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第1篇　传感基础 1

第1章　绪论 1

1.1　传感器及其分类 1

1.1.1　传感器的定义 1

1.1.2　传感器的分类 2

1.1.3　传感器与传感技术 4

1.2　信息与传感 5

1.2.1　信息与信息技术 5

1.2.2　信息的基本特征 7

1.2.3　传感技术是信息的源头技术 10

1.2.4　测量系统的信息模型 12

1.3　传感技术的特点和作用 17

1.3.1　传感技术的特点 17

1.3.2　传感技术的地位与作用 18

1.4　现代传感技术的发展现状与趋势 21

1.4.1　现代传感技术的发展现状 21

1.4.2　我国传感器产业发展现状及与国外的差距 23

1.4.3　现代传感技术的发展趋势 25

思考题 27

第2章　传感器的理论基础 28

2.1　信息获取与信息感知 28

2.1.1　信息获取 28

2.1.2　传感器涉及的基础理论 29

2.2 自然规律与传感器 32

2.2.1　守恒定律 32

2.2.2　场的定律——关于物质作用的定律 33

2.2.3　物质定律 35

2.2.4　统计物理学法则 39

2.3　传感器的基础效应 40

2.3.1　物质效应与物性型传感器 40

2.3.2　光电效应 40

2.3.3　电光效应 44

2.3.4　磁光效应 45

2.3.5　磁电效应 47

2.3.6　热电效应和热释电效应 48

2.3.7　压电、压阻和磁致伸缩效应 50

2.3.8　约瑟夫逊效应与核磁共振 52

2.3.9　光的多普勒效应和萨古纳克效应 54

2.3.10　声音的多普勒效应及声电、声光效应 56

2.3.11　与化学有关的效应 57

2.3.12　纳米效应 58

2.4　传感器的新型敏感材料 61

2.4.1　敏感材料的工作机理 61

2.4.2　敏感材料的类型与特性 61

2.4.3　新型敏感材料 63

2.5　弹性敏感元件 73

2.5.1　概述 73

2.5.2　弹性敏感元件的基本特性 74

2.5.3　弹性敏感元件的材料 76

2.5.4　典型弹性敏感元件 76

思考题 78

第3章　传感器构成论 79

3.1　传感器的构成方法 79

3.1.1　传感器的基本构成 79

3.1.2　传感器的结构类型 80

3.2　传感器与被测对象的关联 84

3.2.1　传感器与固体对象的关联 84

3.2.2　传感器与流体对象的关联 85

3.3　传感器对信号的选择 85

3.3.1　传感器信号选择机理 85

3.3.2　传感器的信号选择方式 86

3.4　传感器的传递矩阵 89

3.4.1　二端口传感器的一般表达式 89

3.4.2　二端口传感器的传递矩阵 90

3.4.3　二端口传感器的负载效应 91

3.4.4　传感器的广义输入、输出特性 92

3.4.5 负载效应的理论机理及消除方法 94

3.5　双向传感器统一理论 95

3.6　传感器敏感元件的加工新技术 95

3.6.1　薄膜技术 95

3.6.2　微细加工技术 96

3.6.3　离子注入技术 96

3.7　传感器的性能指标 97

3.7.1　传感器的静态数学模型及其静态特性指标 98

3.7.2　传感器的动态数学模型及其动态特性指标 102

3.7.3　传感器的其他性能指标 109

3.8　传感器的不失真测量条件 114

3.8.1　输出信号的失真 114

3.8.2　不失真测量条件 115

思考题 116

第4章　传感器的应用基础 117

4.1　测量概述 117

4.1.1　测量与计量 117

4.1.2　测量误差的概念 118

4.1.3　测量精度 120

4.1.4　测量的基本方法 122

4.1.5　测量系统 123

4.2　量值的传递与溯源 124

4.2.1　量值的概念 124

4.2.2　量值的传递 124

4.2.3　量值的溯源 125

4.2.4　量值传递与量值溯源的区别 126

4.3　传感器的标定与校准 127

4.3.1　标定和校准 127

4.3.2　传感器的静态标定 130

4.3.3　传感器的动态标定 130

