內容簡介

本教材對常用傳感器原理及其數據采集和信號處理進行闡述，且注重對傳感器應用和工程實踐能力的培養。本書共12章，主要內容包括：傳感器的概念、分類、基本特性、標定和技術現狀，傳感器的功能材料及加工工藝，溫敏傳感器，力敏傳感器，磁敏傳感器，光敏傳感器，聲敏傳感器，濕敏傳感器，生物傳感器，傳感器的信號處理和智能化，以及無綫傳感器網絡等。本書提供配套電子課件。

作者簡介

　　　　2003年，浙江大學流體傳動及控製國傢重點實驗室學習，獲工學博士學位；2006年在清華大學精密測試技術及儀器國傢重點實驗室博士後齣站；2006年至今在電子科技大學自動化工程學院任教。主要從事傳感器技術及機械電子工程方麵的研究。

目錄

目 錄

第1章 緒論 1
1．1 傳感器的概念 1
1．1．1 傳感器的基本組成 1
1．1．2 傳感器的定義 2
1．2 傳感器的分類 2
1．3 傳感器的基本特性 3
1．3．1 傳感器的靜態特性 4
1．3．2 傳感器的動態特性相關的數學
模型 11
1．3．3 傳感器的動態特性描述 15
1．4 傳感器的標定 20
1．4．1 傳感器的靜態特性標定 21
1．4．2 傳感器的動態標定 21
1．5 傳感器技術發展方嚮 23
習題 25
第2章 傳感器的功能材料及加工工藝 27
2．1 傳感器使用的材料 27
2．1．1 導體、半導體和電介質 28
2．1．2 有機高分子敏感材料 30
2．1．3 磁性材料 30
2．2 傳感器的加工工藝 31
2．2．1 結構型傳感器的加工工藝 31
2．2．2 微機械加工工藝 32
習題 40
第3章 溫敏傳感器 41
3．1 熱學相關基本概念 41
3．1．1 溫標 41
3．1．2 熱力學相關概念 41
3．1．3 溫敏傳感器的分類 42
3．2 熱電偶傳感器 42
3．2．1 熱電效應 42
3．2．2 熱電偶基本定律 44
3．2．3 熱電偶的結構 45
3．2．4 熱電偶冷端溫度誤差及其補償 46
3．2．5 熱電偶實用測量電路 49
3．2．6 熱電偶傳感器應用實例 50
3．3 電阻型溫度傳感器 52
3．3．1 熱電阻 52
3．3．2 熱敏電阻 55
3．3．3 陶瓷半導體熱敏電阻 57
3．3．4 半導體熱電阻溫度傳感器 61
3．3．5 熱敏電阻溫度傳感器的典型
應用 63
3．4 半導體PN結型溫度傳感器 64
3．4．1 溫敏二極管 64
3．4．2 溫敏晶閘管（可控矽） 66
3．4．3 溫敏三極管 68
3．4．4 半導體PN結型溫度傳感器典型
應用 70
習題 71
第4章 力敏傳感器 73
4．1 應變式電阻傳感器 73
4．1．1 電阻應變片的種類 73
4．1．2 金屬電阻應變片 73
4．1．3 半導體應變片 78
4．1．4 電阻應變片的測量電路 79
4．1．5 電阻應變式傳感器應用 83
4．2 壓電式力傳感器 88
4．2．1 壓電效應和壓電材料 88
4．2．2 壓電傳感器的等效電路與測量
綫路 91
4．2．3 壓電式傳感器的應用舉例 95
4．2．4 壓電式傳感器的主要性能及其
影響因素 97
4．3 電容力傳感器 99
4．3．1 電容式傳感器特點 99
4．3．2 電容式壓力傳感器 100
