興地看到,已經(jīng)有多位教授努力地進行了探索,推出了新的、有創(chuàng)新思維的教材。希望有志于此的人們更多地利用這個平臺,持續(xù)、有效地展開專業(yè)的、課程的邊界再設計,使得我們的教學內(nèi)容總能跟上技術的發(fā)展,使得我們培養(yǎng)的人才更能為社會所認可,為業(yè)界所歡迎。
測試與傳感技術(第3版)
是以為序。
2009年7月
前言
FOREWORD
2016年,中國成為《華盛頓協(xié)議》第18個正式成員,這標志著中國高等教育邁入新的臺階。隨著教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的升級、工程教育專業(yè)認證的發(fā)展以及新工科的提出,將進一步推進中國工程教育改革,提高工程教育質(zhì)量,培養(yǎng)具有思想政治過硬、理論基礎扎實和工程實踐能力強的創(chuàng)新型應用人才,為建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務。
本教材貫徹“拓寬學科基礎”“夯實專業(yè)基礎”以及“理論與實踐緊密結(jié)合”的原則,立足于學生知識、能力、素質(zhì)全面培養(yǎng)的要求,以實際工程為背景,突出工程應用,注重體系結(jié)構(gòu)的完整性和科學性,內(nèi)容的先進性和新穎性,強化理論與實際融合、經(jīng)典與現(xiàn)代融合、測試技術與信息技術融合。編者總結(jié)了多年的教學經(jīng)驗和科研成果,充分借鑒國內(nèi)外同類優(yōu)秀教材以及相關文獻,編寫了體現(xiàn)工程教育特色的教材。該教材具有以下特點:
(1) 工程應用特色鮮明。本書在考慮了學生的學習認知過程的基礎上,貫徹機電結(jié)合、測控結(jié)合、理論與實踐結(jié)合及少而精的原則,加強工程背景,通過收錄大量的工程案例或者示例,將抽象的理論和分析方法融入實踐工程案例,力求抓住學生專業(yè)學習的動力點,培養(yǎng)學生獲取知識的能力。
(2) 注重知識技能的實用性和有效性。緊跟測試與感知技術領域的新理論、新技術和新方法,在理論知識夠用的前提下,反映測試技術的最新發(fā)展趨勢和水平,使讀者能夠全面學習和掌握信號感知、采集、處理及信號傳輸?shù)恼麄過程,培養(yǎng)學生運用知識點解決實際工程問題的能力和創(chuàng)新能力。
(3) 可讀性強。在內(nèi)容編排上力求精煉嚴謹,深淺適當,循序漸進,突出重點,避免了繁雜的數(shù)學推導,突出趣味性、可讀性,拓寬讀者的眼界,便于讀者理解、掌握和自學。
本書按照典型的測試系統(tǒng)所完成的測試過程安排內(nèi)容。全書共6章,第1章簡要介紹測試技術與傳感器技術的適用范圍及發(fā)展趨勢; 第2章討論測試系統(tǒng)的基本特性; 第3章介紹常用傳感器以及一些新型傳感器的原理及應用; 第4章介紹信號的變換及調(diào)理; 第5章介紹信號的分析與處理; 第6章針對現(xiàn)代測試技術進行了介紹。每個章節(jié)基本都配有實際的工程案例分析。
本書由沈艷編寫第1章1.1、1.4~1.5節(jié)、第2章、第5章5.2~5.3節(jié),陳亮編寫第3章、第1章1.2~1.3節(jié),楊平編寫第1章1.6~1.7節(jié)、第5章5.1節(jié)及附錄,章潔編寫第4章、第5章5.4節(jié),郭兵編寫第6章,全書由沈艷統(tǒng)稿。
本書由電子科技大學古天祥教授主審,他仔細審閱了書稿,提出了許多建設性意見和寶貴的建議。本教材在編寫過程中,得到電子科技大學習友寶教授、詹惠琴教授、李迅波教授的指導和幫助。同時,本書吸取了許多兄弟院校測試與傳感技術教材的優(yōu)點,得到了許多老師的幫助,在此致以衷心的感謝!
