传感器系统：基础及应用

　　本书包括传感器相关的数学、物理、电路等基础理论，介绍了相关的性能指标、性能选择以及集成到工程系统所需的软硬件，讲述了先进的传感器技术、分析建模、实际应用和设计研究实例。全书共12章，前面7章是传感器的基础知识，第8~11章分别讨论了不同种类传感器的结构及实际应用，第12章涉及先进的传感器技术。 本书可以作为高等学校测控技术与仪器、自动化、机电一体化、电气工程等专业高年级本科生和研究生教材，也可供相关科研和工程技术人员学习参考。

　　作 者 简 介 Clarence Wde Silva，PE，ASME和IEEE会士，是加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学机械工程系教授，在机械电子学和工业自动化领域担任加拿大高级研究委员会的讲座教授。在此之前，他自1988年以来一直在工业自动化领域担任NSERC-BC自动包装研究委员会主席。他曾在卡内基梅隆大学担任讲师（1978～1987年），在剑桥大学担任Fulbright客座教授（1987/1988年）。 他在麻省理工学院（1978年）和英国剑桥大学（1998年）获得博士学位，并在加拿大安大略省滑铁卢大学获得荣誉工程学博士学位（2008年）。de Silva博士还曾在新加坡国立大学电子与计算机工程系获得美孚颁发的讲座教授职位，同时还是一些大学的荣誉教授，如厦门大学等。 其他职位：加拿大皇家学会会士，加拿大工程学院会士，卡内基梅隆大学Lilly研究员，NASA-ASEE研究员，剑桥大学Fulbright高级研究员，不列颠哥伦比亚高级系统研究所研究员，Killam研究员，坎特伯雷大学Erskine研究员，墨尔本大学教授，不列颠哥伦比亚大学Peter Wall学者。 奖项：美国机械工程师协会动态系统和控制部的Paynter研究者奖和高桥教育奖，Killam研究奖，IEEE加拿大杰出工程教育家奖，世界自动化会议终身成就奖，IEEE授予的第三个千年奖章，不列颠哥伦比亚专业工程师协会荣誉成就奖，IEEE系统、人与计算机学会杰出贡献奖。同时，他还在国际会议上发表过32次主题演讲。 期刊编辑方面的职位：他在14个期刊任职，包括《IEEE控制系统技术会刊》《动态系统、测量与控制期刊》《美国机械工程师协会学报》；他还是《控制与智能系统国际期刊》和《基于知识的智能工程系统国际期刊》的主编，《测量与控制》高级技术编辑，北美地区《人工智能工程应用——IFAC国际期刊》编辑。 出版物：22本技术书籍，19本编辑书籍，50本书的某些章节，240篇期刊文章和260多篇会议论文。 近期书籍：《Sensors and Actuators： Engineering System Instrumentation》（2nd edition， Taylor & Francis Group/CRC， 2016）; 《Mechanics of Materials》（Taylor & Francis Group/CRC， 2014）; 《Mechatronics： A Foundation Course》（Taylor & Francis Group/CRC， 2010）;《Modeling and Control of Engineering Systems》（Taylor & Francis Group/CRC， 2009）;《Vibration： Fundamentals and Practice》（2nd edition，Taylor & Francis Group/CRC， 2007）;《Mechatronics： An Integrated Approach》（Taylor & Francis Group/CRC， 2005）;《Soft Computing and Intelligent Systems Design： Theory， Tools， and Applications》（Addison Wesley， 2004）。