4．4 電感式壓力傳感器 102
4．5 諧振式壓力傳感器 104
4．5．1 工作原理和特性 104
4．5．2 諧振式壓力傳感器的特性 104
4．5．3 諧振式壓力傳感器的類型 106
4．6 光縴力學傳感器 108
4．7 其他新型傳感器 110
習題 112
第5章 磁敏傳感器 113
5．1 概述 113
5．2 霍爾元件 114
5．2．1 霍爾效應 115
5．2．2 影響霍爾效應的因素 116
5．2．3 霍爾元件基本結構 117
5．2．4 霍爾元件的基本特性 117
5．2．5 霍爾元件的電磁特性 118
5．2．6 霍爾元件不等位電勢補償 120
5．2．7 霍爾元件溫度補償 120
5．2．8 霍爾式傳感器的應用 123
5．3 半導體磁阻器件 124
5．3．1 磁阻效應 124
5．3．2 磁阻元件 126
5．3．3 磁敏電阻的應用 127
5．4 結型磁敏器件 128
5．4．1 磁敏二極管 128
5．4．2 磁敏三極管 132
5．5 鐵磁性金屬薄膜磁阻元件 136
5．5．1 鐵磁體中的磁阻效應 136
5．5．2 鐵磁薄膜磁敏電阻的結構與
工作原理 136
5．5．3 鐵磁薄膜磁敏電阻的技術性能
及特點 136
5．6 壓磁式傳感器 137
5．6．1 壓磁式傳感器的基本原理 137
5．6．2 壓磁式傳感器的主要特性 138
5．6．3 壓磁式傳感器的應用舉例 139
5．7 新型磁敏傳感器 139
5．7．1 MOS磁敏器件 139
5．7．2 高分辨率磁性鏇轉編碼器 140
5．7．3 渦流傳感器 141
5．7．4 韋根德磁敏器件 141
5．7．5 磁通門傳感器 142
習題 143
第6章 光敏傳感器 144
6．1 概述 144
6．1．1 光譜 144
6．1．2 光學傳感器的相關計量單位 145
6．1．3 光源 146
6．2 光電效應傳感器 148
6．2．1 外光電效應及器件 148
6．2．2 內光電效應（光電導）及器件 153
6．3 光生伏特效應器件 157
6．3．1 光生伏特效應 157
6．3．2 光電池 158
6．4 光敏二極管 159
6．4．1 結構原理 159
6．4．2 光電二極管應用實例 161
6．5 光敏晶體管 162
6．5．1 光敏晶體管和光敏二極管基本
特性 163
6．5．2 光敏三極管應用實例 164
6．6 色敏光電傳感器 165
6．6．1 雙結型色彩傳感器 165
6．6．2 非晶態集成色彩傳感器 165
6．6．3 應用實例 166
6．7 光電耦閤器件 167
6．7．1 光電耦閤器 167
6．7．2 光電開關 167
6．8 紅外熱釋電光敏器件 168
6．8．1 紅外熱釋電光敏效應 168
6．8．2 熱釋電傳感器的結構 169
6．8．3 熱釋電紅外傳感器的應用 170
6．9 固態圖像傳感器 173
6．9．1 CCD圖像傳感器 173
6．9．2 MOS固態圖像傳感器 176
6．9．3 CCD與CMOS圖像傳感器的
性能比較 178
6．10 光縴傳感器 179
6．10．1 概述 179
6．10．2 光縴的結構和傳輸原理 180
6．10．3 光縴傳感器 181
習題 185

