现代传感器技术

第1章 绪论 1

1.1 传感器的地位和作用 2

1.2 传感器的相关概念 3

1.2.1 测量和测量系统 3

1.2.2 传感器的定义 4

1.2.3 传感器的分类 5

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 9

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 17

2.1 传感器的特性概述 18

2.1.1 与测量系统的匹配 18

2.1.2 机械特性 18

2.1.3 工作特性 19

2.2 传感器的误差 19

2.2.1 理想传感器与实用中的局限性 19

2.2.2 误差及其来源 19

2.3 传感器的静态特性 21

2.3.1 输入输出静态函数关系 21

2.3.2 线性度 22

2.3.3 灵敏度与测量范围 23

2.3.4 迟滞特性与重复性 24

2.3.5 分辨力与阈值 25

2.3.6 稳定性 25

2.3.7 综合误差 26

2.4 传感器的动态特性 26

2.4.1 动态特性分析方法 27

2.4.2 频率响应特性与动态品质的关系 27

2.4.3 时域响应特性与动态品质的关系 30

2.5 传感器的标定 31

2.6 传感器的合理选用 35

思考题与习题 37

第3章 传感器的基本原理、效应与器件 39

3.1 概述 40

3.2 基本电参量——电阻、电容、电感传感原理与测量 41

3.2.1 电阻传感器与电阻参数的测量 42

3.2.2 电容传感器原理与电容参数的测量 49

3.2.3 电感传感器原理与电感参数的测量 59

3.3 弹性效应和弹性元件 66

3.3.1 弹性敏感元件的基本特性 66

3.3.2 弹性敏感元件的材料 70

3.4 电阻应变效应和压阻效应及器件 72

3.4.1 电阻应变原理和电阻应变片 72

3.4.2 应变片和应变式传感器的特点及应用 74

3.4.3 压阻效应 75

3.5 压电效应与器件 80

3.5.1 压电效应与材料 80

3.5.2 压电元件的等效电路和测量电路 81

3.5.3 压电式传感器的结构 83

3.6 光电效应与传感器件 84

3.6.1 光电效应 84

3.6.2 光电效应主要器件及基本特性 85

3.6.3 集成光电检测器件 89

3.6.4 光电传感器的构成与类型 90

3.6.5 红外传感原理与探测器特点 92

3.7 光纤传感原理与类型 94

3.7.1 光纤传感原理 94

3.7.2 光纤传感器的工作原理及组成 98

3.8 磁电效应和磁敏器件 100

3.8.1 磁电效应与器件结构 100

3.8.2 霍尔效应与半导体器件 101

3.8.3 磁电阻效应与元件 104

3.8.4 磁敏晶体管 109

3.8.5 磁敏器件的应用 111

3.9 磁致伸缩效应和压磁效应 111

3.9.1 磁致伸缩效应 111

3.9.2 压磁效应 112

3.10 热阻效应、热电效应和热释电效应 113

3.10.1 热阻效应与热敏器件 113

3.10.2 热电效应及器件 114

3.10.3 热释电效应及器件 115

3.11 与声波有关的效应与器件 116

3.11.1 超声波检测的原理和超声波换能器 116

3.11.2 声表面波原理与器件 119

3.12 核辐射传感原理 122

3.12.1 核辐射检测的物理基础 122

3.12.2 典型核辐射传感器 123

思考题与习题 124

第4章 机械量传感器 127

4.1 线位移传感器 128

4.1.1 磁阻式线位移传感器 128

4.1.2 光纤小位移传感器 130

4.1.3 光电式线位移传感器 133

4.2 物位传感器 134

4.2.1 超声波物位传感器 134

4.2.2 电容式物位传感器 135

4.2.3 磁致伸缩物位传感器 136

4.2.4 核辐射物位计 137

4.3 数字式位移传感器 138

4.3.1 绝对编码器式角位移传感器 138

4.3.2 增量编码器 142

4.3.3 光栅精密线位移传感器 144

4.4 速度传感器 146

4.4.1 光电式速度传感器 146

4.4.2 磁电式速度传感器 148

4.4.3 多普勒效应测速 149

