内容简介

本教材对常用传感器原理及其数据采集和信号处理进行阐述，且注重对传感器应用和工程实践能力的培养。本书共12章，主要内容包括：传感器的概念、分类、基本特性、标定和技术现状，传感器的功能材料及加工工艺，温敏传感器，力敏传感器，磁敏传感器，光敏传感器，声敏传感器，湿敏传感器，生物传感器，传感器的信号处理和智能化，以及无线传感器网络等。本书提供配套电子课件。

作者简介

　　　　2003年，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室学习，获工学博士学位；2006年在清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室博士后出站；2006年至今在电子科技大学自动化工程学院任教。主要从事传感器技术及机械电子工程方面的研究。

目录

目 录

第1章 绪论 1
1．1 传感器的概念 1
1．1．1 传感器的基本组成 1
1．1．2 传感器的定义 2
1．2 传感器的分类 2
1．3 传感器的基本特性 3
1．3．1 传感器的静态特性 4
1．3．2 传感器的动态特性相关的数学
模型 11
1．3．3 传感器的动态特性描述 15
1．4 传感器的标定 20
1．4．1 传感器的静态特性标定 21
1．4．2 传感器的动态标定 21
1．5 传感器技术发展方向 23
习题 25
第2章 传感器的功能材料及加工工艺 27
2．1 传感器使用的材料 27
2．1．1 导体、半导体和电介质 28
2．1．2 有机高分子敏感材料 30
2．1．3 磁性材料 30
2．2 传感器的加工工艺 31
2．2．1 结构型传感器的加工工艺 31
2．2．2 微机械加工工艺 32
习题 40
第3章 温敏传感器 41
3．1 热学相关基本概念 41
3．1．1 温标 41
3．1．2 热力学相关概念 41
3．1．3 温敏传感器的分类 42
3．2 热电偶传感器 42
3．2．1 热电效应 42
3．2．2 热电偶基本定律 44
3．2．3 热电偶的结构 45
3．2．4 热电偶冷端温度误差及其补偿 46
3．2．5 热电偶实用测量电路 49
3．2．6 热电偶传感器应用实例 50
3．3 电阻型温度传感器 52
3．3．1 热电阻 52
3．3．2 热敏电阻 55
3．3．3 陶瓷半导体热敏电阻 57
3．3．4 半导体热电阻温度传感器 61
3．3．5 热敏电阻温度传感器的典型
应用 63
3．4 半导体PN结型温度传感器 64
3．4．1 温敏二极管 64
3．4．2 温敏晶闸管（可控硅） 66
3．4．3 温敏三极管 68
3．4．4 半导体PN结型温度传感器典型
应用 70
习题 71
第4章 力敏传感器 73
4．1 应变式电阻传感器 73
4．1．1 电阻应变片的种类 73
4．1．2 金属电阻应变片 73
4．1．3 半导体应变片 78
4．1．4 电阻应变片的测量电路 79
4．1．5 电阻应变式传感器应用 83
4．2 压电式力传感器 88
4．2．1 压电效应和压电材料 88
4．2．2 压电传感器的等效电路与测量
线路 91
4．2．3 压电式传感器的应用举例 95
4．2．4 压电式传感器的主要性能及其
影响因素 97
4．3 电容力传感器 99