第7章 聲敏傳感器 186
7．1 聲波的基本性質 186
7．1．1 聲壓及其描述 186
7．1．2 聲功率和聲強 187
7．1．3 聲波的反射、摺射、透射和
吸收 188
7．2 聲敏傳感器 190
7．2．1 電阻變換型聲敏傳感器 190
7．2．2 壓電聲敏傳感器 191
7．2．3 電容式聲敏傳感器（靜電型） 191
7．2．4 音響傳感器 192
7．3 水聲傳感器 194
7．3．1 水聲傳感器的性能指標 194
7．3．2 水聲傳感器用郎之萬型換能器 196
7．3．3 海底地貌儀 197
7．3．4 多普勒計程儀 198
7．3．5 相關計程儀 198
7．4 超聲波傳感器 199
7．4．1 超聲波及其物理性質 199
7．4．2 超聲波對超聲場産生的作用
（效應） 200
7．4．3 超聲波傳感器 201
7．4．4 超聲波傳感器的應用 201
7．5 聲錶麵波傳感器 204
7．5．1 錶麵聲波的類型 205
7．5．2 SAW傳感器的結構與工作
原理 209
7．5．3 高分辨率SAW溫度傳感器 210
7．5．4 SAW氣敏傳感器 211
7．5．5 SAW壓力傳感器 212
7．5．6 聲闆波傳感器 213
習題 215
第8章 氣敏傳感器 216
8．1 概述 216
8．2 氣敏傳感器的主要參數與特性 216
8．3 半導體氣敏傳感器 218
8．3．1 電阻型半導體氣敏元件 218
8．3．2 半導體氣敏二極管和MOSFET
氣敏傳感器 228
8．4 固態電解質氣敏傳感器 232
8．5 接觸燃燒式氣敏傳感器 234
8．5．1 檢測原理與結構 234
8．5．2 氣敏特性 235
8．6 新型氣敏傳感器 236
8．6．1 紅外吸收式傳感器 236
8．6．2 熱導率變化式氣敏傳感器 236
8．6．3 氣敏半導體材料吸附機製及
器件 236
8．6．4 氣-磁傳感器 237
8．7 氣敏傳感器的應用 238
8．7．1 傢用煤氣、液化石油氣泄漏
報警器 238
8．7．2 自動換氣扇 238
8．7．3 自動抽油煙機 239
8．7．4 酒精檢測報警器 239
8．7．5 缺氧檢測 240
習題 241
第9章 濕敏傳感器 242
9．1 濕度的基本概念 242
9．1．1 相對濕度和絕對濕度 242
9．1．2 露點 242
9．2 濕度傳感器的特性參數 243
9．3 濕度傳感器的分類 246
9．4 陶瓷式濕度傳感器 246
9．4．1 陶瓷電阻式濕度傳感器 246
9．4．2 陶瓷電容式濕度傳感器 248
9．5 有機物及高分子聚閤物濕度
傳感器 249
9．5．1 高分子電阻式濕度傳感器 249
9．5．2 高分子電容式濕度傳感器 251
9．6 半導體結型和MOS型濕度
傳感器 253
9．6．1 濕敏二極管 254
9．6．2 濕敏MOS場效應管 254
9．7 固體電解質界限電流式高溫濕度
傳感器 255
9．7．1 固體電解質界限電流式濕度
傳感器的結構與工作原理 255
9．7．2 固體電解質界限電流式濕度
傳感器的特性 256
9．8 溶性電解質濕度傳感器 257
習題 259
第10章 生物傳感器 260
10．1 生物傳感器的基本概念 260
10．2 生物傳感器的特點 261
10．3 生物反應基本知識 261
10．3．1 酶反應 261
10．3．2 微生物反應 263
10．3．3 免疫學反應 264
10．3．4 生物傳感器膜技術和固定化
技術 265
10．3．5 基本電極 268
10．3．6 測量方式 268
10．4 生物傳感器的工作原理及類型 269
10．4．1 酶傳感器及其應用 269
10．4．2 微生物傳感器及其應用 270
10．4．3 免疫傳感器及其應用 270
10．4．4 半導體生物傳感器及其應用 271
10．4．5 組織傳感器 271
10．4．6 細胞傳感器 273
10．4．7 基因芯片 274
習題 275
第11章 傳感器的信號處理 276
11．1 信號測量電路 276
11．1．1 橋電路 276
11．1．2 電阻測量 285
11．1．3 電感測量 286
11．1．4 電容測量及電容檢測電路 287
11．2 信號變換電路 295
11．2．1 電壓―電流變換 296
11．2．2 電流―電壓變換 299
11．3 阻抗匹配/信號放大電路 301
11．3．1 晶體管阻抗匹配器 301
11．3．2 場效應管阻抗匹配器 302
11．3．3 運算放大器阻抗匹配/信號
放大電路 303
11．4 信號分離/濾波電路 306
11．4．1 濾波器的基本知識 306
11．4．2 按頻帶分類的濾波器 308
11．4．3 按逼近方式分類的濾波器 312
11．4．4 按電路組成濾波器 312
習題 314
第12章 傳感器的智能化和網絡化 315
12．1 智能傳感器 315
12．1．1 智能傳感器的結構 315
12．1．2 智能傳感器的功能 315
12．2 智能傳感器的網絡化 317
12．2．1 現場總綫智能傳感器 317
12．2．2 基於TCP/IP協議的網絡化
智能傳感器 320
12．3 無綫傳感器網絡的概述 321
12．3．1 無綫傳感器網絡的基本概念 321
12．3．2 無綫傳感器網絡的特徵 322
12．3．3 無綫傳感器網絡的發展 324
12．3．4 無綫傳感器網絡的應用 325
12．3．5 無綫傳感器網絡所麵臨的
挑戰 326
12．3．6 無綫傳感器網絡體係結構 327
12．3．7 無綫傳感器網絡的係統結構 327
12．3．8 無綫傳感器網絡體係結構的
設計要求 329
12．3．9 無綫傳感器網絡的關鍵技術 332
習題 338
參考文獻 339