4.5 转速传感器 151

4.5.1 光电式转速传感器 151

4.5.2 磁电感应式转速传感器 152

4.5.3 霍尔式转速传感器 153

4.6 加速度传感器 154

4.6.1 压电式加速度传感器 154

4.6.2 电容式加速度传感器 157

4.6.3 电阻应变式、压阻式加速度传感器 158

4.7 力传感器 158

4.7.1 应变式力与称重传感器 158

4.7.2 压电式力传感器 163

4.8 压力传感器 164

4.8.1 膜片压力传感器 164

4.8.2 压电式压力传感器 167

4.8.3 光纤压力传感器 169

4.9 扭矩传感器 170

4.9.1 光栅扭矩传感器 172

4.9.2 磁弹性扭矩传感器 173

4.10 流量传感器 175

4.10.1 差压式流量传感器 176

4.10.2 涡轮式流量传感器 177

4.10.3 电磁式流量传感器 178

4.10.4 漩涡式流量传感器 179

4.10.5 超声波流量传感器 179

思考题与习题 180

第5章 热学量传感器 183

5.1 概述 184

5.1.1 温标 184

5.1.2 温度测量的特点 184

5.1.3 测温方法与传感器的分类 185

5.2 基于晶体管参数的温度传感器 186

5.2.1 PN结温度传感器 186

5.2.2 正比于热力学温度核心电路 187

5.3 热电阻温度传感器 191

5.3.1 金属热电阻 191

5.3.2 半导体热敏电阻 194

5.3.3 测温电桥 195

5.4 热电偶 195

5.4.1 热电偶的构成要求与类型 195

5.4.2 热电偶测温所需的工作条件 196

5.5 光纤温度传感器 200

5.5.1 半导体谱带吸收式光纤温度传感器 200

5.5.2 折射式光纤温度传感器 201

思考题与习题 203

第6章 其他物理量传感器 205

6.1 光学量传感器 206

6.1.1 照度传感器 206

6.1.2 亮度传感器 206

6.1.3 色度传感器 207

6.1.4 红外和紫外光传感器 210

6.2 视觉传感器件 212

6.2.1 CCD图像传感器件 212

6.2.2 COMS图像传感器件 219

6.3 电流和电压传感器 225

6.3.1 霍尔电流传感器 225

6.3.2 磁平衡式霍尔电压传感器 226

6.3.3 光纤电压传感器 228

6.3.4 光纤电流传感器 229

6.3.5 光纤电场强度传感器 229

6.4 声传感器 231

6.4.1 电容式传声器 232

6.4.2 驻极体传声器 234

思考题与习题 235

第7章 化学和生物传感器 237

7.1 化学传感器概述 238

7.2 气体传感器 239

7.2.1 气体传感器概况 239

7.2.2 半导体式气体传感器 242

7.2.3 电化学式气体传感器 244

7.2.4 热化学气体传感器 246

7.2.5 其他气体传感器 247

7.3 湿度传感器 248

7.3.1 概述 248

7.3.2 半导体湿敏电阻元件 249

7.3.3 电容式湿敏元件 252

7.3.4 露点式湿度传感器 253

7.4 离子传感器 254

7.4.1 离子选择电极离子传感器 254

7.4.2 场效应管离子传感器 256

7.5 生物传感器 257

7.5.1 生物传感器概述 257

7.5.2 酶传感器 260

7.5.3 酶传感器的应用 263

7.5.4 免疫传感器 264

思考题与习题 269

第8章 集成传感器和微传感器 271

8.1 传感器的集成化 272

8.1.1 传感器集成化与集成途径及特点 272

8.1.2 典型集成传感器 274

8.2 机械量微传感器 277

8.2.1 微机械加工技术与机械量微传感器概述 277

8.2.2 典型微机械压力传感器 279

8.2.3 加速度微传感器 282

8.2.4 微机械陀螺 290

8.2.5 微传声器 292

8.3 磁微传感器 293

8.3.1 AMR磁阻传感器 293

8.3.2 GMR磁阻传感器 295

8.3.3 微型磁通门磁强计 296

8.4 热和红外辐射量微传感器 299

8.4.1 声表面波温度传感器 299

