传感器与探测器的物理原理和应用PDF电子书下载

第1章 物理量的传感和探测技术 1

1.1 概述 1

1.1.1 传感器和探测器的基本概念 1

1.1.2 传感器和探测器的演变 2

1.1.3 传感器和探测器的分类方法 3

1.1.4 传感器和探测器的技术参数 4

1.1.5 传感器和探测器的发展趋势 6

1.2 传感器和探测器世界 7

1.2.1 家用传感器和探测器 7

1.2.2 汽车传感器和探测器 8

1.2.3 医学诊断传感器和探测器 10

1.2.4 工业传感器和探测器 11

1.2.5 物理科学实验中的大型传感器和探测器系统 11

第2章 可见光和紫外光传感器 13

2.1 可见光和紫外光 13

2.1.1 可见光和紫外光的频谱 13

2.1.2 人眼作为可见光传感器 14

2.1.3 原子轨道电子的光电效应 15

2.2 半导体基本知识 16

2.2.1 半导体材料 16

2.2.2 半导体pn结及特性 19

2.2.3 半导体和金属的光电效应 21

2.2.4 半导体对光量子的吸收和光量子效率 23

2.3 半导体量子型传感器 24

2.3.1 光导型光传感器：光敏电阻 24

2.3.2 光敏二极管 26

2.3.3 光电池 28

2.3.4 雪崩光二极管 31

2.3.5 半导体单光子计数器 32

2.3.6 光敏三极管 35

2.4 半导体光图像传感器 36

2.4.1 电荷耦合器件 37

2.4.2 CMOS图像传感器 39

2.4.3 光敏二极管和CCD线阵列及微型光谱传感器 41

2.4.4 微透镜耦合图像传感器 42

2.5 真空管光传感器 43

2.5.1 光阴极 43

2.5.2 真空光二极管 46

2.5.3 真空光电倍增管 46

2.5.4 网栅倍增极光电倍增管 49

2.5.5 多阳极光电倍增管 49

2.5.6 微通道板光电倍增管 49

2.5.7 微通道板图像增强器 51

2.5.8 复合式光电倍增管 53

2.6 弱光探测和单个光子计数 54

2.6.1 外触发单光子计数 54

2.6.2 内触发单光子计数 55

2.7 紫外光传感器 56

2.7.1 紫外光的直接和间接探测 56

2.7.2 透紫外窗口材料 56

2.7.3 硅CCD紫外图像传感器 56

2.7.4 紫外光半导体二极管 57

2.7.5 紫外真空光电管 58

第3章 磁场传感器 59

3.1 概述 59

3.1.1 磁场的测量的历史 59

3.1.2 磁场强度测量范围 60

3.1.3 磁场传感器的应用 61

3.2 电磁感应磁场传感器 61

3.2.1 软磁性材料和硬铁磁材料 61

3.2.2 电磁线圈磁场传感器 63

3.2.3 磁通门磁场传感器 64

3.2.4 磁阻抗磁场传感器 66

3.3 洛伦兹力磁场传感器 67

3.3.1 霍尔效应和磁场测量 67

3.3.2 霍尔效应材料 69

3.3.3 霍尔效应磁场传感器 70

3.3.4 半导体霍尔效应磁敏电阻 71

3.3.5 磁敏二极管和磁敏三极管 73

3.4 铁磁性材料磁敏电阻 73

3.4.1 各向异性磁致电阻效应 74

3.4.2 AMR磁敏电阻 74

3.4.3 惠斯通电桥式磁敏电阻 75

3.5 巨磁电阻：载流子自旋相互作用磁场传感器 77

3.5.1 巨磁致电阻效应和器件 77

3.5.2 GMR的结构类型 79

3.5.3 自旋阀三极管磁场传感器 81

3.5.4 隧道磁致电阻效应磁敏电阻 81

3.6 超导量子干涉磁场传感器 82

3.6.1 超导体中的量子干涉 82

3.6.2 超导量子干涉器件（SQUID）原理 83

3.6.3 DC SQUID磁场传感器 85

3.7 光泵磁场传感器 87

3.7.1 碱金属的反常塞曼能级和磁场测量 87

3.7.2 光泵磁场传感器 88

3.8 质子磁进动磁场传感器 89

3.8.1 质子磁进动磁场传感器的原理 89

3.8.2 质子磁进动磁场传感器的设计 90

3.9 光导纤维磁场传感器 91

3.9.1 磁光效应磁场传感器 91

3.9.2 磁致伸缩光纤磁场传感器 92

3.10 磁场传感器小结 93

第4章 时间传感器 94

4.1 概述 94

4.1.1 时间的测量和应用 94

4.1.2 传统的时间传感器 95

4.2 压电石英晶体振荡器和石英钟 95

4.2.1 压电效应 96

4.2.2 压电石英晶体 98

4.2.3 压电石英晶体振荡器 98

4.2.4 石英晶体振荡器的频率精确度 100

4.3 原子钟 102

4.3.1 引言 102

4.3.2 原子能级超精细结构 102

4.3.3 原子钟原理和结构 103

4.3.4 原子钟的微型化 104

4.3.5 原子钟信号的无线电发射 105

第5章 位置传感器 106

5.1 概述 106

5.2 飞行时间法测距离传感器 107

5.2.1 飞行时间法距离测量原理 107

5.2.2 激光飞行时间法测距 108