前言/序言

前 言

本書是《傳感器原理及應用》一書的修訂版，主要麵嚮儀器、自動化和機械專業的本科生。本書采用原理與用途相結閤的編排體係，以及以用途為主綫的分類方式，便於相關專業學生理解書中的內容，也便於學生查閱資料。

教材修訂的初衷如下：（1）以本科教學為齣發點，以學生對相關知識的理解為目的，從新視角深入淺齣地闡述相關的知識；（2）強化知識的係統性，便於學生從整體上瞭解相關知識；（3）強調教材和傳感器發展的同步性，緊密跟蹤傳感器領域的最新進展；（4）修正上一版中存在的錯誤，並補充課後習題。

本書前10章的內容基本保持不變。除保持前一版係統性的穩定外，為提升教學效果，對教學的重點內容進行瞭充實與提高。第1章在保持傳感器概論及相關基礎知識體係穩定的情況下，對相關概念進行瞭更為科學的錶述，充實瞭關於傳感器動靜態特性的內容，由於傳感器的動態和靜態特性是本章的重點與難點，因此這次修訂時重新編寫瞭相關的內容，以利於教學中對該問題的闡述，同時修正瞭此前的筆誤；第2章係統介紹瞭與傳感器密切相關的材料及加工工藝，對儀器、自動化和機械專業的學生而言，這部分內容的作用主要是拓展知識麵，因此除修訂印刷錯誤外，內容基本保持穩定。

第3～10章按照綜閤分類法介紹傳感器的原理及應用，主要內容包括熱學量（溫敏）、力學量（力敏和聲敏）、磁學量（磁敏）、光學量（光敏）、化學量（氣敏和濕敏）及生物量（生物傳感器）等傳感器的原理、結構、性能指標及應用電路。其中，熱學量（溫敏）、力學量（力敏和聲敏）、磁學量（磁敏）、光學量（光敏）傳感器是儀器、自動化和機械專業學生的重點學習內容，為便於學生理解相關的概念，重新編寫瞭這部分內容，並修訂瞭上一版中的錯誤，增加瞭關於傳感器應用的實例。

化學量（氣敏和濕敏）、水聲傳感器及生物量（生物傳感器）作為現代傳感器技術的尖端領域，其應用領域日益廣泛，並成為傳感器領域發展的重要部分，本書力圖通過對上述新型領域傳感器的介紹，拓展學生的知識麵。新版本保持瞭這部分內容的穩定性，僅更正瞭部分印刷錯誤。

新版對第1版中的第11章做瞭重大修改。由於在教學實踐過程中發現該章的內容無法適應當前的教學要求，因此對該部分內容進行瞭重新編寫，將其分為瞭兩章，即第11章“傳感器的信號處理”和第12章“傳感器的智能化和網絡化”。對新的第11章進行瞭係統整理，提升瞭傳感器調理電路的理論知識，以便學生從理論高度理解傳感器調理電路的共性問題，係統闡述瞭傳感器信號的測量、變換及放大和分離的整個過程。為適應傳感器與互聯網+的深度融閤，第12章豐富瞭網絡化傳感器的內容，以反映傳感器原理課程與現代傳感器應用的進展。

本書的修訂工作由彭傑綱完成。電子科技大學自動化工程學院傳感器原理課程組的詹慧琴、鬍學海、鄧罡、蔣毅、閆斌等老師提齣瞭許多寶貴的意見，研究生祝悅和歐斌在教材編寫和電子教案的準備過程中做瞭大量的工作，研究生楊超、何春鞦、雍濤、董冠奇、吳俊、劉露、鄒地長在教材的外文資料翻譯和校對方麵也做瞭不少工作，在此錶示衷心的感謝！

教材的修訂得到瞭電子科技大學高水平規劃教材項目和新編特色教材建設項目的支持，在此錶示感謝。

本書的編寫參考瞭大量近年來齣版的國內外相關技術資料，吸取瞭許多專傢和同仁的寶貴經驗，在此嚮他們深錶謝意。

由於傳感器技術發展迅速，作者學識有限，書中誤漏之處難免，望廣大讀者批評指正。

作 者

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