4．3．1 电容式传感器特点 99
4．3．2 电容式压力传感器 100
4．4 电感式压力传感器 102
4．5 谐振式压力传感器 104
4．5．1 工作原理和特性 104
4．5．2 谐振式压力传感器的特性 104
4．5．3 谐振式压力传感器的类型 106
4．6 光纤力学传感器 108
4．7 其他新型传感器 110
习题 112
第5章 磁敏传感器 113
5．1 概述 113
5．2 霍尔元件 114
5．2．1 霍尔效应 115
5．2．2 影响霍尔效应的因素 116
5．2．3 霍尔元件基本结构 117
5．2．4 霍尔元件的基本特性 117
5．2．5 霍尔元件的电磁特性 118
5．2．6 霍尔元件不等位电势补偿 120
5．2．7 霍尔元件温度补偿 120
5．2．8 霍尔式传感器的应用 123
5．3 半导体磁阻器件 124
5．3．1 磁阻效应 124
5．3．2 磁阻元件 126
5．3．3 磁敏电阻的应用 127
5．4 结型磁敏器件 128
5．4．1 磁敏二极管 128
5．4．2 磁敏三极管 132
5．5 铁磁性金属薄膜磁阻元件 136
5．5．1 铁磁体中的磁阻效应 136
5．5．2 铁磁薄膜磁敏电阻的结构与
工作原理 136
5．5．3 铁磁薄膜磁敏电阻的技术性能
及特点 136
5．6 压磁式传感器 137
5．6．1 压磁式传感器的基本原理 137
5．6．2 压磁式传感器的主要特性 138
5．6．3 压磁式传感器的应用举例 139
5．7 新型磁敏传感器 139
5．7．1 MOS磁敏器件 139
5．7．2 高分辨率磁性旋转编码器 140
5．7．3 涡流传感器 141
5．7．4 韦根德磁敏器件 141
5．7．5 磁通门传感器 142
习题 143
第6章 光敏传感器 144
6．1 概述 144
6．1．1 光谱 144
6．1．2 光学传感器的相关计量单位 145
6．1．3 光源 146
6．2 光电效应传感器 148
6．2．1 外光电效应及器件 148
6．2．2 内光电效应（光电导）及器件 153
6．3 光生伏特效应器件 157
6．3．1 光生伏特效应 157
6．3．2 光电池 158
6．4 光敏二极管 159
6．4．1 结构原理 159
6．4．2 光电二极管应用实例 161
6．5 光敏晶体管 162
6．5．1 光敏晶体管和光敏二极管基本
特性 163
6．5．2 光敏三极管应用实例 164
6．6 色敏光电传感器 165
6．6．1 双结型色彩传感器 165
6．6．2 非晶态集成色彩传感器 165
6．6．3 应用实例 166
6．7 光电耦合器件 167
6．7．1 光电耦合器 167
6．7．2 光电开关 167
6．8 红外热释电光敏器件 168
6．8．1 红外热释电光敏效应 168
6．8．2 热释电传感器的结构 169
6．8．3 热释电红外传感器的应用 170
6．9 固态图像传感器 173
6．9．1 CCD图像传感器 173
6．9．2 MOS固态图像传感器 176
6．9．3 CCD与CMOS图像传感器的
性能比较 178
6．10 光纤传感器 179
6．10．1 概述 179
6．10．2 光纤的结构和传输原理 180
6．10．3 光纤传感器 181
习题 185