5.2.3 超声波飞行时间法测距 109

5.2.4 电磁波测距 111

5.3 全球定位卫星系统GPS 111

5.3.1 全球定位卫星系统的部署 111

5.3.2 使用全球卫星定位信号定位的原理 112

5.3.3 差分GPS 113

5.4 电磁型非接触位置传感器 114

5.4.1 电磁感应位移传感器 114

5.4.2 涡流微位移传感器 115

5.4.3 电容微位移传感器 116

5.4.4 磁致伸缩位置传感器 117

5.4.5 基于磁场强度传感器的微位移传感器 118

5.5 光学位置传感器 119

5.5.1 光学三角距离传感器 119

5.5.2 光学位移编码尺 120

5.5.3 光束遮挡精密尺寸测量 121

5.5.4 光学干涉法测位移 122

5.5.5 光学法检测物体的存在 123

5.6 接触型位移传感器 124

5.6.1 电势差计式位移传感器 124

5.6.2 钢索位置传感器 124

5.6.3 线性差分变压器微位移传感器 125

5.7 角位移传感器 126

5.7.1 电势差计式角位移传感器 126

5.7.2 电容式角位移传感器 127

5.7.3 光学编码盘 127

5.7.4 电磁线圈型角位移传感器 127

5.7.5 基于永磁铁和磁场传感器的角位移传感器 128

第6章 线速度和角速度的测量 130

6.1 概述 130

6.1.1 线速度和角速度 130

6.1.2 速度传感器的分类 130

6.2 多普勒效应速度传感器 131

6.2.1 多普勒效应 131

6.2.2 超声波多普勒测速 132

6.2.3 微波多普勒测速及应用举例 134

6.2.4 激光多普勒效应测速 135

6.2.5 遥远天体多普勒频移测速 137

6.3 基于位置和时间传感器的速度测量 137

6.3.1 激光测速枪 138

6.3.2 GPS测速 138

6.4 振动速度传感器 139

6.4.1 基于微位移传感器的振动速度测量 139

6.4.2 激光多普勒振动仪 139

6.5 角速度传感器 141

6.5.1 光学计数器角速度传感器 141

6.5.2 旋转发电机角速度传感器 141

6.5.3 基于磁场传感器的角速度传感器 142

第7章 应变传感器 143

7.1 概述 143

7.2 利用压阻效应测量应变 144

7.2.1 压阻应变传感器的历史演变 144

7.2.2 压阻效应及导电材料的应变系数 145

7.2.3 压阻应变片 146

7.3 金属合金压阻应变片的设计和使用 147

7.3.1 金属材料的压阻效应 147

7.3.2 绕线式应变片 149

7.3.3 金属膜应变片 150

7.3.4 自补偿型金属合金薄膜应变片 153

7.3.5 应变传感器测量电路及仪表 153

7.4 半导体压阻应变传感器 154

7.4.1 半导体硅单晶应变片 154

7.4.2 半导体薄膜和厚膜压阻应变片 156

7.5 光导纤维应变传感器 157

7.5.1 光导纤维的原理、结构和特性 157

7.5.2 光纤传感器概述 159

7.5.3 基于光强度调制的光纤应变传感器 160

7.5.4 基于干涉原理的光纤应变传感器 160

7.5.5 布拉格光栅光纤应变传感器 164

7.5.6 光纤传感器的大规模部署 166

7.5.7 OTDR光纤应变传感器 166

7.5.8 光纤传感器的特点和应用小结 167

第8章 力和扭矩传感器 169

8.1 概述 169

8.2 传统测力传感器 169

8.2.1 天平和杆秤 169

8.2.2 弹簧秤 170

8.2.3 液压和气压式测力传感器 170

8.3 基于弹性元件的测力传感器 171

8.3.1 利用弹性元件测力的原理 171

8.3.2 基于应变片的测力传感器 172

8.3.3 基于微位移传感器的测力传感器 175

8.4 压电效应测力传感器 176

8.4.1 压电效应 176

8.4.2 压电效应材料 177

8.4.3 压电材料的性能比较 179

8.4.4 压电测力元件的电荷信号 180

8.4.5 压电测力元件电荷读出模式 181

8.4.6 PVDF测力传感器的结构和应用 183

8.5 高灵敏度力的测量 184

8.5.1 微天平 184

8.5.2 压电石英晶体振荡式微测力传感器 185

8.5.3 原子力显微镜 187

8.6 扭矩传感器 188

8.6.1 概述 188

8.6.2 扭转相位差扭矩传感器 189

8.6.3 应变片式扭矩传感器 190

8.6.4 磁弹性扭矩传感器 191

第9章 加速度、倾斜度和振动传感器 193

9.1 概述 193

9.1.1 加速度的定义 193

9.1.2 加速度测量的要求 193

9.1.3 加速度传感器的基本原理 194

9.1.4 加速度传感器的发展历史和应用 195

9.2 主动式加速度传感器 196

9.2.1 三种模式的压电加速度传感器 196

9.2.2 压电加速度传感器的设计 197