4.4　传感器的误差与信噪比 133

4.4.1　传感器的误差 133

4.4.2　传感器的信噪比 133

4.5　噪声及其抑制 135

4.5.1　干扰与噪声 135

4.5.2　传感器的噪声 135

4.5.3　噪声的耦合方式 136

4.5.4　传感器的低噪化方法 137

4.6　传感器中的抗干扰措施 138

4.6.1　屏蔽 138

4.6.2　接地 141

4.6.3　浮置 142

4.6.4　滤波 142

4.6.5　光电耦合 144

4.6.6　印制电路板的抗干扰 144

4.6.7　传感器的抗干扰 145

4.7　改善传感器性能的技术途径 146

4.7.1　结构、材料与参数的合理选择 146

4.7.2　差动技术 146

4.7.3　平均技术 146

4.7.4　补偿与校正 147

4.7.5　稳定性处理 147

4.7.6　屏蔽、隔离和干扰抑制 148

4.7.7　零示法、微差法与闭环技术 148

4.7.8　集成化与智能化 150

4.8　选用传感器的一般原则 151

思考题 151

第1篇参考文献 153

第2篇　典型传感技术 155

第5章　光电传感技术 155

5.1　概述 155

5.1.1　光学基础知识 155

5.1.2　光电式传感器的组成及特点 159

5.2　传感器用光源 159

5.2.1　对光源的基本要求 160

5.2.2　常用光源 160

5.3　光电探测器件及弱信号探测技术 163

5.3.1　光电探测器件 163

5.3.2　弱信号探测 167

5.4　激光传感技术 172

5.4.1　激光干涉法 172

5.4.2　激光衍射法 173

5.4.3　激光莫尔法 175

5.4.4　激光扫描法 176

5.4.5　激光准直法 177

5.4.6　激光测距 178

5.4.7　散斑测量 179

5.4.8　全息干涉测量 182

5.5　红外传感技术 185

5.5.1　红外辐射的基本知识 185

5.5.2　红外辐射的基本定律 185

5.5.3　红外探测器 187

5.5.4　红外传感系统的组成 188

5.5.5　红外探测的光学系统 189

5.5.6　红外探测的辅助电路 189

5.5.7　红外测温 191

5.5.8　红外成像 192

5.5.9　红外无损检测 193

思考题 194

第6章　光纤传感技术 195

6.1　光纤概述 195

6.1.1　光纤的基本概念 195

6.1.2　光纤的损耗与色散 197

6.1.3　光纤的偏振与双折射 198

6.2　光纤用光源和传输连接器件 199

6.2.1　光纤用光源 199

6.2.2　光纤无源器件 200

6.3　光纤传感原理 205

6.3.1　光纤传感器 205

6.3.2　光纤中的光波调制技术 206

6.4　光纤光栅传感器 209

6.4.1　光纤光栅概述 209

6.4.2　光纤光栅传感器原理及特点 211

6.4.3　光纤光栅的耦合模理论 212

6.4.4　光纤光栅传感探测解调技术 212

6.4.5　长周期光纤光栅 216

6.5　光纤传感器的应用 218

6.5.1　光纤位移传感器 218

6.5.2　光纤压力传感器 220

6.5.3　光纤温度传感器 221

6.5.4　化学溶液浓度的测量 222

6.5.5　船舶结构健康监测系统 222

思考题 223

第7章　视觉传感技术 224

7.1　概述 224

7.1.1　生物视觉与机器视觉 224

7.1.2 Marr计算机视觉理论 225

7.1.3　视觉传感测量技术的发展 226

7.2　图像传感器 227

7.2.1　摄像管工作原理 227

7.2.2　电荷耦合摄像器件工作原理 228

7.2.3 CCD图像传感器 230

7.2.4 CMOS图像传感器 231

7.2.5 CCD与CMOS图像传感器的比较 233

7.3 3D视觉传感技术 234

7.3.1 3D视觉传感原理 234

7.3.2　摄像机模型及结构参数标定技术 235

7.3.3　结构光视觉传感器 237

7.3.4　双目立体视觉传感器 239

