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出版者:浙江科学技术出版社

作者:黄瑞祥

出品人:

页数:383

译者:

出版时间:2002-1

价格:17.00元

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isbn号码:9787534116230

丛书系列:

图书标签:

• 集成传感器应用入门
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• 实践教程

精密测量与自动化控制系统设计 本书导读： 本册深入探讨了现代工业、科研领域至关重要的两大支柱：高精度数据采集与复杂系统的自动反馈与调控。它并非停留在对单一器件性能的罗列，而是致力于构建一个完整的、从物理信号到决策执行的闭环系统思维框架。全书结构严谨，内容覆盖了从基础理论推导到实际工程实现的多个维度，旨在培养读者解决复杂工程问题的能力。 第一部分：信号采集与预处理的基石 本部分是整个自动化系统的“眼睛”与“耳朵”。我们首先从物理量到电信号的转换原理入手，详述了电阻、电容、电感等基本元件在传感器件中的应用机理。重点分析了应变式、压电式、热电偶式传感器在不同工况下的非线性误差来源及线性化处理方法。 噪声抑制技术：详细解析了随机噪声、工频干扰（50/60 Hz）和系统漂移的产生机理。书中不仅介绍了硬件滤波（如RC、LC滤波器的高阶设计），更侧重于数字信号处理（DSP）中的滤波算法，包括最小二乘滤波、卡尔曼滤波（Kalman Filter）的基础模型构建及其在实时数据流中的效率优化。 模数转换（ADC）的高级应用：超越SAR和Sigma-Delta架构的基础介绍，本书深入探讨了过采样技术在提高信噪比（SNR）中的关键作用。针对高速数据采集的需求，我们剖析了流水线（Pipelined）ADC的设计权衡，包括量化器的非理想性对整体性能的影响。此外，针对生物医学和环境监测中微弱信号的捕获，详细讲解了斩波技术和自动校准电路的应用实例。 数据传输与接口标准：本章聚焦于工业现场的数据可靠性。全面对比了CAN Bus、Ethernet/IP、Modbus TCP等主流现场总线的底层协议帧结构、时序要求和容错机制。特别针对高带宽、低延迟要求，探讨了光纤通信在强电磁干扰环境下的信号完整性保障措施。 第二部分：系统辨识与模型构建 准确的控制依赖于对被控对象（Plant）的精确理解。本部分旨在教授如何将复杂的物理过程转化为可操作的数学模型。 时域与频域系统辨识：系统地介绍了脉冲响应法、阶跃响应法等经典辨识方法。在频域方面，重点阐述了频率响应分析（Bode Plot, Nyquist Plot）在确定系统稳定裕度中的核心地位。 参数估计的高级算法：对于存在未知扰动的非线性系统，我们引入了最小二乘法（Least Squares）的递归形式，并推导出其在参数在线更新中的应用。此外，为了应对系统状态的动态变化，卡尔曼滤波的状态估计模型被详细展开，用以构建系统的最优线性无偏估计器。 非线性系统建模：本书不回避工程实践中的复杂性，专门辟章探讨了描述函数法、相平面法在分析极限环振荡问题上的应用。对于黑箱系统，则引入了基于神经网络（如NARX模型）的建模方法，重点讨论了数据驱动模型的可解释性和泛化能力限制。 第三部分：反馈控制策略的深度优化 这是本书的核心，从经典控制迈向现代、鲁棒控制，旨在实现卓越的性能和极高的可靠性。 经典PID控制的精细调优：除了Ziegler-Nichols法，我们详细分析了Smith预估器如何通过引入前馈补偿来改善大延迟系统的控制效果。对于积分饱和和过程量程限制，书中给出了反步（Anti-windup）策略的多种实现方案，包括基于状态反馈的解耦设计。 现代控制理论基础：系统地介绍了状态空间表示法，并推导了可控性与可观测性判据。基于此，详细讲解了极点配置（Pole Placement）技术，包括使用LQR（Linear Quadratic Regulator）设计最优反馈增益矩阵，强调了权重矩阵$Q$和$R$的选择对控制性能（响应速度与控制努力）的敏感性。 鲁棒性与最优控制：针对模型不确定性，本书引入了$mathcal{H}_{infty}$ 控制理论。我们用清晰的数学推导展示了如何通过求解Riccati不等式来设计一个能够保证系统在最坏情况扰动下仍满足性能指标的控制器。此外，滑模变结构控制（SMC）作为一种高鲁棒性方法，其颤振现象的抑制技术（如Sigmoid函数或二级控制器设计）被作为重点案例进行剖析。 先进控制应用案例：专题研究了模型预测控制（MPC），阐述了其在多变量耦合系统（MIMO）中处理约束条件（输入饱和、状态限制）的优势。通过一个化工过程的实例，演示了优化问题求解器（如序列二次规划SQP）如何在嵌入式系统中实时运行。 第四部分：系统集成与故障诊断 本部分关注理论向实际工程的落地，强调系统的健壮性和可维护性。 执行机构驱动与接口：深入分析了伺服电机、步进电机和液压/气动执行器的动态特性。讨论了功率驱动电路（如H桥设计、PWM调速）中的热管理和电流环路的设计，确保输出力矩的平稳性。 在线故障检测与隔离（FDI）：介绍了基于残差生成技术的故障诊断框架。详细对比了基于模型的方法（如观测器残差）和基于数据的方法（如主成分分析PCA）在识别传感器漂移和执行器卡死等常见故障上的优缺点。 系统安全性与冗余设计：讨论了关键任务系统中三取二（TMR）等投票机制的逻辑设计。分析了不同传感器融合算法（如扩展卡尔曼滤波EKF）在处理异构数据源（如视觉与惯性测量）时的权重分配策略，以确保在部分组件失效时系统的连续安全运行。 全书配有大量的MATLAB/Simulink仿真实例和LabVIEW虚拟仪器设计案例，帮助读者将抽象的数学概念转化为可触摸、可验证的工程成果。本书适合高等院校自动化、控制工程、电子信息工程等专业的本科高年级学生、研究生，以及需要掌握现代控制系统设计与调试的工程技术人员参考。