9.2.3 压电加速度传感器的指标 198

9.3 被动式加速度传感器 200

9.3.1 被动式加速度传感器的原理 200

9.3.2 电磁型被动式加速度传感器 201

9.3.3 电容型被动式加速度传感器 202

9.3.4 采用应变片的被动式加速度传感器 204

9.3.5 弦振动式加速度传感器 205

9.3.6 力平衡加速度传感器 206

9.4 光纤加速度传感器 207

9.4.1 干涉式光纤加速度传感器 207

9.4.2 基于光强度测量的加速度传感器 208

9.5 倾斜度传感器和陀螺仪 209

9.5.1 电解式倾斜度传感器 209

9.5.2 传统的惯性陀螺仪 211

9.5.3 微加工陀螺仪 211

9.6 加速度传感器在振动测量中的应用 213

9.6.1 振动的测量 213

9.6.2 振动测量中的频谱分析 214

9.6.3 冲击的传感 215

第10章 压强传感器 216

10.1 概述 216

10.1.1 流体的压强和测量 216

10.1.2 压强传感器的分类和应用 217

10.2 机械式压强传感器 217

10.2.1 液柱压强计 217

10.2.2 螺旋管压敏元件和机械读出法 218

10.2.3 弹性膜片压敏元件和压强计 219

10.2.4 波纹鼓压强敏感元件 220

10.3 采用位移传感器测量压强的方法 220

10.3.1 可变电势差计压强传感器 221

10.3.2 线性差分变压器压强传感器 221

10.3.3 电容式压强传感器 222

10.3.4 电容式硅微加工压强传感器 223

10.3.5 石英丝共振压强传感器 223

10.4 基于压阻应变片的压强传感器 224

10.4.1 电阻丝压强传感器 224

10.4.2 利用压阻应变片测量弹性膜片受压后的应变 225

10.4.3 贴片式应变压强传感器 226

10.4.4 薄膜式应变压强传感器 227

10.4.5 压阻式硅微加工压强传感器 227

10.5 压电式压强传感器 229

10.5.1 基于压电测力的动态压强传感器 229

10.5.2 与弹性膜片配合的压电石英晶体振荡型压强传感器 229

10.5.3 以压电石英晶体为弹性元件的压强传感器 230

10.6 光学效应压强传感器 230

10.6.1 光强度调制压强传感器 231

10.6.2 基于光弹性效应的光导纤维压强传感器 232

10.6.3 基于干涉效应的光纤压强传感器 232

10.7 压敏发光漆 233

10.7.1 受激发光和氧气的淬灭效应 233

10.7.2 受激发光压敏漆的应用 234

第11章 声波传感器与声波成像 235

11.1 声波的基本知识 235

11.1.1 声波 235

11.1.2 声波的传播 236

11.1.3 声波的强度尺度和衰减系数 238

11.1.4 声波的反射和折射定律 239

11.1.5 声波传感器与传播介质的耦合 240

11.2 语音传感器 241

11.2.1 语音传感器概述 241

11.2.2 碳粉传声器 242

11.2.3 电磁感应传声器 242

11.2.4 金属带式传声器 243

11.2.5 外偏置电容传声器 243

11.2.6 静电驻极体电容传声器 245

11.2.7 压电陶瓷传声器 245

11.2.8 磁阻式微型传声器 246

11.2.9 光反射式传声器 246

11.3 超声波传感器 247

11.3.1 无机压电超声波传感器 247

11.3.2 阵列型压电超声波传感器 248

11.3.3 电容型微加工超声波传感器 249

11.3.4 薄膜激光干涉超声波传感器 250

11.4 超声波成像和相控阵列 251

11.4.1 超声波成像原理 251

11.4.2 超声波束的聚焦和导向 252

11.4.3 超声波传感器线阵列和束流扫描 253

11.4.4 超声波二维相控阵列和成像原理 255

11.5 用声波探测物体内部结构 256

11.5.1 超声波传感器与传播介质的耦合 256

11.5.2 用超声波测量距离和厚度 257

11.5.3 超声波飞行时间法探伤及应用 258

11.5.4 超声波显微镜 259

11.5.5 地下地质结构探测 260

11.6 水声传感器和声呐 262

11.6.1 水声传感器 262

11.6.2 声呐 262

11.6.3 水下地质调查 264

11.7 医学超声波成像 264

11.7.1 医学超声波成像历史 265

11.7.2 现代医学超声波成像原理 265

11.7.3 扫描和显示方式 266

11.7.4 超声波医学成像使用的频率和图像分辨率 267

第12章 温度传感器 269

12.1 温度测量概述 269

12.1.1 温标和温度计的历史演变 269

12.1.2 温度传感器的类别 270

12.2 传统的温度计 271

12.2.1 气体热膨胀温度计 271

12.2.2 液体热膨胀温度计 271

12.2.3 固体热膨胀温度计 274