目　　录
出版者的话
译者序
前言
作者简介
第1章　工程中的传感器系统1
　11　传感器和传感器系统的作用1
　　111　传感过程中估计的重要性2
　　112　创新的传感器技术3
　12　应用场景3
　13　人体感官系统5
　14　机电一体化工程5
　　141　机电一体化的方法6
　　142　机电一体化仪器的瓶颈6
　15　控制系统的架构7
　　151　反馈和前馈控制8
　　152　数字控制10
　　153　可编程逻辑控制器11
　　154　分布式控制12
　16　仪表化过程14
　　161　仪表化步骤15
　　162　应用实例15
　17　本书的组织结构21
　关键术语22
　思考题24
第2章　组件互连27
　21　引言27
　　211　组件互连概述27
　　212　本章内容28
　22　阻抗28
　　221　阻抗的定义28
　　222　在组件互连中阻抗匹配的重要性28
　23　阻抗匹配的方法29
　　231　最大功率传输29
　　232　效率最高的功率传输31
　　233　信号传输中的反射预防31
　　234　负载效应的降低32
　　235　机械系统中的阻抗匹配34
　关键术语42
　思考题42
第3章　放大器和滤波器45
　31　信号修整与调理45
　　311　信号调理45
　　312　本章内容45
　32　放大器46
　　321　运算放大器46
　　322　放大器的性能等级48
　　323　电压、电流和功率放大器51
　　324　仪表放大器53
　　325　噪声和接地回路55
　33　模拟滤波器57
　　331　无源滤波器和有源滤波器58
　　332　低通滤波器59
　　333　高通滤波器64
　　334　带通滤波器65
　　335　带阻滤波器68
　　336　数字滤波器69
　关键术语70
　思考题71
第4章　信号转换方法74
　41　信号修整与转换74
　　411　信号转换74
　　412　本章内容75
　42　调制器和解调器75
　　421　幅度调制76
　　422　幅度调制的应用78
　　423　解调80
　43　数据采集硬件82
　　431　数模转换器85
　　432　模数转换器89
　　433　采样保持硬件93
　　434　多路复用器94
　44　电桥96
　　441　惠斯登电桥96
　　442　恒流电桥98
　　443　电桥输出的硬件线性化99
　　444　半桥电路100
　　445　阻抗电桥101
　45　装置的线性化102
　　451　非线性的性质102
　　452　模拟线性化硬件104
　46　其他信号转换硬件107
　　461　移相器108
　　462　电压频率转换器109
　　463　频率电压转换器111
　　464　电压电流转换器111
　　465　峰值保持电路112
　关键术语113
　思考题114
第5章　性能指标和参数120
　51　性能指标120
　　511　性能指标的参数120
　　512　动态参考模型122
　52　时域指标124
　53　频域指标127
　　531　增益裕度和相位裕度128
　　532　频域内简单的振荡器模型129
　54　线性度129
　55　仪表额定值133
　　551　额定参数133
　　552　灵敏度134
　关键术语141
　思考题143
第6章　带宽、采样和误差传递146
　61　引言146
　62　带宽分析146
　　621　带宽147
　　622　静态增益150
　63　由信号采样而产生的混叠失真151
　　631　采样定理151
　　632　混叠的简要说明152
　　633　抗混叠滤波器152
　　634　控制系统的带宽设计155
　64　仪器误差的注意事项157
　65　误差传递与合成159
　　651　灵敏度在误差合成中的应用159
　　652　绝对误差160
　　653　方和根误差160
　　654　来自单项误差的同等贡献160
　关键术语164
　思考题166
第7章　测量结果的估计171
　71　传感与估计171
　72　最小二乘估计172
　　721　最小二乘点估计172
　　722　数据和估计的随机性173
　　723　最小二乘线估计176
　　724　估计的质量177
　73　MLE179
　　731　MLE的分析依据179
　　732　通过贝叶斯定理证明MLE180
　　733　MLE与正态分布181
　　734　递归最大似然估计182
　　735　离散MLE的示例183
　74　标量静态卡尔曼滤波器184
　　741　标量静态卡尔曼滤波器的概念184
　　742　贝叶斯公式的使用185
　　743　标量静态卡尔曼滤波器算法186
　75　线性多变量动态卡尔曼滤波器190
　　751　状态空间模型191
　　752　系统响应192
　　753　可控性与可观测性192
　　754　离散时间状态空间模型193
　　755　线性卡尔曼滤波器算法194
　76　扩展卡尔曼滤波器196
　77　无迹卡尔曼滤波器199
　　771　无迹变换200
　　772　无迹卡尔曼滤波器算法202
　关键术语206
　思考题209
第8章　模拟运动传感器215
　81　传感器和换能器215
　　811　相关术语216
　　812　传感器的类型与选型217
　82　传感器的机电应用219
　83　电位计220
　　831　旋转电位计221
　　832　性能方面的考量223
　　833　光学电位计225
　84　可变电感传感器227
　　841　电感、电抗和磁阻228
　　8