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第1章 绪论 1

1.1 传感器的地位和作用 1

1.2 传感器的相关概念 2

1.2.1 测量和测量系统 2

1.2.2 传感器的定义 3

1.2.3 传感器的分类 4

1.3 传感器的一般构成 7

1.3.1 传感器的基本组成 7

1.3.2 传感器的信号调理与接口 8

1.4 传感器技术的特点与发展趋势 11

1.4.1 传感器技术的特点 11

1.4.2 传感器技术的发展趋势 12

1.5 物联网用传感器的特点和发展趋势 13

1.5.1 物联网用传感器的需求及技术特点 13

1.5.2 物联网用传感器的技术与应用发展趋势 14

思考题与习题 14

第2章 传感器的性能与评价 16

2.1 传感器的特性概述 16

2.1.1 机械特性 16

2.1.2 工作特性 16

2.2 传感器的误差 17

2.2.1 理想传感器与实用中的局限性 17

2.2.2 误差及其来源 17

2.3 传感器的静态特性 19

2.3.1 输出与输入的静态函数关系 19

2.3.2 线性度 20

2.3.3 灵敏度与测量范围 21

2.3.4 迟滞特性与重复性 22

2.3.5 分辨力与阈值 23

2.3.6 稳定性 24

2.3.7 综合误差 24

2.4 传感器的动态特性 25

2.4.1 动态特性分析方法 25

2.4.2 频率响应特性与动态品质的关系 26

2.4.3 时域响应特性与动态品质的关系 28

2.5 传感器的标定 30

2.6 传感器的合理选用 32

思考题与习题 34

第3章 电阻、电容和电感的传感原理与测量方法 36

3.1 概述 36

3.2 电阻传感器与电阻参数的测量 37

3.2.1 电阻传感器原理与电阻测量问题 37

3.2.2 测量电阻时需要考虑的问题和方法 37

3.3 电容传感器原理与电容参数的测量 45

3.3.1 电容传感器原理 45

3.3.2 电容传感器的构成 47

3.3.3 电容参数的测量 48

3.4 电感传感器原理与电感参数的测量 57

3.4.1 电感的传感原理 57

3.4.2 电感参数的测量 61

思考题与习题 64

第4章 传感器中常用的物理效应与器件 65

4.1 概述 65

4.2 弹性效应和弹性元件 67

4.2.1 弹性敏感元件的基本特性 67

4.2.2 弹性元件的材料性能及稳定性处理 72

4.3 电阻应变效应和压阻效应及器件 73

4.3.1 电阻应变原理和电阻应变片 73

4.3.2 应变片和应变式传感器的特点及应用 75

4.3.3 压阻效应 76

4.4 压电效应与器件 82

4.4.1 压电效应与材料 82

4.4.2 压电元件的等效电路和测量电路 83

4.4.3 压电式传感器的结构 85

4.5 光电效应与传感器件 86

4.5.1 光电效应 86

4.5.2 光电效应主要器件及基本特性 88

4.5.3 集成光电检测器件 92

4.5.4 光电传感器的构成与类型 93

4.5.5 红外传感原理与探测器特点 95

4.6 光纤传感原理与类型 97

4.6.1 光纤传感原理 97

4.6.2 光纤传感器的工作原理及组成 101

4.7 磁电效应和磁敏器件 103

4.7.1 磁电效应与器件结构 103

4.7.2 霍尔效应与半导体器件 104

4.7.3 磁电阻效应与元件 108

4.7.4 磁敏晶体管 112

4.7.5 磁敏器件的应用 114

4.8 磁致伸缩效应和压磁效应 115

4.8.1 磁致伸缩效应 115

4.8.2 压磁效应 115

4.9 热阻效应、热电效应和热释电效应 116

4.9.1 热阻效应与热敏器件 116

4.9.2 热电效应及器件 117

4.9.3 热释电效应及器件 118

4.10 与声波有关的效应与器件 120

4.10.1 超声波检测的原理和超声波换能器 120

4.10.2 声表面波原理与器件 122

思考题与习题 125

第5章 机械量传感器 127

5.1 线位移传感器 127

5.1.1 磁阻式线位移传感器 128

5.1.2 光纤小位移传感器 129

5.1.3 光电式线位移传感器 132

5.2 物位传感器 133

5.2.1 超声波物位传感器 133

5.2.2 电容式物位传感器 134

5.2.3 磁致伸缩物位传感器 135

5.3 数字式位移传感器 136

5.3.1 绝对编码器式角位移传感器 136

5.3.2 增量编码器 140

5.3.3 光栅精密线位移传感器 142

5.4 速度传感器 144

5.4.1 光电式速度传感器 144

5.4.2 磁电式速度传感器 146

5.4.3 多普勒效应测速 147

5.5 转速传感器 149

5.5.1 光电式转速传感器 149

5.5.2 磁电感应式转速传感器 150

5.5.3 霍尔式转速传感器 151

5.6 加速度传感器 151

5.6.1 压电式加速度传感器 152

5.6.2 电容式加速度传感器 154

5.6.3 压阻式加速度传感器 154

5.7 力传感器 155

5.7.1 应变式力与称重传感器 155

5.7.2 压电式力传感器 159

5.7.3 膜片压力传感器 160

5.7.4 压电式压力传感器 163

5.7.5 光纤压力传感器 165

5.7.6 扭矩传感器 167

5.7.7 光栅扭矩传感器 168

