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仪器设计技术基础(第2版)

根据作者在清华大学讲授“仪器设计技术基础”课程10余年的课堂教学经验重新撰写而成,偏重于理论基础知识运用方法的教学、技术开发能力的挖掘和仪器综合设计能力的逐渐形成和培养。

作者:陈非凡
定价:69.80
印次:2-1
ISBN:9787302533412
出版日期:2019.09.01
印刷日期:2019.08.29

本书以仪器系统设计综合能力的形成为目标,介绍掌握运用理论基础知识解决仪器系统设计专业技术问题的具体方法。全书共分为6章:第1章为仪器设计技术概论;第2章为传感器设计技术;第3章为仪器功能电路设计;第4章为仪器系统集成方法;第5章为仪器精度设计;第6章为仪器可靠性设计。 本书可作为仪器、计量、测量、测控、信息、自动化、机电一体化等专业的高校本科生教材,也可供相关专业技术领域的研究生和工程技术人员参考。

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仪器的基本功能是测量。仪器是人们认识世界和改造世界的基本工具,包括各种分析、诊断、检验、计量、测量、测试、测控及监测设备。仪器本身及其相关技术长期以来在工业、农业、医疗、国防、科学技术研究等各行各业和人们的日常生活中发挥着十分重要的作用。1995年,由中国科学院和工程院共二十多位院士联合提议,国务院及国家有关部门正式将仪器技术确立为一切信息技术的源头技术。二十多年后的今天充分验证了当初科学家们这一高瞻远瞩的共识,从早年的传感器网络到后来的物联网和互联网+,再到当前的大数据和人工智能等先进技术的轰然诞生和快速发展均高度依赖于仪器技术。第4次工业革命的本质是人工智能,人工智能所需的各种测量信号获取和测控信息提取及其应用均需依赖于各种仪器技术,而仪器技术的发展和进步又主要依赖于仪器系统设计专业技术人才的培养。 为了培养国家所需的仪器系统设计专业技术人才,清华大学于2004年9月首次开设了“精密仪器设计技术基础”本科生专业技术学位课程,后来更名为“仪器设计技术基础”,当年由笔者承担了该课程的新课开设任务,这些年来一直由笔者亲自讲授该课程。本书的主要内容最早源于该课程的电子课件,经笔者整理后于2007年8月由清华大学出版社正式出版了《仪器设计技术基础》第1版,后来被全国多所兄弟院校选做相关专业的本科生专业技术课程教材。该教材曾于2012年获得清华大学优秀教材教学成果奖,其主要内容和教学体系得到了有关部门、相关领导、授课学生和社会人士的肯定。但是,随着仪器技术自身的发展和社会应用需求的变化,第1版教材中的部分内容已略显过时,需要对其进行必要的技术内容更新,同时教学重点也需与时俱进地做些调整。在上述需求背景下,笔者对本书进行了重新整理和撰写,除新旧技术的替代外,还新增了许多具有实际工程技术应用需求背景的定量设计例题和课后思考题,最终形成了《仪器设计技术基础》第2版内容。本书内容为笔者在从事仪器系统设计相关科研和教学工作中长期积累并提炼出来的部分技术,除笔者自己的研究成果以外,许多技术原形均来自于笔者在近30多年内曾阅读过的大量国内外参考文献,但由于年代久远,目前很难将书中提到的每项技术都追溯到当年曾参考过的每一篇文献,特此说明,以示对前人贡献的尊敬和谢意。 本书整合了传感器设计、仪器功能电路设计、仪器系统集成方法、仪器精度设计和仪器可靠性设计等有关仪器系统设计所需的基础知识和设计方法。各章内容安排符合循序渐进的学习规律,既有内在关联,也能相对独立,以适应不同培养目的。 全书内容共分为6章。