8.4.2 红外热敏微传感器 300

8.5 化学量和生物量微传感器 302

8.5.1 离子选择微电极 302

8.5.2 基于MEMS技术的气体微传感器 305

8.5.3 微悬臂梁式生物传感器 308

8.5.4 基于生物微电子机械系统的细胞传感器 311

思考题与习题 311

第9章 智能传感器技术与网络化及接口标准 313

9.1 智能传感器概述 314

9.1.1 智能传感器的定义与结构 314

9.1.2 智能传感器的功能与性能特点 314

9.1.3 传感器智能化的途径 315

9.2 基本传感器的选用原则 316

9.3 智能化的主要实现方法和技术 317

9.3.1 非线性自校正 318

9.3.2 温度误差补偿 319

9.3.3 自校准和自适应增益及量程调整 323

9.4 网络化智能传感器及接口标准 326

9.4.1 网络化智能传感器 326

9.4.2 智能传感器接口标准——IEEE 1451 329

思考题与习题 337

第10章 低功耗的传感器电路设计和数据获取及处理方法 339

10.1 信号调理电路及低功耗设计原则 340

10.1.1 信号调理及低功耗的意义 340

10.1.2 常用信号调理电路功能类型 341

10.1.3 调理电路低功耗设计原则 342

10.2 典型信号调理集成器件及应用 345

10.2.1 专用集成调理器件 345

10.2.2 多功能集成调理器件 349

10.3 低功耗电源管理技术 366

10.3.1 动态电源管理设计 367

10.3.2 电源调整和按负载多方式分时供电 369

10.4 低功耗的数据获取方式——准数字传感器的数据转换与测量 372

10.4.1 频率式传感器的常见实现技术 373

10.4.2 准数字传感器的参数转换 376

10.4.3 时间调制信号的测量法 378

10.5 面向资源有限传感器节点的数字滤波与数据压缩方法 383

10.5.1 适应低端平台的数字滤波技术——中值滤波 384

10.5.2 适应低端平台的数据压缩方法 386

思考题与习题 388

第11章 物联网典型应用中的传感器和典型节点方案 391

11.1 物联网典型应用中的传感器及其应用概况 392

11.1.1 智能家居中的传感器 392

11.1.2 环境监测中的传感器 401

11.1.3 健康监护中的人体生理量传感器 409

11.2 传感器节点典型解决方案举例 416

11.2.1 一种可持续监测振动的低功耗无线传感器节点方案 416

11.2.2 一种灌区监测无线传感器网络节点方案 424

11.2.3 一种穿戴式健康监护传感器节点方案 430

思考题与习题 445

参考文献 446

刘少强、张靖编著的《现代传感器技术——面向物联网应用》由四个部分构成。第一部分由第1～3章组成，为传感器技术的基础内容，包括传感器的概述、性能指标与评价、常用的敏感与转换原理和基本量的测量方法与测量电路介绍。第二部分由第4～7章组成，按实用中的测量参量类别，分章介绍了常见物理量传感器和化学及生物量传感器的构成原理、特点及应用。其中对物理量传感器按机械量、热学量和以光学量与电学量为主的其他量进行分章介绍。第三部分由第8～10章组成，介绍了发展中的现代传感器技术，内容包括应用广泛的集成与微传感器、智能传感器技术与网络化接口标准、实现传感器低功耗的关键技术。第四部分即第11章，针对物联网应用的内容，主要介绍了典型应用中的传感器概况和典型传感器节点的解决方案示例。 本书除了供物联网工程专业学生学习外，也可供相关专业学生以及其他从事传感器应用的工程技术人员学习参考。本书是依托中南大学国家级特色专业（物联网工程）的建设，结合国内物联网工程专业的教学情况编写的。本书系统、全面地介绍了面向物联网应用的现代传感器技术，主要内容涵盖传感器的性能与评价，传感器的基本原理、效应与器件，机械量传感器，热学量传感器，其他物理量传感器，化学和生物传感器，集成传感器和微传感器，智能传感器技术与网络化及接口标准，低功耗的传感器电路设计和数据获取及处理方法，物联网典型应用中的传感器和典型节点方案等。【作者简介】博士，中南大学信息科与工程学院福建省，长期从事传感器与检测技术、信号处理、无线传感器网络等方面的工作。曾获得1997年度湖南大学优秀教学质量奖、2002年度中国仪器仪表学会奖学金二等奖。