本书从检测系统设计与应用工程师需要掌握的核心技能出发， 系统介
绍了检测技术基础知识及基本概念， 包括检测系统组成、检测系统特性分
析、静动态特性测试、误差分析、经典传感器技术、传感器信号调理与采
集等， 并对近年来广泛应用的数字脉冲传感器、半导体集成传感器、辐射
测温技术、激光测距技术、机器视觉等现代检测系统做了较为深入的阐
述。为了培养学生的检测系统综合设计能力， 书中引入３ 个不同架构类型
（嵌入式、总线式、计算机扩展式） 的检测系统开发案例， 嵌入二维码讲
解视频， 对现代检测系统的设计开发流程及开发平台做了详细的介绍。
本书可作为普通高等院校自动化专业、测控技术及仪器专业的本科生
课程教材， 也可作为自动化系统工程师、仪器工程师的技术参考书使用。
目 录
前言
第１ 章 绪论……………………………………………………………………………………… １
１. １ 现代检测技术概述…………………………………………………………………… １
１. ２ 现代检测技术的应用………………………………………………………………… ３
１. ３ 检测系统的组成……………………………………………………………………… ５
１. ３. １ 传感器…………………………………………………………………………… ６
１. ３. ２ 信号采集与处理…………………………………………………………………… ７
１. ３. ３ 数字显示装置…………………………………………………………………… ８
１. ４ 现代检测技术的发展趋势…………………………………………………………… ８
１. ４. １ 高精度和极限测量范围的检测技术………………………………………………… ９
１. ４. ２ 集成化…………………………………………………………………………… ９
１. ４. ３ 智能化………………………………………………………………………… １０
１. ４. ４ 网络化………………………………………………………………………… １０
１. ４. ５ 虚拟测量技术…………………………………………………………………… １０
１. ４. ６ 压缩传感技术…………………………………………………………………… １２
１. ５ 习题…………………………………………………………………………………… １３
第２ 章 检测系统特性………………………………………………………………………… １４
２. １ 检测系统的静态特性………………………………………………………………… １４
２. １. １ 静态特性的数学描述…………………………………………………………… １４
２. １. ２ 静态特性指标…………………………………………………………………… １５
２. ２ 检测系统的动态特性……………………………………………………………… １８
２. ２. １ 动态特性………………………………………………………………………… １８
２. ２. ２ 一阶系统………………………………………………………………………… １９
２. ２. ３ 二阶系统………………………………………………………………………… ２１
２. ３ 检测系统的标定……………………………………………………………………… ２３
２. ３. １ 静态标定………………………………………………………………………… ２３
２. ３. ２ 动态标定………………………………………………………………………… ２５
２. ４ 习题…………………………………………………………………………………… ２８
第３ 章 检测误差分析………………………………………………………………………… ２９
３. １ 测量误差的基本概念………………………………………………………………… ２９
３. ２ 误差的表示方法……………………………………………………………………… ３０
３. ２. １ 绝对误差………………………………………………………………………… ３０
３. ２. ２ 相对误差………………………………………………………………………… ３０
３. ２. ３ 引用误差与最大引用误差………………………………………………………… ３１
Ⅴ
３. ２. ４ 容许误差………………………………………………………………………… ３１
３. ３ 误差的类型…………………………………………………………………………… ３１
３. ３. １ 系统误差………………………………………………………………………… ３１
３. ３. ２ 随机误差……………………………………………………………………… ３２
３. ３. ３ 粗大误差………………………………………………………………………… ３２
３. ４ 误差分析……………………………………………………………………………… ３２
３. ４. １ 系统误差的分析与处理………………………………………………………… ３３
３. ４. ２ 随机误差的分析与处理………………………………………………………… ３４
３. ４. ３ 粗大误差的判断………………………………………………………………… ３７
３. ５ 误差合成……………………………………………………………………………… ３９
３. ５. １ 系统误差合成…………………………………………………………………… ３９
３. ５. ２ 随机误差的合成………………………………………………………………… ３９
３. ６ 测量不确定度………………………………………………………………………… ４０
３. ６. １ 标准不确定度…………………………………………………………………… ４０
３. ６. ２ 扩展不确定度…………………………………………………………………… ４２
３. ７ 习题…………………………………………………………………………………… ４２
第４ 章 电参数传感器………………………………………………………………………… ４４
４. １ 电阻式传感器………………………………………………………………………… ４４
４. １. １ 应变型电阻传感器……………………………………………………………… ４４
４. １. ２ 半导体压阻传感器……………………………………………………………… ５１
４. １. ３ 电阻式温度传感器……………………………………………………………… ５２
４. １. ４ 光敏电阻………………………………………………………………………… ５６
４. １. ５ 磁敏电阻………………………………………………………………………… ５６
４. ２ 电感式传感器………………………………………………………………………… ５７
４. ２. １ 自感式传感器…………………………………………………………………… ５７
４. ２. ２ 互感式传感器…………………………………………………………………… ６２
４. ２. ３ 电涡流式传感器………………………………………………………………… ６６
４. ３ 电容式传感器………………………………………………………………………… ６８
４. ３. １ 电容式传感器的主要类型……………………………………………………… ６９
４. ３. ２ 电容式传感器的等效电路………………………………………………………… ７１
４. ３. ３ 电容式传感器的性能及特点……………………………………………………… ７２
４. ３. ４ 电容式传感器的检测电路………………………………………………………… ７２
４. ３. ５ 电容式传感器的应用…………………………………………………………… ７６
４. ４ 习题…………………………………………………………………………………… ７７
第５ 章 电能量型传感器……………………………………………………………………… ７９
５. １ 热电传感器…………………………………………………………………………… ７９
５. １. １ 热电偶测温原理………………………………………………………………… ７９