第1章为仪器设计技术概论,主要介绍仪器、仪表、计量、测量、测试、测控、基准、误差等仪器技术基本概念的本质含义,同时介绍仪器系统的基本构成及其一般设计流程,并对评价仪器及其所需传感器测量性能的主要技术指标进行详细讲解,以逐步建立仪器系统及仪器系统设计的基本概念,了解仪器区别于机器的本质特征。第2章为传感器设计技术,为了更广泛地适应各种仪器系统的测量任务需求,该章从各种基础物理学效应出发介绍各类物性型传感器的基本工作原理、各类结构型传感器的具体设计方法,以及各类传感器测量转换电路的设计方法,以完成仪器系统设计过程中可能遇到的各种新型传感器设计或各种现成传感器选用。第3章为仪器功能电路设计,主要介绍以各类传感器信号接口、测量信号处理、测量信息提取和测控信息应用为目标的仪器功能电路设计方法,包括仪器信号放大电路、滤波电路、调制解调电路、A/D转换及其数据采集电路、单片机信号处理和信息显示电路,以及执行器驱动接口等仪器功能电路的设计,以掌握仪器系统中常用的功能电路设计方法。第4章为仪器系统集成方法,主要介绍基于传感器和各种功能电路协同工作的组织方式和仪器系统集成方法,包括各种集总式和分布式测控仪器系统集成方法,以完成分布式测控仪器软硬件系统集成为目标介绍了各种测控网络模型、通信物理链路及其测控信息交互方法。第5章为仪器精度设计,主要介绍仪器系统中各类测量误差的基本特性、测量误差的合成和利用测量误差来表征仪器测量精度的具体方法、测量误差分配和仪器精度设计方法,以及仪器测量精度的标定和评价等方法,以确保最终设计的仪器系统能达到其预期测量精度。第6章为仪器可靠性设计,主要介绍仪器系统可靠性概念、各种可靠性概率和可靠性寿命指标、仪器系统可靠性设计理论和设计方法,以及仪器系统可靠性保障措施,以确保最终设计的仪器系统能长期稳定并可靠地完成其预期测控任务。 相比于第1版教材,本书删掉了“人机工程学设计基础”一章,但保留了其最重要的核心内容,并分散到了其他章节进行介绍。本书删掉此章并不是因为人机工程学设计对仪器系统设计不重要,而是因为其内容相对比较好理解且容易从其他阅读资料中获得,最终限于新版教材的篇幅而只能舍弃。同时,本书还增加了“仪器系统集成方法”一章,主要是因为近年的仪器系统集成方法,尤其是各种分布式测控仪器系统集成方法得到了快速发展,并已渗透到了人工智能、智能制造、智慧城市、智能交通和智能家居等应用领域的仪器系统设计,本书对第1版中的相关内容进行增强和丰富后,最终形成了此章内容。书中的其他各章节内容也做了较大幅度的调整,但限于篇幅,在此不对其具体调整之处进行一一介绍。总之,经过上述增减调整,本书保留了全书6章结构,并保留了原有的教学顺序和教学体系。 讲授本书内容至少需要安排48学时,最好能安排64学时。如果课时较少,可结合开课院校自身的专业技术特点和前期课程的具体配置情况,进行有选择性地课堂讲授,部分内容可留给学生课后自学。 笔者在本书再版过程中曾得到多位同事、助教、研究生,以及部分授课学生的大力支持和帮助。清华大学的董永贵教授审阅了本书终稿并给出了不少宝贵建议; 陈泽奇协助完成了第4章第2节、第3节和第6章第4节部分内容的编写、原理图绘制和例题计算,并仔细阅读和认真校对了全书试用稿; 董慧龙和郑伯昱协助完成了第2章第1节部分内容的编写; 蒋珊珊协助完成了第2章第1节部分表格数据的整理; 闫硕协助完成了第2章第3节部分原理图的绘制; 陈猛协助完成了第2章第3节部分例题的计算,以及第3章和第6章部分原理图的绘制; 江兵协助完成了第4章第4节部分原理图的绘制; 张一锋完成了试用稿中主要内容的文字校对; 朱明媛、张凌云、王大振、丁荣、马晗、路菀萍、王志远、张晟森、刘心志、岳创伟和陈饶禹等毫无保留地给出自己对再版教材试用稿的阅读体验和修改建议。笔者对以上同志的无私奉献和辛勤付出深表感谢。 由于仪器系统设计所涉及的学科知识较多,限于作者水平,书中缺点和错误在所难免,恳请读者批评指正。 作者 2019年8月于清华园