12.3 相变温度计 276

12.3.1 液晶相变温度计 276

12.3.2 金属相变温度控制器 277

12.4 热电偶温度传感器 277

12.4.1 热电效应的物理原理和材料 277

12.4.2 热电偶温度计的基本设计 281

12.4.3 热电偶的国际标准 282

12.4.4 应用热电偶测量温度的基本原理 284

12.4.5 热电偶热电系数的拟合 286

12.4.6 热电偶测温系统 288

12.4.7 有关热电效应机理的讨论 290

12.5 电阻性温度传感器 291

12.5.1 固体材料的电阻及电阻的温度系数 291

12.5.2 金属电阻温度探测器的材料 292

12.5.3 RTD电阻值和温度关系的数学描述 294

12.5.4 实用的金属RTD器件 295

12.5.5 电阻温度探测器RTD信号的读出 296

12.6 热敏电阻 298

12.6.1 热敏电阻概述 298

12.6.2 热敏电阻材料 299

12.6.3 热敏电阻制造工艺和封装形式 300

12.6.4 负温度系数热敏电阻 301

12.6.5 硅锗半导体热敏电阻 303

12.6.6 正温度系数热敏电阻 304

12.6.7 热敏电阻在机械和电器控制保护中的应用 304

12.6.8 热敏电阻在各行业中的应用 305

12.7 半导体硅pn结温敏元件 306

12.7.1 二极管pn结温敏元件的原理 306

12.7.2 二极管温敏元件的特性和应用 307

12.7.3 集成电路温敏器件 308

12.8 石英振荡器温度传感器 310

12.9 光纤温度传感器 310

12.9.1 基于热膨胀的光纤温度传感器 310

12.9.2 基于受激发光的光纤温度传感器 312

12.9.3 半导体吸收边界温度传感器 313

12.10 温度传感器小结 314

第13章 红外线传感器和温度遥测 316

13.1 红外线探测概述 316

13.1.1 红外电磁辐射的频谱 316

13.1.2 红外辐射透镜的材料 317

13.1.3 红外线传感器分类 319

13.2 非接触温度测量 320

13.2.1 黑体辐射和有关的物理定律 320

13.2.2 红外线非接触式温度测量 322

13.2.3 温度遥测应用举例 323

13.3 半导体量子效应红外传感器 324

13.3.1 红外半导体材料 324

13.3.2 半导体红外光敏电阻 326

13.3.3 pn结光伏型红外光敏二极管 327

13.3.4 肖特基势垒光伏型红外辐射传感器 328

13.3.5 半导体量子阱红外光传感器 329

13.3.6 半导体红外辐射量子效应图像传感器 331

13.4 辐射热效应红外传感器 333

13.4.1 辐射热效应红外传感器的基本特点 333

13.4.2 热敏电阻红外传感器 334

13.4.3 热电偶堆型红外辐射传感器 336

13.4.4 戈莱盒 338

13.5 热释电和铁电效应红外传感器 338

13.5.1 热释电效应和材料 338

13.5.2 热释电红外探测器 340

13.5.3 热释电和铁电效应热象图成像阵列 342

第14章 电磁波传感器 343

14.1 电磁波探测概述 343

14.1.1 电磁波频谱 343

14.1.2 电磁波的性质 344

14.1.3 电磁波传感器的应用 344

14.2 射频和微波无线电传感器 345

14.2.1 无线电波能量的收集 345

14.2.2 电磁波信号放大器 350

14.3 太赫兹电磁波和探测 353

14.3.1 概述 353

14.3.2 电子学太赫兹传感器 354

14.3.3 辐射热计太赫兹传感器 355

14.3.4 采用半导体热敏电阻的辐射热计 355

14.3.5 跳变边界型敏感型辐射热计 356

14.3.6 热电子辐射热计 357

14.3.7 超导体隧道结太赫兹传感器 358

14.3.8 外差混频电光晶体太赫兹传感器 358

14.4 电磁波的应用举例 359

14.4.1 无线音像数据传播 359

14.4.2 射频身份认证系统 361

14.4.3 涡流探伤 363

14.4.4 金属探测器 364

14.4.5 零售商品电磁防盗标签 365

14.4.6 雷达 367

14.4.7 探地雷达 368

14.4.8 工业电磁波成像 369

14.4.9 电磁波安全检查 370

14.4.10 医学核磁共振电磁波成像 372

第15章 湿度和含水量传感器 374

15.1 概述 374

15.1.1 湿度与含水量测量及其重要性 374

15.1.2 绝对湿度和相对湿度 374

15.1.3 湿度传感器的等级 376

15.1.4 湿度敏感材料 376

15.2 绝对湿度标准 377

15.3 可转移湿度标准传感器 377

15.3.1 压电石英晶体振荡器湿度传感器 377

15.3.2 镜面露点湿度传感器 378

15.3.3 电解式湿度传感器 380

