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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Sydenham, P. H. (EDT)/ Thorn, Richard (EDT)

出品人:

页数:1648

译者:

出版时间:2005-3

价格:541.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780470021439

丛书系列:

图书标签:

测量系统设计
传感器
数据采集
信号处理
不确定度分析
计量学
仪器仪表
测试技术
自动化测试
工业测量

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具体描述

The most comprehensive and up-to-date reference work covering the scientific fundamentals and practical considerations for designing, developing and implementing measuring systems in a broad range of engineering and technological fields. Measuring systems lie at the heart of all science, engineering and technology, and are used to quantify physical phenomena such as temperature, pressure, voltage and current. Rapid advances in computing and electronics have enabled the development of highly sophisticated measuring systems that can be utilised across many industrial fields. The Handbook of Measuring System Design provides an authoritative and comprehensive reference that addresses a wide range of measurement-specific design and application problems in the fields of engineering and technology. Building on a thorough treatment of foundational topics the Handbook presents a modern, ‘systems thinking’ approach and covers many areas that have received little attention elsewhere (systems, safety, design, legal and artificial intelligence).

测量系统设计手册（Handbook of Measuring System Design）——内容概要本书旨在为工程师、科学家和技术人员提供一套全面而实用的指南，用于理解、选择、集成和优化复杂的测量系统。本书的核心关注点在于如何构建一个既满足特定应用需求，又具备高精度、高可靠性和高效率的测量框架。 --- 第一部分：测量系统的基础理论与概念框架本部分奠定了理解现代测量系统的理论基础，强调了从信号采集到最终数据解析的完整流程。第一章：测量学的基本原理与量值传递本章深入探讨了测量的本质定义，区分了“测量”与“检验”的差异。重点解析了“量值”的传递过程，从国际单位制（SI）的基准源头，到传感器对物理量的初次捕获。详细介绍了计量学中的不确定度概念，并引入了误差的分类（系统误差、随机误差、偶然误差）及其量化方法。读者将学习如何构建一个清晰的计量溯源链，确保测量结果的有效性和可信赖性。第二章：信号的特性与预处理测量对象往往表现为连续或离散的物理信号。本章聚焦于信号的数学描述和初步处理技术。内容包括傅里叶分析在信号分离中的应用、时间域与频率域的相互转换，以及噪声的来源识别（如散粒噪声、热噪声、1/f噪声）。此外，对信号的滤波技术进行了详尽的阐述，包括低通、高通、带通滤波器的设计原则，并对比了模拟滤波与数字滤波的优劣，为后续的数字化采集做准备。第三章：信息论在测量中的应用本章将信息论的严谨框架引入测量设计。讨论了香农采样定理在确定最高有效频率和采样率之间的关键平衡点。引入了信息熵的概念，用以评估测量过程中信息的损失或冗余。同时，本章深入探讨了信噪比（SNR）的优化策略，并介绍了几种基于信息论的编码和校验方法，以增强数据传输的鲁棒性。 --- 第二部分：关键硬件组件的选型与集成本部分侧重于测量系统中的核心物理部件，指导读者如何根据性能指标选择最合适的传感器、信号调理电路和数据采集卡。第四章：传感器技术与换能原理本章对当前主流的传感器类型进行了分类和深度剖析。覆盖了从电阻式、电容式、电感式到光电式、压电式等多种换能原理。针对每种技术，详细列出了其灵敏度、线性度、迟滞现象、交叉敏感性等关键性能参数。特别讨论了微机电系统（MEMS）传感器在便携式和分布式测量系统中的应用前景与局限性。第五章：信号调理电路的设计与实现传感器输出的原始信号往往微弱且易受干扰。本章是关于如何“清洁”和“放大”信号的实践指南。详细介绍了运算放大器（Op-Amp）在缓冲、增益、差分放大中的配置。关键内容包括抗混叠滤波器的精确设计、输入阻抗与输出阻抗的匹配策略，以及如何有效隔离地线噪声和共模干扰。本章提供了大量实际电路拓扑图及元器件选型建议。第六章：模数转换器（ADC）与数据采集系统（DAS）本章深入研究了从模拟到数字转换的核心环节。详尽比较了逐次逼近式（SAR）、流水线式（Pipeline）和Σ-Δ（Sigma-Delta）等不同架构ADC的性能特点，包括有效位数（ENOB）、转换速度和功耗的权衡。此外，系统性地讲解了数据采集板卡的接口标准（如PCIe, USB, Ethernet）和同步采集技术，确保多通道数据流的时间一致性。 --- 第三部分：数据处理、分析与系统验证本部分关注数字化后的数据如何转化为有意义的工程信息，并确保整个系统的设计是健壮和可信赖的。第七章：数字信号处理与算法实现针对采集到的离散数据，本章提供了先进的分析工具。重点介绍了快速傅里叶变换（FFT）的应用，包括谱泄漏的处理和窗口函数的选择。此外，讨论了卡尔曼滤波在状态估计和噪声抑制中的强大作用，并为时间序列分析提供了回归模型和趋势分解的方法。本章强调算法在嵌入式系统中的高效实现策略。第八章：系统级的不确定度分析与误差预算这是设计过程中至关重要的一环。本章教授读者如何从系统的最前端（传感器）到最终端（数据报告）进行不确定度链的构建。详细阐述了A类评定（统计分析）和B类评定（基于规范和经验）的组合方法。通过实例演示如何建立一个精确的误差预算表，以确保最终测量的总不确定度满足设计规范。第九章：测量系统的校准、验证与生命周期管理一个优秀的测量系统必须经过严格的验证。本章提供了系统校准的流程和标准，包括零点校准、跨度校准和线性化处理。讲解了ISO/IEC 17025标准在实验室能力验证中的要求。最后，探讨了测量系统的维护周期、漂移监测以及如何进行软件与固件的迭代更新，以确保持久的设计性能。 --- 第四部分：专业应用与未来趋势本部分拓展了通用设计原则在特定前沿领域的应用，并展望了测量技术的发展方向。第十章：分布式与无线测量网络的构建随着物联网（IoT）的兴起，对远程、无缆测量的需求激增。本章聚焦于传感器网络的拓扑结构选择（星型、网状、混合型），以及数据传输协议（如LoRaWAN, Zigbee）在低功耗环境下的适用性。重点讨论了在分布式系统中如何实现时间同步和数据一致性的挑战与解决方案。第十一章：高动态范围与瞬态事件测量针对需要捕捉极快变化或极宽范围信号的应用（如冲击试验、超声波检测），本章提供了专门的设计技巧。讨论了高速缓冲存储器的使用、事件触发机制的优化，以及如何通过过采样和欠采样技术来提高系统的有效动态范围。第十二章：自动化测试与系统集成本章探讨了如何将设计好的测量硬件与软件测试平台进行集成。内容涵盖了测试脚本语言（如LabVIEW, Python）的选择，仪器驱动程序的标准（如IVI, VXI），以及如何设计一个易于操作、数据可追溯的自动化测试工装（ATE）。强调了人机工程学在测试界面设计中的重要性。 --- 本书的特点在于其理论的深度与工程实践的广度完美结合。它不仅仅是一本描述现有技术的参考书，更是一本指导工程师从零开始，系统性地、科学地设计出满足未来严苛需求的精密测量解决方案的实战手册。