传感器原理及应用

在本教材编写中充分考虑教学规律，突出专业特点，重点叙述了传感器的结构原理和基本特性，同时每个章节都详细介绍了传感器的工程应用和使用方法，对各种类型的传感器都有较为系统和全面的论述。本书工程应用的特色鲜明，适用性强，实例丰富。为适应传感器技术的发展，新编传感器教材突出了新型传感器的介绍，再版后的教材内容新增了生物传感器、物联网应用系统介绍，并对部分章节进行修改、删减与添加。

前言
第1章概述1
1.1传感器的作用和地位1
1.1.1什么是传感器1
1.1.2传感器的作用2
1.2传感器现状和发展趋势3
1.2.1传感器现状3
1.2.2传感器的发展4
1.3传感器的定义、组成、分类及图形符号5
1.3.1传感器定义5
1.3.2传感器组成6
1.3.3传感器分类6
1.3.4传感器图形符号与命名7
思考题8
第2章传感器的基本特性9
2.1传感器的静态特性9
2.1.1线性度10
2.1.2迟滞特性11
2.1.3重复性12
2.1.4灵敏度12
2.1.5漂移和稳定性13
2.1.6分辨率和阈值13
2.2传感器的动态特性14
2.2.1传感器动态误差14
2.2.2传递函数15
2.2.3一阶传感器系统17
2.2.4二阶传感器系统19
2.3传感器的校准21
思考题22
第3章电阻式传感器23
3.1金属丝电阻应变片23
3.1.1金属丝电阻应变片结构和种类23
3.1.2金属丝电阻应变片工作原理24
3.1.3金属丝电阻应变片的主要特性25
3.2电阻应变片测量电路27
3.2.1直流电桥28
3.2.2交流电桥30
3.2.3电阻应变仪原理32
3.2.4相敏检波电路34
3.3电阻式传感器的应用35
3.3.1测力与称重传感器35
3.3.2膜片式压力传感器37
3.3.3应变式加速度传感器38
3.3.4电子秤39
3.4半导体压阻式传感器40
3.4.1压阻效应40
3.4.2压阻式传感器41
思考题42
第4章电容式传感器44
4.1电容式传感器概述44
4.1.1工作原理44
4.1.2结构类型44
4.2电容式传感器的输出特性45
4.2.1变极距型45
4.2.2平板变面积型47
4.2.3变介电常数型48
4.3测量电路49
4.3.1电容式传感器等效电路49
4.3.2转换电路50
4.4应用举例54
4.4.1压差式电容压力传感器55
4.4.2电容测厚仪56
4.4.3电容传声器测声56
4.5电容式集成传感器57
4.5.1硅电容式集成传感器57
4.5.2新型电容式指纹传感器59
思考题62
第5章电感式传感器63
5.1变磁阻式传感器（自感式）63
5.1.1工作原理63
5.1.2输出特性64
5.1.3差动变间隙式传感器结构原理65
5.1.4测量转换电路65
5.1.5变磁阻式传感器的应用67
5.2差动变压器式传感器（互感式）68
5.2.1螺线管式差动变压器工作原理68
5.2.2基本特性69
5.2.3零点残余电压70
5.2.4测量电路71
5.2.5应用举例72
5.3电涡流式传感器73
5.3.1工作原理73
5.3.2等效电路分析73
5.3.3涡流的分布和强度74
5.3.4测量电路75
5.3.5电涡流传感器的应用77
思考题79
第6章磁电、磁敏式传感器80
6.1磁电感应式传感器（电动式）80
6.1.1工作原理和结构形式80
6.1.2基本特性81
6.1.3测量电路82
6.1.4应用83
6.2霍尔传感器84
6.2.1霍尔效应85
6.2.2霍尔元件86
6.2.3霍尔元件的应用87
6.2.4集成霍尔传感器89
6.3磁敏元件91
6.3.1磁敏电阻器91
6.3.2磁敏晶体管95
思考题98
第7章压电元件与超声波传感器99
7.1压电效应99
7.1.1正压电效应99
7.1.2逆压电效应99
7.2压电材料100
7.2.1石英晶体100
7.2.2压电陶瓷101
7.2.3聚偏氟乙烯压电材料103
7.3测量电路103
7.3.1压电元件结构103
7.3.2压电传感器等效电路104
7.3.3压电传感器测量电路105
7.4压电传感器的应用107
7.4.1压电加速度计传感器108
7.4.2压电式玻璃破碎报警器108
7.4.3压电引信108
7.5超声波传感器109
7.5.1超声波及其物理性质109
7.5.2超声波传感器结构原理111
7.5.3超声波传感器的应用112
思考题118
第8章光电效应及光电器件119
8.1光电效应119