7.3.5　组合视觉测量系统 240

7.4　智能视觉传感技术 241

7.4.1　智能视觉传感器及其结构组成 241

7.4.2　智能视觉传感器的特点及其发展趋势 242

7.4.3　典型的智能视觉传感器 243

7.5　视觉传感应用技术 244

7.5.1　汽车车身视觉检测系统 244

7.5.2　钢管直线度、截面尺寸在线视觉测量系统 245

7.5.3　三维形貌视觉测量 246

7.5.4　光学数码三维坐标测量 247

思考题 248

第8章　声表面波传感技术 249

8.1　概述 249

8.2　声表面波技术基础知识 251

8.2.1　声波及声表面波 251

8.2.2　声表面波的主要性质 251

8.2.3　声表面波的激发——叉指换能器 253

8.3　研究SAW问题的相关基本理论 254

8.3.1　压电效应及其本构方程 254

8.3.2　压电体内的波动方程 254

8.3.3　压电介质中的Christofel方程 255

8.3.4　压电基片切型表示 255

8.3.5　张量的坐标转换 257

8.3.6　声表面波特性的理论分析 258

8.4 SAW传感器技术 259

8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理 259

8.4.2　SAW传感器的信号检测与处理 261

8.4.3 SAW传感器的温度补偿 264

8.5　典型声表面波传感器简介 267

8.5.1　声表面波压力（应力）传感器 267

8.5.2　声表面波气体传感器 269

8.5.3　声表面波标签 272

思考题 274

第9章　生物传感技术 275

9.1　概述 275

9.1.1　生物传感器的工作原理 275

9.1.2　生物传感技术的发展历史 276

9.1.3　生物传感器的分类 276

9.2　生物传感技术的分子识别原理与技术 277

9.2.1　酶反应 277

9.2.2　微生物反应 279

9.2.3　免疫反应 280

9.2.4　膜技术 282

9.3　生物传感器仪器技术及其应用 284

9.3.1　酶传感器 284

9.3.2　微生物传感器 286

9.3.3　免疫传感器 290

9.3.4　基因传感器 295

9.3.5　微悬臂梁生物传感器 298

9.3.6　生物芯片技术 301

思考题 303

第10章　化学传感技术 305

10.1　概述 305

10.1.1　化学传感器的工作原理 305

10.1.2　化学传感技术的发展历史 306

10.1.3　化学传感器的分类 306

10.2　气敏化学传感技术及其应用 307

10.2.1　引言 307

10.2.2　气敏传感器的主要特性 308

10.2.3　半导体气敏传感器 309

10.2.4　固态电解质气敏传感器 313

10.2.5　其他气敏传感器 315

10.3　化学离子选择电极及其应用 317

10.3.1　引言 317

10.3.2　离子敏选择电极的原理及基本构造 318

10.3.3 pH玻璃电极 320

10.3.4　晶体膜电极 322

10.3.5　活动载体膜电极 323

10.3.6　离子选择性场效应晶体管 326

10.3.7　离子选择性电极的特点及应用 329

思考题 332

第11章　前沿传感技术 333

11.1　概述 333

11.2　微机电传感器 333

11.2.1　微传感器 333

11.2.2　微机电传感器的基础理论和技术基础 333

11.2.3　几种典型微机电传感器 338

11.3　软测量与软传感器 343

11.3.1　软测量概述 343

11.3.2　软测量技术基本原理 344

11.3.3　软测量技术的应用 347

11.4　模糊传感器 349

11.4.1　模糊理论与模糊传感器 349

11.4.2　模糊传感器的结构 351

11.4.3　模糊传感器的应用 353

11.5　混沌测量 356

11.5.1　混沌理论概述 356

11.5.2　混沌在测量中的应用 358

11.6　仿生传感器 362

11.6.1　仿生学概述 362

11.6.2　仿生传感器的工作原理 363