限于編者水平,書中難免存在錯誤與不妥之處,殷切希望廣大讀者及同行批評指正。
編者
2019年9月
目錄
CONTENTS
第1章緒論
1.1測試的含義
1.2測量方法的分類及選擇
1.2.1計量單位
1.2.2測量方法的分類
1.2.3測量方法的選擇
1.3測量誤差
1.3.1測量誤差的基本概念
1.3.2測量誤差的分類
1.3.3測量誤差減小的方法
1.4測試基本原理及過程
1.5測試技術的典型應用
1.5.1產(chǎn)品質(zhì)量測試
1.5.2設備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)
1.5.3工業(yè)機器人
1.5.4智能建筑
1.6測試技術的發(fā)展趨勢
1.6.1傳感器技術的發(fā)展
1.6.2多功能化、網(wǎng)絡化儀器系統(tǒng)
1.6.3新型信息處理方法
1.7課程的性質(zhì)和任務
小結(jié)
習題
第2章測試系統(tǒng)的基本特性
2.1測試系統(tǒng)概述
2.1.1測試系統(tǒng)基本概念
2.1.2理想測試系統(tǒng)——線性時不變系統(tǒng)
2.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性
2.2.1靜態(tài)傳遞方程
2.2.2測試系統(tǒng)靜態(tài)特性參數(shù)
2.3測試系統(tǒng)的動態(tài)特性
2.3.1系統(tǒng)描述方法
2.3.2測試系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)測試
2.4測試系統(tǒng)不失真測試條件及分析
2.4.1不失真測試條件
2.4.2不失真測試分析
2.5測試系統(tǒng)的選擇與調(diào)試
2.5.1測試系統(tǒng)選擇原則
2.5.2測試系統(tǒng)設計考慮的幾個問題
2.5.3測試系統(tǒng)的調(diào)試
2.5.4測試系統(tǒng)的標定
2.6工程案例分析
小結(jié)
習題
測試與傳感技術(第3版)
目錄
第3章傳感器及其應用
3.1概述
3.1.1傳感器的定義
3.1.2傳感器的組成
3.1.3傳感器的分類
3.1.4傳感器的選用原則
3.2電阻傳感器
3.2.1電位器式傳感器
3.2.2電阻應變式傳感器
3.2.3應用實例
3.3電容傳感器
3.3.1工作原理
3.3.2電容傳感器分類
3.3.3應用實例
3.4電感傳感器
3.4.1自感式傳感器
3.4.2差動變壓器式電感傳感器
3.4.3渦流式電感傳感器
3.4.4應用實例
3.5磁電傳感器
3.5.1磁電感應傳感器
3.5.2霍爾傳感器
3.5.3磁敏電阻傳感器
3.5.4應用實例
3.6壓電傳感器
3.6.1壓電效應
3.6.2壓電元件及其等效電路
3.6.3應用實例
3.7熱電傳感器
3.7.1熱電偶傳感器
3.7.2熱電阻傳感器
3.7.3應用實例
3.8光電傳感器
3.8.1光電效應與光電元件
3.8.2光柵傳感器
3.8.3編碼式傳感器
3.8.4固態(tài)圖像傳感器
3.8.5光纖傳感器
3.8.6紅外傳感器
3.8.7應用實例
3.9環(huán)境傳感器
3.9.1濕敏傳感器
3.9.2氣敏傳感器
3.9.3應用實例
3.10智能傳感器
3.10.1概述
3.10.2實現(xiàn)方式
3.10.3應用實例
3.11微傳感器
3.11.1概述
3.11.2應用實例
3.12工程案例分析
小結(jié)
習題
第4章信號變換及調(diào)理
4.1電橋
4.1.1直流電橋
4.1.2交流電橋
4.1.3變壓器式電橋
4.2電壓/電流/頻率轉(zhuǎn)換
4.2.1電壓頻率轉(zhuǎn)換
4.2.2電壓電流轉(zhuǎn)換
4.3調(diào)制與解調(diào)
4.3.1調(diào)幅與解調(diào)
4.3.2調(diào)頻與解調(diào)
4.4濾波器
4.4.1濾波器的分類
4.4.2濾波器參數(shù)
4.4.3濾波器的應用
4.5工程案例分析
小結(jié)
習題
第5章信號分析與處理
5.1信號的分類與描述
5.1.1信號的分類
5.1.2信號的描述
5.2測試信號時域分析
5.2.1均值
5.2.2均方值
5.2.3方差
5.2.4峰值
5.2.5概率密度函數(shù)
5.2.6概率分布函數(shù)
5.2.7聯(lián)合概率密度函數(shù)
5.2.8相關函數(shù)
5.3測試信號頻域分析
5.3.1周期信號的頻域描述
5.3.2非周期信號的頻域描述
5.3.3隨機信號的頻域描述
5.4數(shù)字信號處理基礎
5.4.1離散傅里葉變換
5.4.2快速傅里葉變換
5.4.3數(shù)字化步驟
5.5工程案例分析
小結(jié)
習題
第6章現(xiàn)代測試技術
6.1現(xiàn)代測試系統(tǒng)概述
6.1.1基本概念
6.1.2現(xiàn)代測試系統(tǒng)組成
6.1.3現(xiàn)代測試系統(tǒng)特點
6.2測試總線與接口技術
6.2.1總線分類
6.2.2總線規(guī)范
6.2.3總線性能指標
6.3虛擬儀器
6.3.1虛擬儀器特點
6.3.2虛擬儀器組成
6.4無線傳感器網(wǎng)絡
6.4.1基本概念及結(jié)構(gòu)
6.4.2應用實例
6.5工程案例分析
小結(jié)
習題
附錄
附錄Ⅰ常見信號分析
附錄ⅡPt100分度表
附錄Ⅲ熱電偶K分度表
參考文獻