8.1.1外光电效应119
8.1.2内光电效应120
8.2光电器件121
8.2.1光电管121
8.2.2光电倍增管121
8.2.3光敏电阻123
8.2.4光敏二极管和光敏三极管125
8.2.5光电池128
8.2.6其他特性的光电器件130
8.2.7半导体色敏传感器131
8.3光电器件应用实例132
8.3.1遥控器检测电路132
8.3.2光敏电阻脉搏测量计132
8.3.3光电鼠标133
8.3.4光电开关用于智能电动小车134
8.3.5红外报警器135
8.4光栅式传感器136
8.4.1莫尔条纹136
8.4.2光栅测量装置138
思考题140
第9章新型光敏传感器142
9.1新型固态光敏传感器142
9.1.1普通光敏器件阵列142
9.1.2PSD光敏位置传感器144
9.1.3SSPD自扫描光敏二极管阵列145
9.2CCD148
9.2.1CCD工作原理及特性148
9.2.2CCD器件151
9.2.3CCD传感器的应用155
9.3光纤传感器157
9.3.1光纤的结构和传光原理158
9.3.2几个重要参数158
9.3.3光波调制技术160
9.3.4光纤传感器的应用163
思考题166
第10章半导体式化学传感器168
10.1气敏传感器168
10.1.1电阻型半导体气敏传感器169
10.1.2非电阻型半导体气敏器件172
10.1.3气敏传感器的应用173
10.2湿敏传感器176
10.2.1湿度及其表示方法176
10.2.2氯化锂湿敏电阻177
10.2.3半导体陶瓷湿敏电阻178
10.2.4湿度传感器的特性参数178
10.2.5湿度传感器的应用179
10.3离子敏传感器181
10.3.1MOSFET场效应晶体管181
10.3.2离子敏传感器工作原理182
10.3.3离子敏传感器测量电路182
10.3.4离子敏传感器的应用182
思考题183
第11章射线式传感器184
11.1核辐射物理基础184
11.1.1放射性同位素185
11.1.2核辐射与物质间的相互作用185
11.2射线式传感器186
11.2.1辐射源187
11.2.2核辐射探测器187
11.3射线式传感器的应用192
11.3.1测厚192
11.3.2物位测量193
11.3.3烟雾报警器（电离室）193
11.3.4探伤194
11.3.5X射线荧光分析仪194
11.3.6CT技术195
11.3.7核子秤197
思考题197
第12章热电式传感器198
12.1温度传感器的分类及温标198
12.1.1温度传感器分类方法198
12.1.2温度单位199
12.2热电偶199
12.2.1工作原理和热电效应199
12.2.2热电偶基本定律202
12.2.3热电偶的分类和结构203
12.2.4热电偶测量电路及应用204
12.3热电阻与热敏电阻205
12.3.1热电阻205
12.3.2热敏电阻206
12.3.3应用举例207
12.4集成温度传感器208
12.4.1测温原理208
12.4.2PTAT信号输出方式209
12.5红外传感器211
12.5.1红外辐射211
12.5.2红外探测器212
12.5.3红外传感器的应用214
思考题217
第13章生物传感器219
13.1概述219
13.1.1生物传感器的工作原理219
13.1.2生物传感器的分类221
13.1.3生物传感器的特点221
13.2酶传感器222
13.2.1酶的特性222
13.2.2酶传感器的结构及原理222
13.2.3酶的固化技术224
13.2.4酶传感器的应用225
13.3免疫传感器226
13.3.1免疫传感器的基本原理226
13.3.2抗体的固定228
13.3.3免疫传感器的应用229
13.4微生物传感器229
13.4.1微生物传感器的原理230
13.4.2微生物的固定化231
13.4.3微生物传感器的应用231
13.5其他常见生物传感器及应用233
13.5.1血糖测试仪233
13.5.2水源监测光纤阵列传感器235
思考题236
第14章集成智能传感器237
14.1概述237
14.1.1基本特点237
14.1.2发展趋势238
14.1.3主要产品240
14.2单片智能温度传感器240
14.2.1基于1-Wire总线的DS18B20型智能温度传感器240
14.2.2基于SMBus的MAX6654型智能温度传感器243
14.3集成湿度传感器244
