传感器原理及应用技术

传感器及其应用技术发展至今，已经广泛地渗透到各行各业，除了在工业领域占据着重要地位外，还在科学研究、教育教学、数据融合与挖掘、农业生产、国防建设、航空航天、生物医药、环境治理、能源开发、地球气象、建筑、交通、灾害评估等诸多领域发挥重要作用。
传感器是能够感知被测对象，依照物理、化学、影像等原理、规则，转换成可用数据的元件、部件、模块、IC或变送器的统称。传感器是实现自动控制的必要条件和前置设备，是构成自动控制系统不可缺少的硬件单元，更是决定自动化水平的关键之一。
本书作者数十年来始终从事检测与控制领域的科研、教学工作和工程项目，在传感器及其应用技术领域积累了大量资料、经验和工程能力。针对可撰写内容十分丰富的传感器，本书主要侧重传感器原理及应用技术，总结和概括了各类传感器，包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、光电式传感器、热电式传感器、成像与图像传感器、生物与化学传感器、辐射与波式传感器等传统传感器，微机电系统（MEMS）、集成传感器、智能传感器、网络传感器等新型传感器，以及传感信号处理的基本知识。内容涉及物理、化学、影像和电、光、磁、机械、集成电路、通信、智能体（传感器）和信号处理基本算法等领域。并列举了实际应用。
本书分为13章：
第1章：绪论。介绍了传感器的基本知识和结构，传感器的发展、现状、分类及其发展趋势，以及传感器性能指标、误差处理。
第2章：电阻式传感器。全面介绍了输出信号为“电阻”的三类传感器（热电阻式传感器、电位器式传感器和应变式传感器）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第3章：电感式传感器。全面介绍了输出信号为“电感”的三类传感器（自感式传感器、互感式传感器和电涡流式传感器）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第4章：电容式传感器。全面介绍了输出信号为“电容”的三类传感器（变极距式传感器、变面积式传感器和变介电常数传感器）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第5章：压电式传感器。全面介绍了基于压电效应的传感器（压电传感器和超声波传感器）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第6章：磁敏式传感器。全面介绍了关于“磁场”和“磁敏”系列的敏感元件和传感器（磁敏电阻、磁电传感器、霍尔传感器、磁敏二极管和磁敏晶体管）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第7章：光电式传感器。全面介绍了关于“光学”和基于“光电效应”的敏感元件和传感器（光敏电阻、光电管、光电二极管、光电晶体管、光电池、光电码盘、光栅传感器和光纤传感器）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第8章：热电式传感器。全面介绍了关于“温度”和输出为电势类信号的传感器（热电势式传感器、红外传感器和非接触式温度计）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第9章：成像与图像传感器。全面介绍了关于“成像”技术和CCD成像传感器的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第10章：生物、化学传感器。全面介绍了“生物 化学 医学”的三类传感器（化学传感器、生物传感器和生物医学传感器）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第11章：辐射与波式传感器。全面介绍了关于“电磁波谱和射线”的传感器（核辐射式传感器、紫外传感器和微波型传感器、激光传感器和雷达探测技术）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第12章：新型传感器。介绍了紧跟科学技术的四类传感器（MEMS传感器、集成传感器、智能传感器和网络传感器）的基本概念、原理、电路、误差分析及其应用。
第13章：传感信号处理技术。介绍了关于传感器“信号处理”的相关技术和方法，包括基本抗干扰方法、基本算法处理、软测量技术、虚拟仪器与虚拟传感器、多传感器数据融合技术、大数据与数据挖掘。
附录中附上了金属铂热电阻、金属铜热电阻和铂铑10-铂（S）的分度表。
本书注重对“传感器原理”的介绍，省略了传感器检测原理方面的详细演算过程以及传感器“内部制作、安装、维护、保养”等内容；增加了新型传感器等的介绍。“应用技术”的介绍尽可能涉及“温度、压力、流量、物位、成分分析、生物医学、机器人”等领域的应用。许多传感器书籍中“检测技术”涉及的传感器装置、仪器仪表的“结构、选择、注意事项”等内容全部省略，读者（尤其是本科生和研究生）在实际工程应用时可参阅相关书籍、文献和对应产品手册，预先做好相应准备工作。更深一步者可参阅“现代传感技术”。
下表是本书在教学课时上的安排建议，供参考。
章32课时—2学分40课时—2.5学分48课时—3学分随课实验拓展实验第1章244√第2章455√第3章445√第4章233√第5章233√第6章333√第7章466√第8章3444第9章2244第10章1126第11章1126第12章2236第13章2246
本书由合肥工业大学陈荣保撰写，由上海大学费敏锐教授主审。合肥工业大学电气与自动化工程学院部分历届研究生参与了本书部分素材的搜集工作。
在本书撰写过程中，采纳了费敏锐教授的许多宝贵意见和建议，得到了同行、历届研究生的热情支持与帮

本书共由13章组成。具体内容包括传感器的基本概念、基本结构与功能，电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、光电式传感器、热电式传感器、成像与图像传感器、生物与化学传感器、辐射与波式传感器等传统传感器，微机电系统（MEMS）、集成传感器、智能传感器和网络传感器等新型传感器以及传感信号处理技术的基本知识。
本书可作为普通高校自动化、机器人、测控技术与仪器、电子与通信、电气工程及其自动化、化工、热工等专业的教材，也可供从事相关专业的技术人员、维护维修人员和管理人员参考。
本书配有电子课件，欢迎选用本书作为教材的老师登录www.cmpedu.com注册下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。