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  • 陈非凡,1967年生于湖南醴陵,1996年毕业于哈尔滨工业大学获精密仪器及其机械专业工学博士学位。1998年博士后出站受聘于清华大学,现任清华大学精密仪器系教授、博士生导师。多年来一直从事分布式测控技术与智能仪器系统设计方面的科研和教学工作,承担或参加过多项国家重大项目研究,包括我国第一台多波束条带测深仪、我国第一颗纳卫星、高精度惯性导航仪、高精度光电准直仪、饱和潜水员生命体征分布式远程监测仪等智能仪器及其相关的分布式测控技术研究项目,曾获国家技术发明奖、北京市科学技术进步奖、江西省科学技术进步奖等省部级以上科研奖励多项,国家发明专利多项。编著或参编已出版教材4部,发表学术论文80余篇。
  • 本书是一本关于仪器系统设计方法的教材,并非只是简单地介绍一些成熟产品或成熟技术的应用,而是更加偏重于理论基础知识运用方法的教学、技术开发能力的挖掘和仪器综合设计能力的逐渐形成和培养,希望能够帮助读者掌握运用理论基础知识解决仪器系统设计专业技术问题的具体方法,并最终成为国家需要的仪器设计技术专业人才。本书前一版曾获清华大学优秀教材等教学成果奖,此书为第2次改版,作者结合最新科技发展变化和最新教学大纲要求对原书内容进行了必要的删减、补充和重组,并根据作者在清华大学讲授“仪器设计技术基础”课程10余年的课堂教学经验重新撰写而成,可作为仪器、计量、测量、测试、测控、信息、自动化、机电一体化等专业的高校本科生教材,也可供相关专业技术领域的研究生和工程技术人员参考。
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  • 第1章仪器设计技术概论

    1.1仪器及测量基本概念

    思考题

    1.2仪器仪表技术

    思考题

    1.3仪器设计过程

    思考题

    1.4传感器与执行器的性能评价

    1.4.1传感器的静态特性指标及评价方法

    1.4.2传感器的动态特性指标及评价方法

    1.4.3执行器的主要技术特性指标及评价方法

    1.4.4关于仪器与传感器的同名测量性能指标

    思考题

    第2章传感器设计技术

    2.1热效应及温度传感器设计

    2.1.1热电阻效应温度传感器设计

    2.1.2热电偶效应温度传感器设计

    2.1.3热辐射效应温度传感器设计

    思考题

    2.2光电效应及光电传感器设计

    2.2.1外光电效应敏感器技术

    2.2.2内光电效应敏感器技术

    2.2.3结构型光电传感器设计

    2.2.4光纤传感器设计

    思考题

    2.3磁效应及磁电传感器设计

    2.3.1磁光效应传感器设计

    2.3.2磁导效应传感器设计

    2.3.3霍尔效应传感器设计

    2.3.4磁电感应效应传感器设计

    2.3.5电磁互感效应传感器设计

    2.3.6涡流效应传感器设计

    2.3.7压磁效应传感器设计

    思考题

    2.4机电效应及机电传感器设计

    2.4.1压电效应及电荷传感器设计

    2.4.2电阻传感器设计

    2.4.3电容传感器设计

    2.4.4电感传感器设计

    思考题

    2.5表征测量传感器设计

    2.5.1机械谐振效应传感器设计

    2.5...

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