14.3.1HM1500/HM1520型电压输出式集成湿度传感器245
14.3.2SHT10型数字湿度/温度传感器247
14.4单片硅压力传感器249
14.4.1MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器249
14.4.2ST3000系列智能压力传感器251
14.5单片集成磁场传感器253
14.5.1HMC系列集成磁场传感器253
14.5.2AD22151型线性输出集成磁场传感器256
思考题258
第15章无线传感器网络与物联网259
15.1物联网概述259
15.1.1物联网的体系结构259
15.1.2支持物联网发展的技术261
15.2无线传感器网络261
15.2.1智能传感器与无线传感器262
15.2.2无线传感网络的概念263
15.2.3无线传感网络技术264
15.3典型行业应用的物联网传感器266
15.3.1周界防护物联网传感器266
15.3.2智能家居物联网传感器268
15.3.3环境监测物联网传感器269
15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器269
思考题273
第16章实验指南与综合练习274
16.1传感器实验274
16.1.1基本实验275
16.1.2设计型实验287
16.1.3综合性工程实验291
16.2综合练习299
16.2.1填空299
16.2.2选择填空300
16.2.3分析与计算301
16.2.4简述题303
参考文献305

前言当今世界已经进入信息时代，传感器技术、通信技术、计算机技术是构成现代信息技术的三大支柱，它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。我们在利用信息的过程中首先要获取信息，传感器是获取信息的主要途径和手段。传感器技术是多学科交叉的知识汇集，它涉及物理、机械、电子、材料、化工、生物、环境、地质、核技术等多方面的知识，是定量认知自然现象不可缺少的一种技术手段。
    自工业革命以来，为提高和改善机器的性能，传感器发挥了巨大的作用。而现代传感器利用新材料以及半导体集成加工工艺，使传感器技术越来越成熟，种类越来越多。除了使用半导体材料、陶瓷材料外，纳米材料、光纤以及超导材料的发展也为传感器集成化和小型化的发展提供了物质基础。目前，现代传感器正从传统的分立式朝着集成化、智能化、数字化、系统化、多功能化、网络化、光机电一体化、无维护化并向着微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比、宽量程的方向发展。另外，物联网技术被认为是继计算机、互联网之后的又一次产业浪潮，而传感器作为物联网应用系统的核心产品，将成为这一新兴产业优先发展的关键器件。
    成都理工大学核技术与自动化工程学院的教师在长期教学、科研工作中，积累了丰富的教学和实践经验，精心编写出这本教材，并在第1版和第2版的基础上再次完善与修改。本教材在编写中充分考虑教学规律，突出专业特点，重点叙述了传感器的结构原理和基本特性，同时每个章节都详细介绍了传感器的工程应用和使用方法，对各种类型的传感器都有较为系统和全面的论述。本书特色鲜明，适用性强，实例丰富。为适应传感器技术的发展，新编传感器教材突出了新型传感器的介绍，再版后的教材内容新增了生物传感器、物联网应用系统介绍，并对部分章节进行修改、删减与补充。
    本书第3版共分16章，新增两章，其中，第13章由彭颖老师编写，第15章由覃章健老师编写，其他章节由吴建平老师编写、修改，甘媛、吴旖旎老师参与了第3版的部分编写和修改工作。本教材可使用学时在80学时以上，部分章节可以作为选修或自学内容。为方便教学，将传感器部分实验内容和综合练习编入教材，可为相关专业的传感器实践教学和教学质量评估提供参考内容。教材配有高质量的PowerPoint多媒体课件。在多媒体课件制作过程中，注重现代教学手段和方法的运用，注意教学效果和提高学生学习兴趣，课件内容有生动的模拟动画设计，尤其是课堂练习可方便教师授课并检验理论教学效果。教材中每章附有思考题，可辅助学生巩固所学内容。
    参与编写、修改、整理第3版教材的人员还包括成都理工大学相关专业部分青年教师、研究生，在此表示衷心感谢！由于作者水平有限，难免有错误和不妥之处，恳请专家和广大读者批评指正。
    编  者2015年11月于成都