11.6.3　电子鼻 364

思考题 367

第2篇参考文献 368

第3篇　现代传感系统 371

第12章　现代传感系统概述 371

12.1　现代传感系统的组成特点和发展趋势 371

12.1.1　现代传感系统的组成及特点 371

12.1.2　现代传感系统的发展趋势 372

12.2　分布式测量系统 373

12.2.1　分布式测量系统及其特征 373

12.2.2　典型分布式测量系统的组成结构 374

12.2.3　分布式测量系统的软件支持 376

12.2.4　分布式测量系统的设计开发 376

12.3　现场总线系统 377

12.3.1　现场总线系统的体系结构 378

12.3.2　典型现场总线协议 379

12.3.3　现场总线仪表 382

12.3.4　现场总线系统的实现 384

12.4　虚拟仪器 386

12.4.1　虚拟仪器的组成与特点 386

12.4.2　虚拟仪器的硬件支持 388

12.4.3　虚拟仪器软件标准与开发环境 389

12.4.4　网络化虚拟仪器 391

12.4.5　虚拟仪器应用设计 393

思考题 396

第13章　多传感器数据融合 397

13.1　多传感器数据融合概述 397

13.1.1　多传感器数据融合过程 397

13.1.2　多传感器数据融合的形式 399

13.2　多传感器数据融合模型 400

13.2.1　多传感器数据融合结构 400

13.2.2　多传感器数据融合模型 402

13.3　多传感器数据融合技术 406

13.3.1 多传感器数据融合算法的基本类型 406

13.3.2 Kalman滤波 407

13.3.3　基于Bayes理论的数据融合 408

13.3.4　基于神经网络的数据融合 409

13.3.5　基于专家系统的数据融合 411

13.3.6　基于聚类分析的数据融合 412

13.4　多传感器数据融合技术的应用 413

13.4.1　人体对气温的感受 413

13.4.2　管道泄漏检测中的数据融合 415

13.4.3　医学咨询与诊断专家系统 417

13.4.4　多传感器数据融合技术的局限性 418

思考题 419

第14章　智能传感技术 420

14.1　智能传感器概述 420

14.1.1　智能传感器 420

14.1.2　智能传感器的结构 420

14.1.3　智能传感器的基本功能 421

14.2　智能传感器的关键技术 421

14.2.1　间接传感 422

14.2.2　线性化校正 423

14.2.3 自诊断 424

14.2.4　动态特性校正 425

14.2.5　自校准与自适应量程 426

14.2.6　电磁兼容性 427

14.3　智能传感器系统的总线标准 428

14.3.1　基于典型芯片级的总线 428

14.3.2 USB总线 437

14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准 439

14.4　智能传感器技术新发展 452

14.4.1　嵌入式智能传感器 452

14.4.2　阵列式智能传感器 453

思考题 454

第15章　无线传感器网络 455

15.1　网络组成 455

15.1.1　无线传感器网络的网络结构 455

15.1.2　传感器节点 456

15.1.3　无线传感器网络协议栈 456

15.1.4　无线传感器网络的特点 457

15.2　通信协议 458

15.2.1　物理层 458

15.2.2 MAC协议 458

15.2.3　路由协议 460

15.2.4　时间同步 462

15.2.5　定位 463

15.2.6　拓扑结构控制 465

15.3　硬件平台 466

15.3.1　传感器节点 467

15.3.2　网关节点设计 468

15.3.3 WSN测试平台 470

15.3.4　操作系统 472

15.4　无线传感器网络应用实例 473

15.4.1　军事应用 474

15.4.2　城市生命线 475

15.4.3　健康监测 475

15.4.4　环境监测 476

15.4.5　大型场馆安全监测 476

思考题 476

第3篇参考文献 477