15.4 建立在吸湿材料物理性质与湿度相关性上的湿度传感器 381

15.4.1 机械变形湿度传感器 381

15.4.2 电容性相对湿度传感器 382

15.4.3 电阻性湿度传感器 384

15.4.4 表面超声波湿度传感器 386

15.5 热效应湿度传感器 387

15.5.1 干湿球湿度传感器 387

15.5.2 氯化锂饱和盐湿度传感器 388

15.5.3 热传导绝对湿度传感器 389

15.6 光辐射湿度传感器 390

15.6.1 红外线吸收式绝对湿度传感器 390

15.6.2 光纤湿度传感器 392

15.6.3 湿度显示标签 393

15.7 固体液体含水量的测量 394

15.7.1 固体液体含水量的测量原理 394

15.7.2 通过测量固体液体的电性质测含水量 395

15.7.3 微波含水量传感器原理 396

15.7.4 微波强度法含水量测量 397

15.7.5 微波频谱法含水量测量 398

15.7.6 微波时域反射法测含水量 398

15.7.7 核磁共振法含水量测量 399

15.8 利用中子测量含水量 399

第16章 化学分子传感器 400

16.1 概述 400

16.1.1 探测化学分子的目的 400

16.1.2 化学分子传感器的探测原理及分类 401

16.2 电阻型和电容型化学分子传感器 402

16.2.1 对化学分子敏感的金属氧化物 402

16.2.2 无机半导体化学电阻 405

16.2.3 有机高分子化学电阻 407

16.2.4 化学电容 408

16.2.5 热效应化学分子传感器 408

16.3 电解型化学分子传感器 410

16.3.1 电解型化学分子传感的基本原理 410

16.3.2 液体电解质电势型化学分子传感器 411

16.3.3 液体电解质电流型化学分子传感器 413

16.3.4 固体电解质化学分子传感器 415

16.4 化学晶体管 417

16.4.1 化学二极管 418

16.4.2 化学三极管 419

16.5 超声波振动型化学分子传感器 421

16.5.1 厚度剪切模式压电石英分子质量传感器 422

16.5.2 表面超声波分子传感器 423

16.5.3 体声波分子传感器 424

16.5.4 超声波振动型分子传感器信号的形成和读出 424

16.5.5 微悬臂式化学传感器 426

16.6 红外光学分子传感器 427

16.6.1 概述 427

16.6.2 非色散红外光谱气体分子传感器 428

16.6.3 光声气体分子传感器 431

16.6.4 血氧传感器 431

16.6.5 红外光谱分析分子传感器 432

16.6.6 光电离分子传感器 433

16.7 基于其他物理效应的分子传感器 433

16.7.1 热传导式分子传感器 433

16.7.2 光纤分子传感器 434

第17章 真空传感器 436

17.1 概述 436

17.1.1 真空度 436

17.1.2 真空度传感器的三种类型 437

17.1.3 气体分子的平均自由程和真空测量 438

17.2 基于机械效应的真空传感器 439

17.2.1 液柱式压强差传感器 440

17.2.2 基于弹性压敏元件的真空传感器 440

17.2.3 麦克劳德真空规 441

17.2.4 气体阻尼式真空传感器 441

17.3 基于热传导的真空传感器 442

17.3.1 利用热传导效应测量真空度 442

17.3.2 热传导式真空传感器设计上的考虑 443

17.3.3 分子直接导热电热丝真空计 445

17.3.4 对流导热电热丝真空计 446

17.3.5 微皮拉尼热传导真空传感器 447

17.3.6 热电偶真空传感器 448

17.3.7 热传导真空传感器的测量模式 448

17.4 电离式真空传感器 449

17.4.1 热阴极离子真空传感器 449

17.4.2 冷阴极离子真空传感器 453

17.4.3 加磁场的热阴极真空传感器 456

17.4.4 质谱仪真空测量 457

第18章 流量传感器 461

18.1 概述 461

18.1.1 流量的测量 461

18.1.2 层流、紊流和雷诺数 462

18.2 压差式流量传感器 463

18.2.1 变截面压差式流量传感器 463

18.2.2 微型压差式流量传感器 464

18.3 转轮式流量传感器 465

18.3.1 旋转叶轮流量传感器 465

18.3.2 双转轮式流量传感器 466

18.4 障碍阻尼式流量传感器 467

18.4.1 变截面浮子流量传感器 467

18.4.2 阻尼靶式流量传感器 467

18.4.3 静态叶轮式流量传感器 468

18.5 复合向心力质量流传感器 469

18.6 电磁式质量流传感器 470

18.7 超声波流量传感器 471

18.7.1 超声波多普勒流量传感器 471

18.7.2 超声波飞行时间质量流传感器 472

18.7.3 超声波质量流传感器的应用说明 473

18.8 激光多普勒干涉流量传感器 473