5.7.8 磁弹性扭矩传感器 169

5.8 流量传感器 171

5.8.1 差压式流量传感器 172

5.8.2 涡轮式流量传感器 173

5.8.3 电磁式流量传感器 174

5.8.4 漩涡式流量传感器 175

5.8.5 超声波流量传感器 176

思考题与习题 177

第6章 热学量传感器 179

6.1 概述 179

6.1.1 温度测量的特点 179

6.1.2 测温方法与传感器的分类 180

6.2 金属热电阻温度传感器及测温电桥 180

6.3 半导体温度传感器 183

6.3.1 热敏电阻 183

6.3.2 PN结温度传感器 184

6.3.3 正比于热力学温度核心电路 185

6.4 热电偶 189

6.4.1 热电偶的构成要求与类型 189

6.4.2 热电偶测温所需的工作条件 190

6.5 光纤温度传感器 194

6.5.1 半导体谱带吸收式光纤温度传感器 194

6.5.2 折射式光纤温度传感器 195

思考题与习题 197

第7章 其他物理量传感器 199

7.1 光学量传感器 199

7.1.1 照度传感器 199

7.1.2 亮度传感器 199

7.1.3 红外和紫外光传感器 200

7.2 视觉传感器件 202

7.2.1 CCD图像传感器件 202

7.2.2 COMS图像传感器件 209

7.3 电流和电压传感器 214

7.3.1 霍尔电流传感器 214

7.3.2 磁平衡式霍尔电压传感器 215

7.3.3 光纤电压传感器 217

7.3.4 光纤电流传感器 219

思考题与习题 220

第8章 化学传感器 221

8.1 化学传感器概述 221

8.2 气体传感器 222

8.2.1 气体传感器概况 222

8.2.2 半导体式气体传感器 224

8.2.3 电化学式气体传感器 226

8.2.4 热化学气体传感器 228

8.2.5 其他气体传感器 229

8.3 湿度传感器 230

8.3.1 概述 230

8.3.2 半导体湿敏电阻元件 231

8.3.3 电容式湿敏元件 235

8.3.4 露点式湿度传感器 235

8.4 离子传感器 236

8.4.1 离子选择电极离子传感器 236

8.4.2 场效应管离子传感器 238

思考题与习题 239

第9章 集成传感器和微传感器 241

9.1 传感器的集成化 241

9.1.1 传感器集成化概述 241

9.1.2 典型集成传感器 243

9.1.3 集成磁阻传感器 246

9.2 机械量微传感器 250

9.2.1 微机械加工技术与机械量微传感器概述 250

9.2.2 典型微机械压力传感器 251

9.2.3 加速度微传感器 255

9.2.4 微机械陀螺 263

9.2.5 微型磁通门磁强计 265

9.3 热和红外辐射量微传感器 267

9.3.1 声表面波温度传感器 267

9.3.2 红外热敏微传感器 269

9.3.3 基于MEMS技术的气体微传感器 270

思考题与习题 274

第10章 智能传感器技术与网络化及接口标准 276

10.1 智能传感器概述 276

10.1.1 智能传感器的定义与结构 276

10.1.2 智能传感器的功能与性能特点 277

10.1.3 传感器智能化的途径 278

10.2 基本传感器的选用原则 278

10.3 智能化的主要实现方法和技术 279

10.3.1 非线性自校正 280

10.3.2 温度误差补偿 282

10.3.3 自校准和自适应增益及量程调整 286

10.4 网络化智能传感器及接口标准 289

10.4.1 网络化智能传感器 289

10.4.2 智能传感器接口标准——IEEE 1451 292

思考题与习题 300

第11章 低功耗的传感器电路设计和数据获取及处理方法 301

11.1 信号调理电路及低功耗设计原则 301

11.1.1 信号调理及低功耗的意义 301

11.1.2 常用信号调理电路功能类型 303

11.1.3 调理电路低功耗设计原则 304

11.2 典型信号调理集成器件及应用 306

11.2.1 专用集成调理器件 307

11.2.2 多功能集成调理器件 311

11.3 低功耗电源管理技术 325

11.3.1 动态电源管理设计 327

11.3.2 电源调整和按负载多方式分时供电 329

11.4 低功耗的数据获取方式——准数字传感器的数据转换与测量 332

11.4.1 频率式传感器的常见实现技术 333

11.4.2 准数字传感器的参数转换 336

11.4.3 时间调制信号的测量法 337

11.5 面向资源有限传感器节点的数字滤波与数据压缩方法 343

11.5.1 适应低端平台的数字滤波技术——中值滤波 344

11.5.2 适应低端硬件平台的数据压缩方法 346

思考题与习题 348

第12章 物联网典型应用中的传感器和典型节点方案 350

12.1 物联网典型应用中的传感器及其应用概况 350

12.1.1 智能家居中的传感器 350

12.1.2 环境监测中的传感器 359

12.1.3 健康监护中的人体生理量传感器 366

12.2 传感器节点典型解决方案举例 371

12.2.1 一种可持续监测振动的低功耗无线传感器节点方案 371

12.2.2 一种灌区监测无线传感器网络节点方案 379

12.2.3 一种穿戴式健康监护传感器节点方案 385

思考题与习题 399

参考文献 401