５. １. ２ 热电偶的基本定律……………………………………………………………… ８０
５. １. ３ 热电偶的冷端处理和补偿………………………………………………………… ８２
Ⅵ
５. １. ４ 热电偶的应用…………………………………………………………………… ８３
５. ２ 压电传感器…………………………………………………………………………… ８５
５. ２. １ 工作原理………………………………………………………………………… ８６
５. ２. ２ 压电元件的等效电路及连接方式………………………………………………… ８７
５. ２. ３ 压电传感器的检测电路………………………………………………………… ８８
５. ２. ４ 压电传感器的应用……………………………………………………………… ８９
５. ３ 磁电传感器…………………………………………………………………………… ９０
５. ３. １ 电磁感应式磁电传感器………………………………………………………… ９０
５. ３. ２ 霍尔传感器……………………………………………………………………… ９１
５. ４ 光电传感器…………………………………………………………………………… ９５
５. ４. １ 光电二极管……………………………………………………………………… ９６
５. ４. ２ 光电晶体管……………………………………………………………………… ９８
５. ４. ３ 光电倍增管……………………………………………………………………… ９９
５. ４. ４ 光电图像传感器………………………………………………………………… １００
５. ５ 习题………………………………………………………………………………… １０４
第６ 章 信号调理与采集……………………………………………………………………… １０５
６. １ 信号调理…………………………………………………………………………… １０５
６. １. １ 信号放大……………………………………………………………………… １０５
６. １. ２ 信号滤波……………………………………………………………………… １１４
６. １. ３ 信号变换……………………………………………………………………… １２２
６. ２ 信号采样和量化…………………………………………………………………… １２５
６. ２. １ 信号的采样…………………………………………………………………… １２５
６. ２. ２ 信号的量化…………………………………………………………………… １２６
６. ２. ３ ＡＤＣ …………………………………………………………………………… １２７
６. ３ 习题………………………………………………………………………………… １２８
第７ 章 数字化传感器………………………………………………………………………… １３０
７. １ 数字脉冲式传感器………………………………………………………………… １３０
７. １. １ 编码器………………………………………………………………………… １３０
７. １. ２ 光栅传感器…………………………………………………………………… １３３
７. １. ３ 磁栅位移传感器………………………………………………………………… １３７
７. １. ４ 感应同步器（Ｉｎｄｕｃｔ－Ｓｙｎ） …………………………………………………… １３９
７. ２ 半导体集成数字传感器…………………………………………………………… １４２
７. ２. １ 半导体集成温度传感器………………………………………………………… １４３
７. ２. ２ 半导体集成压力传感器………………………………………………………… １４８
７. ２. ３ 半导体集成加速度传感器……………………………………………………… １５１
７. ３ 习题………………………………………………………………………………… １５６
第８ 章 辐射测温与激光测距………………………………………………………………… １５７
８. １ 辐射测温…………………………………………………………………………… １５７
８. １. １ 热辐射的基本定律……………………………………………………………… １５７
Ⅶ
８. １. ２ 辐射测温仪器………………………………………………………………… １６０
８. ２ 激光测距…………………………………………………………………………… １６７
８. ２. １ 脉冲式激光测距仪……………………………………………………………… １６７
８. ２. ２ 相位式激光测距仪……………………………………………………………… １６８
８. ３ 激光雷达（ＬｉＤＡＲ） ……………………………………………………………… １７３
８. ４ 习题………………………………………………………………………………… １７５
第９ 章 机器视觉……………………………………………………………………………… １７６
９. １ 机器视觉系统的组成……………………………………………………………… １７６
９. ２ 光源与照明………………………………………………………………………… １７７
９. ３ 图像采集系统……………………………………………………………………… １７８
９. ３. １ 光学成像系统………………………………………………………………… １７９
９. ３. ２ 图像传感器…………………………………………………………………… １８１
９. ３. ３ 采集电路／图像采集卡………………………………………………………… １８１
９. ４ 图像处理…………………………………………………………………………… １８２
９. ５ 摄像机标定………………………………………………………………………… １８３
９. ５. １ 透视成像模型（小孔成像模型） ……………………………………………… １８３
９. ５. ２ Ｆａｕｇｅｒａｓ 标定法………………………………………………………………… １８５
９. ５. ３ Ｔｓａｉ 氏标定法…………………………………………………………………… １８６
９. ５. ４ 张正友标定法………………………………………………………………… １８９
９. ６ 习题………………………………………………………………………………… １９１
第１０ 章 现代检测系统设计与应用案例…………………………………………………… １９２
１０. １ 基于单片机的红外点温仪………………………………………………………… １９２
１０. １. １ 硬件设计……………………………………………………………………… １９２
１０. １. ２ 软件设计…………………………………………………………………… １９８
１０. １. ３ 信号处理……………………………………………………………………… ２００
１０. ２ 基于采集模块的多通道压力／温度检测系统…………………………………… ２０６
１０. ２. １ 传感器与采集模块…………………………………………………………… ２０７
１０. ２. ２ Ｍｏｄｂｕｓ－ＲＴＵ 协议…………………………………………………………… ２０８
１０. ２. ３ 上位机软件…………………………………………………………………… ２０９
１０. ３ 基于ＣＣＤ 的定日镜跟日误差检测系统………………………………………… ２１０
１０. ３. １ 系统设计……………………………………………………………………… ２１２
１０. ３. ２ 硬件设计与实现……………………………………………………………… ２１３
１０. ３. ３ 光斑检测软件设计与实现……………………………………………………… ２１４
１０. ３. ４ ＯＰＣ 数据通信………………………………………………………………… ２２２
参考文献………………………………………………………………………………………… ２２４
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