18.9 热效应质量流传感器 474

18.9.1 热线质量流传感器 475

18.9.2 电热丝和热敏电阻结合的质量流传感器 476

18.9.3 热电偶质量流传感器 477

18.9.4 热管质量流传感器 477

18.9.5 微加工硅微型质量流传感器 478

18.10 卡门涡街质量流传感器 479

第19章 料位液位传感器 480

19.1 概述 480

19.2 压强法液位传感器 481

19.2.1 玻璃管液位传感器 481

19.2.2 利用压强差测量液位 481

19.3 浮子法液位传感器 482

19.3.1 用浮子配合位移传感器测量液位 482

19.3.2 浮子和磁耦合液位传感器 483

19.3.3 测力法液位测量 484

19.4 利用物料的物理性质测料位液位 485

19.4.1 电容法 485

19.4.2 电导法 486

19.4.3 热效应料位液位传感器 487

19.4.4 调谐音叉式科位液位传感器 488

19.4.5 磁致伸缩液位传感器 488

19.4.6 接触式微波反射料位液位传感器 489

19.5 非接触料位液位传感器 490

19.5.1 超声波料位液位传感器 490

19.5.2 光学料位液位传感器 490

19.5.3 非接触式微波反射料位液位传感器 493

19.5.4 射线料位液位传感器 493

第20章 计算机输入传感器 495

20.1 手指触摸传感器单元 495

20.1.1 机械式压敏电开关 495

20.1.2 压敏电阻触摸传感器 496

20.1.3 压阻和压电式触摸传感器 497

20.1.4 电容式触摸传感器 497

20.1.5 磁效应触摸传感器 498

20.1.6 光学触摸传感器 498

20.2 计算机输入鼠标 500

20.2.1 滚球式鼠标 500

20.2.2 光学鼠标 500

20.2.3 其他鼠标类的计算机输入装置 501

20.2.4 摇杆 502

20.3 触摸屏 503

20.3.1 电阻性触摸屏 504

20.3.2 电容性触摸屏 505

20.3.3 表面超声波触摸屏 506

20.3.4 光触摸屏 507

20.4 指纹识别 508

20.4.1 光学摄像指纹扫描器 509

20.4.2 电磁感应指纹识别 510

20.4.3 热图像指纹传感器 511

20.4.4 压力型指纹传感器 512

20.4.5 超声波阵列指纹传感器 512

20.5 磁盘和磁头 513

20.5.1 硬磁盘数据存储器 513

20.5.2 磁盘的读写 514

20.6 光盘 515

20.6.1 只读光盘 516

20.6.2 可写入光盘和可擦写光盘 517

第21章 高能带电粒子探测器 520

21.1 概述 520

21.1.1 高能粒子及探测 520

21.1.2 高能带电粒子的产生 521

21.2 高能带电粒子探测原理 525

21.2.1 高能带电粒子与物质的碰撞反应 525

21.2.2 高能带电粒子的能量损耗 526

21.2.3 气体探测器介质 529

21.2.4 强电场中的电子增殖原理 529

21.2.5 气体带电粒子探测器的工作模式 532

21.3 记录带电粒子电离径迹的探测器 533

21.3.1 照相底板与核乳胶板 533

21.3.2 云雾室 534

21.3.3 气泡室 534

21.3.4 火花室和流光室 536

21.4 电离室 537

21.4.1 电离室的原型金箔验电器 537

21.4.2 电离室的基本结构和工作原理 538

21.4.3 电离室介质的基本要求 538

21.4.4 气体和液体电离室的设计 540

21.4.5 电离室的工作模式 541

21.4.6 位置敏感电离室 545

21.5 气体丝室 545

21.5.1 气体单丝管 546

21.5.2 平面多丝正比室 550

21.5.3 平面漂移室 552

21.5.4 气体探测器的阴极读出 553

21.6 微结构气体室 554

21.6.1 气体电子增殖器 554

21.6.2 微网格气体电子放大器 556

21.7 平板电极气体室 557

21.7.1 电阻性电极板气体室 557

21.7.2 多气隙阻性电极气体室 558

21.8 三维气体粒子径迹室 559

21.8.1 圆柱形多丝漂移室 559

21.8.2 时间投影室 561

21.9 半导体粒子探测器 563

21.9.1 硅半导体高能带电粒子探测器概述 563

21.9.2 半导体二极管高能带电粒子探测器 566

21.9.3 硅微条阵列径迹探测器 569

21.9.4 二维阵列硅粒子径迹探测器 570

21.10 有机闪烁探测器 573

21.10.1 闪烁探测器的基本要求 573

21.10.2 有机闪烁体发光的机理和效率 573

21.10.3 有机单晶闪烁体 576

21.10.4 有机塑料闪烁体 577

21.10.5 有机液体闪烁体 581