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拿到这本《集成传感器应用入门》的时候，我其实是抱着一种既期待又有点忐忑的心情。市面上关于传感器的书不少，但大多要么是理论深挖太深，让人望而却步，要么就是应用案例过于陈旧，跟不上现在技术发展的步伐。这本书的封面设计倒是挺简洁大气，没有太多花哨的元素，让人感觉内容会比较扎实。 翻开目录，我首先注意到的是它对基础概念的梳理。它不像某些教材那样上来就堆砌公式，而是用了很多生活中的例子来解释什么是“集成”的意义，以及不同类型传感器（比如温湿度、光照、惯性等）的基本工作原理。作者在讲解微机电系统（MEMS）技术时，似乎特别注重将复杂的物理和电子原理转化为读者可以理解的逻辑框架。比如，在描述压阻效应时，它不是简单地给出应变系数的定义，而是通过一个虚拟的压力容器模型，让读者直观地感受到压力如何转化为电信号的变化。这种注重“为什么”和“怎么做”的讲解方式，对于我这种偏向应用实践的读者来说，无疑是极大的加分项。尤其是关于噪声抑制和信号调理的部分，讲解得相当细致，对于初学者来说，能避开很多实际工作中常见的“坑”。如果说这本书有什么让我觉得可以改进的地方，或许是在某些特定协议（如I2C/SPI）的底层时序上，可以再多给几个手绘的时序图作为补充，这样硬核的读者会更满意。但总的来说，作为一本入门读物，它在理论与实践的平衡点上做得相当到位，为后续深入学习打下了坚实的基础。

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这本书的实战案例部分，说实话，给我带来了不小的惊喜。我之前尝试过用一些现成的开发板做项目，但总是感觉代码和硬件之间存在一层看不见的隔阂，很难真正做到“为我所用”。这本书在这方面做得非常出色，它不是简单地罗列几个“Hello World”级别的程序，而是构建了一系列具有实际应用价值的小系统。比如，书中详细介绍了一个基于多传感器融合的室内定位辅助系统，不仅展示了如何采集加速度计和陀螺仪的数据，更深入地讲解了如何使用卡尔曼滤波算法来平滑漂移并提高精度。 更让我印象深刻的是，作者似乎非常贴合国内当前流行的物联网（IoT）趋势。在多个章节中，它都穿插了如何将采集到的数据通过诸如MQTT协议安全地上传到云端平台进行可视化的步骤。这种从“端”到“云”的完整链路描述，对于想要快速搭建原型系统的工程师来说，简直是量身定做。我个人尤其欣赏它对“低功耗设计”的关注，在物联网设备中，电池续航能力往往是决定项目成败的关键因素之一。书中特意开辟了一章，对比了不同采样率和睡眠模式对功耗的影响，并给出了具体的能耗估算模型。虽然某些特定芯片的寄存器配置细节没有完全展开，但这反而符合“入门”的定位，它教会了我们思考的框架，而不是死记硬背参数手册。阅读下来，我感觉自己对如何设计一个可靠、高效的智能终端有了更清晰的认知。

