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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