21.11 瓦维洛夫-切连科夫光的探测器 583

21.11.1 瓦维洛夫-切连科夫光机理和性质 583

21.11.2 切连科夫光辐射体和应用 585

21.11.3 切连科夫探测器粒子种类鉴别 585

第22章 高能光子探测器 588

22.1 高能光子探测的基本知识 588

22.1.1 高能电磁辐射和高能光子 588

22.1.2 高能光子与探测器介质的相互作用 590

22.1.3 高能光子在介质中的衰减及辐射长度 593

22.1.4 高能光子的测量模式和量能器 594

22.2 气体X射线探测器 594

22.2.1 气体电离室 595

22.2.2 气体盖革计数管和正比管 596

22.3 半导体X射线探测器 597

22.3.1 平面型硅二极管X射线探测器 598

22.3.2 超纯硅和超纯锗探测器 598

22.3.3 重元素复合半导体探测器 601

22.4 X射线微量能器 602

22.5 固体无机闪烁体 604

22.5.1 概述 604

22.5.2 无机闪烁体按化学成分分类 604

22.5.3 固体无机闪烁体的发光机制 609

22.5.4 闪烁玻璃和陶瓷 611

22.5.5 无机闪烁单晶体的制备 612

22.5.6 闪烁晶体的读出 613

22.5.7 选择无机闪烁体时的考虑 615

22.6 液化惰性气体闪烁体 616

第23章 X射线医学成像 618

23.1 概述 618

23.1.1 X射线医学成像的历史发展 618

23.1.2 医学X射线发生器 619

23.1.3 医学X射线成像技术分类 621

23.1.4 积分模式和脉冲模式 623

23.1.5 X射线透射投影成像方法 624

23.1.6 X射线透射投影成像数学表达 625

23.2 传统的X射线投影成像探测器 626

23.2.1 X射线胶片 626

23.2.2 直视X射线荧光屏 626

23.2.3 X射线胶片暗盒 627

23.3 间接数字式X射线平面投影成像 629

23.3.1 X射线荧光储存增感屏成像技术 629

23.3.2 X射线图像增强管摄影检测 630

23.4 直接数字式X射线平面投影成像 632

23.4.1 CCD对闪烁荧光屏直接拍照 633

23.4.2 CCD与荧光屏直接耦合成像 634

23.4.3 大面积硅CCD图像板 634

23.4.4 机械式线扫描成像 636

23.4.5 荧光屏与非晶硅光二极管阵列耦合的图像板 637

23.4.6 半导体电离型直接数字化图像板 640

23.4.7 两种X射线图像板技术的比较 641

23.5 X射线计算机辅助断层扫描立体成像 642

23.5.1 CT成像原理 642

23.5.2 CT技术的历史演变 643

23.5.3 CT所使用的闪烁探测器 648

23.5.4 高气压气体电离室阵列 651

23.6 X射线骨密度测量 653

23.6.1 概述 653

23.6.2 双能X射线骨密度测量原理 654

23.6.3 平面投影骨密度扫描成像 655

23.6.4 双能X射线源和探测器 656

第24章 伽马射线探测器在诊断核医学中的应用 659

24.1 诊断核医学和伽马射线探测器 659

24.1.1 伽马射线成像概述 659

24.1.2 伽马射线成像的基本手续 660

24.1.3 伽马射线成像所用的放射性同位素 661

24.1.4 核医学放射性同位素的制备 663

24.1.5 伽马射线和X射线成像比较 665

24.2 伽马射线闪烁照相机和SPECT 665

24.2.1 单光子伽马射线投影成像方法 666

24.2.2 早期的甲状腺同位素扫描仪 667

24.2.3 针孔单光子伽马射线成像 668

24.2.4 采用准直板的单光子伽马射线照相机 670

24.2.5 单光子发射计算机断层照相机 671

24.3 正电子发射断层扫描成像 672

24.3.1 正电子发射断层扫描成像原理 672

24.3.2 PET的历史发展和探测器技术 676

24.4 伽马射线成像探测器 680

24.4.1 用于伽马射线成像的闪烁晶体 680

24.4.2 PET探测器的设计 682

24.3.3 闪烁晶体的读出 685

24.5 其他类型的伽马射线成像探测器 686

第25章 中子探测器 688

25.1 概述 688

25.1.1 中子及其探测 688

25.1.2 中子源 689

25.1.3 中子的弹性散射和慢化 691

25.1.4 设置在塑料慢化球体中的中子探测器 693

25.1.5 中子的核反应和中子敏感同位素 693

25.1.6 中子的吸收长度 697

25.1.7 中子探测器分类 700

25.2 气体中子探测器 700

25.2.1 氦3和三氟化硼气体管 701

25.2.2 裂变室 702

25.2.3 内表面涂其他中子转换剂薄膜的气体探测器 704

25.2.4 位置敏感气体中子探测器 704

25.2.5 无电源中子探测器 708

25.3 闪烁中子探测器 709