前言
第1章绪论
1.1概述 
1.2传感器及应用技术基础知识
1.2.1传感器基础知识
1.2.2应用技术基础概念
1.3传感器系统的硬件构成与运行要求
1.3.1传感器系统的硬件构成
1.3.2传感器系统的运行要求
1.4传感器的基本特性
1.4.1传感器基本性能指标
1.4.2静态特性
1.4.3动态特性
1.5误差分析与处理
1.5.1基本概念
1.5.2系统误差处理
1.5.3随机误差处理
1.5.4粗大误差处理
1.5.5渐变误差处理
1.5.6测量不确定度基本概念和方法
1.5.7标准化工作
1.6传感器技术的发展趋势
1.6.1传感器发展的特征
1.6.2传感器发展重点
1.6.3传感器主要应用领域
本章小结
思考题与习题
第2章电阻式传感器
2.1热电阻式传感器
2.1.1金属热电阻式传感器
2.1.2半导体热敏电阻
2.2电位器式传感器
2.2.1接触式电位器传感器
2.2.2非接触式电位器传感器
2.2.3非线性电位器传感器
2.3应变式传感器
2.3.1基本概念
2.3.2金属应变式传感器
2.3.3半导体应变式传感器
2.3.4应变式传感器应用
本章小结
思考题与习题
第3章电感式传感器
3.1自感式传感器
3.2互感式传感器
3.3电涡流式传感器
本章小结
思考题与习题
第4章电容式传感器
4.1基本概念及原理
4.2电容式传感器类型
4.3电容式传感器特点与应用事项
4.4测量电路
4.5电容式传感器应用
拓展知识：节流装置
本章小结
思考题与习题
第5章压电式传感器
5.1基本概念及压电效应
5.2压电元件传感器
5.3超声波传感器
本章小结
思考题与习题
第6章磁敏式传感器
6.1磁敏电阻
6.2磁电传感器
6.3霍尔传感器
6.4磁敏二极管和磁敏晶体管
本章小结
思考题与习题
第7章光电式传感器
7.1概述
7.2光电效应及光电元件
7.2.1内光电效应与光电元件
7.2.2光生伏特效应与光电元件
7.2.3外光电效应与光电元件
7.2.4光电元件实例应用
7.3光电码盘
7.3.1码盘及光电码盘结构
7.3.2误差分析与码制转换
7.3.3光电码盘应用
7.4光栅传感器
7.4.1光栅与传感器结构
7.4.2莫尔条纹
7.4.3莫尔条纹辨向和数字细分
7.4.4光栅传感器应用
7.5光纤传感器
7.5.1光纤及其传光原理
7.5.2光纤传感器的组成、特性与分类
7.5.3光纤传感器特点
7.5.4光纤传感器应用
7.5.5分布式光纤传感器
7.5.6光纤光栅传感器
本章小结
思考题与习题
第8章热电式传感器
8.1热辐射基本知识
8.1.1辐射概念
8.1.2辐射体分类
8.1.3黑体辐射定律
8.1.4辐射体温度表示
8.2热电势式传感器
8.2.1热电偶测温原理
8.2.2热电偶基本定律
8.2.3热电偶种类、结构与安装
8.2.4热电偶测量误差与补偿
8.2.5热电偶应用
8.3红外传感器
8.3.1红外辐射与基本特征
8.3.2红外传感器组成、分类与性能参数
8.3.3红外光子传感器
8.3.4红外热敏传感器
8.3.5红外测温传感器应用
8.4非接触式温度计
本章小结
思考题与习题
第9章成像与图像传感器
9.1概述
9.2图像参数与色彩
9.3图像传感器与成像技术
9.3.1CCD成像技术
9.3.2其他成像技术
9.4三维图像传感器与成像技术
9.4.1机器人视觉与双目立体视觉系统
9.4.2结构光法
9.4.3飞行时间法
9.5图像传感器应用
本章小结
思考题与习题
第10章生物、化学传感器
10.1化学传感器
10.1.1化学传感器定义与特点
10.1.2化学传感器原理与分类
10.1.3气敏传感器
10.1.4离子敏传感器
10.1.5湿敏传感器
10.1.6化学传感器应用
10.2生物传感器
10.2.1生物传感器原理结构与特点
10.2.2生物传感器分类
10.2.3生物传感器应用
10.3生物医学传感器
本章小结
思考题与习题
第11章辐射与波式传感器
11.1核辐射式传感器
11.1.1核辐射基本概念
11.1.2核辐射传感器
11.1.3核辐射传感器应用
11.1.4核辐射传感器应用防护
11.2紫外传感器
11.2.1紫外线基本概念
11.2.2紫外探测技术
11.2.3紫外成像技术
11.2.4紫外传感器应用
11.3其他波谱传感器
11.3.1微波型传感器
11.3.2激光传感器
11.3.3雷达探测技术
本章小结
思考题与习题
第12章新型传感器
12.1微机电系统（MEMS）
12.1.1MEMS基本概念
12.1.2MEMS基本物理效应
12.1.3MEMS应用
12.1.4MEMS陀螺仪与机器人运动感知
12.2集成传感器
12.3智能传感器
12.3.1智能传感器基本概念
12.3.2智能传感器特性和特点
12.3.3智能传感器应用
12.4网络传感器
12.4.1网络适配标准与平台
12.4.2网络传感器应用
本章小结
思考题与习题
第13章传感信号处理技术
13.1基本抗干扰方法
13.2基本算法处理
13.3软测量技术
13.4虚拟仪器与虚拟传感器
13.5多传感器数据融合技术
13.5.1多传感器数据融合基本原理
13.5.2多传感器数据融合层次
13.5.3融合算法和融合结构
13.6大数据与数据挖掘
本章小结
思考题与习题
附录
附录APt100热电阻分度表（ITS-90）
附录BCu100热电阻分度表(ITS-90)
附录CS型(铂铑10-铂)热电偶分度表(ITS-90)
参考文献