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从整体结构和学习路径设计的角度来看，《集成传感器应用入门》的编排逻辑非常科学合理，它遵循了“由浅入深、逐步递进”的经典学习曲线。它巧妙地将不同学科的知识点进行了交叉融合，打破了传统学科壁垒。 初学者通常会面临的问题是，学了电路知识却不懂信号处理，或者懂了编程却不理解传感器内部的物理特性。这本书很好地解决了这个问题。第一部分聚焦于传感器基础和接口协议，确保读者掌握“如何连接”；第二部分开始引入数字信号处理的基础，比如低通滤波和平均滤波，让读者明白“如何清理数据”；到了第三部分，它开始将这些技术应用于具体的场景，例如环境监测和运动跟踪，这时候读者已经具备了处理数据的能力，可以直接关注应用层逻辑。最让我赞赏的是，它在介绍完一个技术点后，总会立即通过一个小测验或者“思考题”的形式，促使读者将新学的知识点进行回顾和消化。这种结构设计有效地防止了知识点的碎片化记忆。这本书的阅读体验就像是跟着一位经验丰富的导师，从搭建实验台开始，一步步走到设计出可信赖的产品原型，每一步都有清晰的目标和明确的验证方法。我强烈推荐给任何希望快速、扎实地掌握现代传感器技术应用的人。

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这本书的作者显然不是那种只停留在纸上谈兵的理论派，他/她对实际操作中遇到的“陷阱”有着深刻的体会，并将其转化为了宝贵的经验分享。例如，在讨论校准（Calibration）问题时，书中不仅提到了零点漂移和灵敏度变化，还引入了一个非常实用的概念——“环境温度对交叉灵敏度的影响”。这个细节在很多标准的入门教程里是被完全忽略的，但对于追求高精度测量的项目来说至关重要。 我在阅读关于磁力计校准的部分时，深有体会。过去我只是简单地进行三轴磁场数据的简单平均来寻找偏置，效果并不理想。而书中介绍的最小包围椭球体拟合法，配以详细的数学推导和Python脚本辅助计算的步骤，让我豁然开朗。作者没有直接给出最终结果，而是引导读者一步步理解为什么需要这个复杂的数学模型来修正因安装误差和材料磁性导致的测量偏差。这种“授人以渔”的教学风格，让我感觉自己不是在被动接收知识，而是在参与一次系统性的工程训练。虽然某些高级的统计学工具并未深入展开，但它提供的基石已经足够让一个有志于此的工程师迈入专业领域的大门。这本书真正教会我的，是如何系统性地对待传感器的精度和可靠性问题，而不仅仅是如何让传感器“亮起来”。

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我必须得坦诚地讲，这本书的排版和图示质量，是我读过的技术书籍中数一数二的。很多技术书籍为了压缩成本或者赶进度，插图往往是低分辨率的截图或者模糊的电路图，让人看得很费劲。但《集成传感器应用入门》在这方面绝对是下了血本的。 清晰度是第一个亮点。无论是传感器芯片的内部结构图，还是实验电路的PCB布局示意图，都采用了高分辨率的矢量图或者高质量的渲染图。特别是讲解信号调理电路时，电路原理图的分层绘制技巧非常高明——先是功能模块划分，然后是关键元器件的选型依据，最后才是完整的连接方式。这极大地降低了我们理解复杂模拟前端电路的难度。其次，代码示例的组织方式也值得称赞。代码块的格式非常规范，注释详尽且准确，而且关键算法部分的代码都用不同的颜色进行了高亮区分，便于快速定位核心逻辑。这对于调试和学习来说是极大的便利。此外，书中的时间线索把握得很好，它没有让读者沉溺于某一个特定平台的细节（比如STM32或ESP32），而是用更具通用性的伪代码和模块化思想来阐述，确保了知识的迁移性。尽管书籍的纸张略微偏薄，但印刷质量绝对是顶级的，这使得长时间阅读也不会感到视觉疲劳。

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