25.3.1 有机闪烁体中子探测器 709

25.3.2 无机闪烁热中子探测器 711

25.3.3 中子胶片暗盒和磷光存储增感屏 714

25.3.4 用光电倍增管阵列读出的中子闪烁屏 715

25.3.5 用CCD读出的中子闪烁屏 716

25.3.6 中子荧光屏和半导体带电粒子探测器阵列 717

25.3.7 中子荧光屏和微通道板 718

25.3.8 用波长转换纤维读出的中子荧光屏 719

25.4 半导体中子探测器 719

25.4.1 半导体中子探测原理 719

25.4.2 位置敏感半导体中子探测器 722

25.5 其他类型的中子探测器 723

25.5.1 超低温中子微量能器 723

25.5.2 中子辐射剂量计 724

第26章 辐射探测器的工业应用 726

26.1 概述 726

26.1.1 工业放射源 726

26.1.2 工业用辐射探测器 727

26.1.3 辐射强度和能谱测量 728

26.2 辐射探测器在工业计量和控制中的应用 730

26.2.1 核秤和辐射厚度计 730

26.2.2 辐射密度计 733

26.2.3 辐射料位计 734

26.2.4 烟雾报警器 734

26.2.5 中子湿度计 735

26.3 微量放射性监测 736

26.3.1 氡气探测 736

26.3.2 放射性物质的检测 737

26.3.3 放射性同位素示踪技术 737

26.3.4 放射性考古和地质断代 739

26.4 射线无损检测 740

26.4.1 概述 740

26.4.2 伽马射线和X射线照相无损检测 741

26.4.3 微聚焦X射线显微镜 743

26.4.4 X射线工业CT无损探伤 744

26.5 X射线和伽马射线口岸安全检查设备 745

26.5.1 概述 745

26.5.2 机场行李X射线透视检查 746

26.5.3 大型集装箱安检 747

26.5.4 笔形束流扫描成像安检技术 749

26.5.5 安检用X射线CT 752

26.5.6 低能X射线表面散射成像人体安检 753

26.6 中子安全检查设备 753

26.6.1 热中子活化分析安检设备 754

26.6.2 脉冲快中子散射成像和能谱分析 755

26.7 辐射石油测井 756

26.7.1 伽马射线测井 756

26.7.2 中子测井 757

第27章 基本粒子实验探测器系统 759

27.1 概述 759

27.1.1 基本粒子实验的探测对象 759

27.1.2 高能粒子加速器和对撞机 761

27.1.3 高能粒子探测器系统 762

27.2 顶点探测器 764

27.2.1 顶点探测器的功能 764

27.2.2 硅微条顶点探测器 765

27.2.3 CCD顶点探测器 766

27.2.4 像素顶点探测器 767

27.3 带电粒子动量磁谱仪 767

27.3.1 带电粒子动量测量的原理 768

27.3.2 多丝漂移室带电粒子径迹探测器 769

27.3.3 飞行时间投影室 769

27.3.4 大型硅微条径迹探测器 770

27.4 高能粒子量能器 771

27.4.1 高能粒子量能器基本知识 771

27.4.2 全吸收电磁量能器原理 773

27.4.3 闪烁晶体电磁量能器 774

27.4.4 切连科夫光全吸收电磁量能器 778

27.4.5 取样电磁量能器 779

27.4.6 强子簇射和能量测量 780

27.4.7 强子量能器的主动探测器 783

27.5 μ子探测器 784

27.5.1 塑料闪烁体μ子探测器 784

27.5.2 气体漂移管μ子径迹探测器 785

27.5.3 阻性板μ子探测器 785

27.6 高能对撞机物理实验探测器举例 786

第28章 高能天体物理学探测器 787

28.1 概述 787

28.1.1 宇宙射线分类 787

28.1.2 高能宇宙射线及其探测 788

28.2 地面高能宇宙射线粒子探测器 789

28.2.1 高能宇宙射线的能谱 789

28.2.2 广延大气簇射及探测 790

28.2.3 羊八井高山宇宙射线观测站 792

28.2.4 Pierre Auger超高能大气簇射探测器 793

28.2.5 大气切连科夫光成像望远镜 794

28.2.6 大气荧光成像望远镜 795

28.3 中微子天文学探测器 796

28.3.1 来自宇宙空间的中微子 796

28.3.2 中微子的探测原理 797

28.3.3 日本超神冈地下中微子探测器 798

28.3.4 深海水下中微子探测器 800

28.3.5 南极冰下中微子探测器 801

28.4 卫星发射的太空宇宙射线望远镜 801

28.4.1 软X射线天文学望远镜 802

28.4.2 硬X射线和伽马射线的编码屏成像 804

28.4.3 X射线爆发报警望远镜SWIFT 805

28.4.4 国际伽马射线天体物理实验室INTEGRAL 806

28.4.5 高能伽马射线空间观测站GLAST 808

后记 811