第7章 声敏传感器 186
7．1 声波的基本性质 186
7．1．1 声压及其描述 186
7．1．2 声功率和声强 187
7．1．3 声波的反射、折射、透射和
吸收 188
7．2 声敏传感器 190
7．2．1 电阻变换型声敏传感器 190
7．2．2 压电声敏传感器 191
7．2．3 电容式声敏传感器（静电型） 191
7．2．4 音响传感器 192
7．3 水声传感器 194
7．3．1 水声传感器的性能指标 194
7．3．2 水声传感器用郎之万型换能器 196
7．3．3 海底地貌仪 197
7．3．4 多普勒计程仪 198
7．3．5 相关计程仪 198
7．4 超声波传感器 199
7．4．1 超声波及其物理性质 199
7．4．2 超声波对超声场产生的作用
（效应） 200
7．4．3 超声波传感器 201
7．4．4 超声波传感器的应用 201
7．5 声表面波传感器 204
7．5．1 表面声波的类型 205
7．5．2 SAW传感器的结构与工作
原理 209
7．5．3 高分辨率SAW温度传感器 210
7．5．4 SAW气敏传感器 211
7．5．5 SAW压力传感器 212
7．5．6 声板波传感器 213
习题 215
第8章 气敏传感器 216
8．1 概述 216
8．2 气敏传感器的主要参数与特性 216
8．3 半导体气敏传感器 218
8．3．1 电阻型半导体气敏元件 218
8．3．2 半导体气敏二极管和MOSFET
气敏传感器 228
8．4 固态电解质气敏传感器 232
8．5 接触燃烧式气敏传感器 234
8．5．1 检测原理与结构 234
8．5．2 气敏特性 235
8．6 新型气敏传感器 236
8．6．1 红外吸收式传感器 236
8．6．2 热导率变化式气敏传感器 236
8．6．3 气敏半导体材料吸附机制及
器件 236
8．6．4 气-磁传感器 237
8．7 气敏传感器的应用 238
8．7．1 家用煤气、液化石油气泄漏
报警器 238
8．7．2 自动换气扇 238
8．7．3 自动抽油烟机 239
8．7．4 酒精检测报警器 239
8．7．5 缺氧检测 240
习题 241
第9章 湿敏传感器 242
9．1 湿度的基本概念 242
9．1．1 相对湿度和绝对湿度 242
9．1．2 露点 242
9．2 湿度传感器的特性参数 243
9．3 湿度传感器的分类 246
9．4 陶瓷式湿度传感器 246
9．4．1 陶瓷电阻式湿度传感器 246
9．4．2 陶瓷电容式湿度传感器 248
9．5 有机物及高分子聚合物湿度
传感器 249
9．5．1 高分子电阻式湿度传感器 249
9．5．2 高分子电容式湿度传感器 251
9．6 半导体结型和MOS型湿度
传感器 253
9．6．1 湿敏二极管 254
9．6．2 湿敏MOS场效应管 254
9．7 固体电解质界限电流式高温湿度
传感器 255
9．7．1 固体电解质界限电流式湿度
传感器的结构与工作原理 255
9．7．2 固体电解质界限电流式湿度
传感器的特性 256
9．8 溶性电解质湿度传感器 257
习题 259
第10章 生物传感器 260
10．1 生物传感器的基本概念 260
10．2 生物传感器的特点 261
10．3 生物反应基本知识 261
10．3．1 酶反应 261
10．3．2 微生物反应 263
10．3．3 免疫学反应 264
10．3．4 生物传感器膜技术和固定化
技术 265
10．3．5 基本电极 268
10．3．6 测量方式 268
10．4 生物传感器的工作原理及类型 269
10．4．1 酶传感器及其应用 269
10．4．2 微生物传感器及其应用 270
10．4．3 免疫传感器及其应用 270
10．4．4 半导体生物传感器及其应用 271
10．4．5 组织传感器 271
10．4．6 细胞传感器 273
10．4．7 基因芯片 274
习题 275
第11章 传感器的信号处理 276
11．1 信号测量电路 276
11．1．1 桥电路 276
11．1．2 电阻测量 285
11．1．3 电感测量 286
11．1．4 电容测量及电容检测电路 287
11．2 信号变换电路 295
11．2．1 电压―电流变换 296
11．2．2 电流―电压变换 299
11．3 阻抗匹配/信号放大电路 301
11．3．1 晶体管阻抗匹配器 301
11．3．2 场效应管阻抗匹配器 302
11．3．3 运算放大器阻抗匹配/信号
放大电路 303
11．4 信号分离/滤波电路 306
11．4．1 滤波器的基本知识 306
11．4．2 按频带分类的滤波器 308
11．4．3 按逼近方式分类的滤波器 312
11．4．4 按电路组成滤波器 312
习题 314
第12章 传感器的智能化和网络化 315
12．1 智能传感器 315
12．1．1 智能传感器的结构 315
12．1．2 智能传感器的功能 315
12．2 智能传感器的网络化 317
12．2．1 现场总线智能传感器 317
12．2．2 基于TCP/IP协议的网络化
智能传感器 320
12．3 无线传感器网络的概述 321
12．3．1 无线传感器网络的基本概念 321
12．3．2 无线传感器网络的特征 322
12．3．3 无线传感器网络的发展 324
12．3．4 无线传感器网络的应用 325
12．3．5 无线传感器网络所面临的
挑战 326
12．3．6 无线传感器网络体系结构 327
12．3．7 无线传感器网络的系统结构 327
12．3．8 无线传感器网络体系结构的
设计要求 329
12．3．9 无线传感器网络的关键技术 332
习题 338
参考文献 339

前言/序言

前 言

本书是《传感器原理及应用》一书的修订版，主要面向仪器、自动化和机械专业的本科生。本书采用原理与用途相结合的编排体系，以及以用途为主线的分类方式，便于相关专业学生理解书中的内容，也便于学生查阅资料。

教材修订的初衷如下：（1）以本科教学为出发点，以学生对相关知识的理解为目的，从新视角深入浅出地阐述相关的知识；（2）强化知识的系统性，便于学生从整体上了解相关知识；（3）强调教材和传感器发展的同步性，紧密跟踪传感器领域的最新进展；（4）修正上一版中存在的错误，并补充课后习题。

本书前10章的内容基本保持不变。除保持前一版系统性的稳定外，为提升教学效果，对教学的重点内容进行了充实与提高。第1章在保持传感器概论及相关基础知识体系稳定的情况下，对相关概念进行了更为科学的表述，充实了关于传感器动静态特性的内容，由于传感器的动态和静态特性是本章的重点与难点，因此这次修订时重新编写了相关的内容，以利于教学中对该问题的阐述，同时修正了此前的笔误；第2章系统介绍了与传感器密切相关的材料及加工工艺，对仪器、自动化和机械专业的学生而言，这部分内容的作用主要是拓展知识面，因此除修订印刷错误外，内容基本保持稳定。

第3～10章按照综合分类法介绍传感器的原理及应用，主要内容包括热学量（温敏）、力学量（力敏和声敏）、磁学量（磁敏）、光学量（光敏）、化学量（气敏和湿敏）及生物量（生物传感器）等传感器的原理、结构、性能指标及应用电路。其中，热学量（温敏）、力学量（力敏和声敏）、磁学量（磁敏）、光学量（光敏）传感器是仪器、自动化和机械专业学生的重点学习内容，为便于学生理解相关的概念，重新编写了这部分内容，并修订了上一版中的错误，增加了关于传感器应用的实例。

化学量（气敏和湿敏）、水声传感器及生物量（生物传感器）作为现代传感器技术的尖端领域，其应用领域日益广泛，并成为传感器领域发展的重要部分，本书力图通过对上述新型领域传感器的介绍，拓展学生的知识面。新版本保持了这部分内容的稳定性，仅更正了部分印刷错误。

新版对第1版中的第11章做了重大修改。由于在教学实践过程中发现该章的内容无法适应当前的教学要求，因此对该部分内容进行了重新编写，将其分为了两章，即第11章“传感器的信号处理”和第12章“传感器的智能化和网络化”。对新的第11章进行了系统整理，提升了传感器调理电路的理论知识，以便学生从理论高度理解传感器调理电路的共性问题，系统阐述了传感器信号的测量、变换及放大和分离的整个过程。为适应传感器与互联网+的深度融合，第12章丰富了网络化传感器的内容，以反映传感器原理课程与现代传感器应用的进展。

本书的修订工作由彭杰纲完成。电子科技大学自动化工程学院传感器原理课程组的詹慧琴、胡学海、邓罡、蒋毅、闫斌等老师提出了许多宝贵的意见，研究生祝悦和欧斌在教材编写和电子教案的准备过程中做了大量的工作，研究生杨超、何春秋、雍涛、董冠奇、吴俊、刘露、邹地长在教材的外文资料翻译和校对方面也做了不少工作，在此表示衷心的感谢！

教材的修订得到了电子科技大学高水平规划教材项目和新编特色教材建设项目的支持，在此表示感谢。

本书的编写参考了大量近年来出版的国内外相关技术资料，吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们深表谢意。

由于传感器技术发展迅速，作者学识有限，书中误漏之处难免，望广大读者批评指正。

作 者

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