传感器与检测技术

《传感器与检测技术》：普通高等教育电气工程与自动化类“十一五”规划教材

《传感器与检测技术》是普通高等教育电气工程与自动化类“十一五”规划教材。《传感器与检测技术》是作者在多年从事传感器教学及科研的基础上，根据教学内容和课程体系改革的需要写成的，内容新颖，叙述力求由浅入深。同时，在编写过程中，注意补充反映新器件、新技术的内容，力求使读者了解学科前沿。
《传感器与检测技术》共七章，围绕传感器与检测技术相关的基本概论与术语、检测系统的误差合成、常用传感器的工作原理、现代检测技术等内容进行了论述和介绍，尤其在传感器的敏感材料及敏感元件、新型传感器原理等内容中增加了一些近期新的研究进展。
《传感器与检测技术》取材新颖，内容丰富，适用面广，不仅可以作为测控技术与仪器、电气工程及其自动化、机械设计制造及自动化、机电一体化、自动化、电子信息等专业的本科相关专业教材，也可作为广大从事检测技术开发与应用的工程技术人员的参考用书。

赵勇，男，博士，1973年5月生于沈阳市，东北大学教授，博士生导师。1996～2001年哈尔滨工业大学精密仪器系获学士、硕士和博士学位；2001～2003年清华大学电子工程系博士后；2004年清华大学自动化系副教授入选“清华大学青年骨干人才”：2006年美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）不错访问学者：2008年入选“教育部新世纪很好人才”支持计划：2009年入选辽宁省“百千万人才工程”百人层次：2010年获东北大学青年岗位能手“五四奖章”。目前任中国仪器仪表学会光机电分会理事，中国光学学会光电专委会委员，《SerlsorLetters》、《AdvarleesinOpticalTechnologies》、《电子测量与仪器学报》编委。从事光纤传感技术、新型光电检测方法与装置等方面的研究。主持和负责国家863计划、国家自然科学基金等30余项科研项目。获省部级科技进步及学术成果一、二等奖5项；北京青年很好科技论文一等奖、中国仪器仪表学会一等奖各1项。发表学术论文100余篇，被SCI、E1、ISTP收录100余篇次。出版专著和教材4部。获准中国发明专利6项

前言
第0章绪论1
0.1传感器的基本概念2
0.2传感器的分类3
0.3检测系统的组成5
0.4传感器与检测技术的发展趋势6
0.4.1传感器与检测技术性能的改善7
0.4.2开展基础理论研究7
0.4.3传感器与检测系统的集成化9
0.4.4传感器与检测系统的智能化9
0.4.5传感器与检测系统的非接触化和多参数融合化10
0.4.6检测系统的网络化和虚拟化10

第1章传感器的一般特性11
1.1传感器的静态特性11
1.1.1线性度和非线性误差12
1.1.2迟滞（回差）14
1.1.3重复性14
1.1.4灵敏度和灵敏度误差16
1.1.5测量范围和量程16
1.1.6分辨力和阈值17
1.1.7稳定性和零漂、温漂18
1.2传感器的动态特性19
1.2.1传感器动态分析的基本特点19
1.2.2传递函数20
1.2.3阶跃响应和时域动态性能指标25
1.2.4正弦响应和频域动态性能指标28
1.2.5无失真检测条件30
思考题与习题31

第2章检测系统的误差分析与处理34
2.1测量误差的基本概念34
2.1.1测量误差的概念及表达方式34
2.1.2测量误差的分类36
2.2与误差相关的基本概念39
2.2.1测量不确定度39
2.2.2精密度、准确度和精确度40
2.2.3有效数字41
2.3误差的传递42
2.3.1系统误差的传递42
2.3.2随机误差的传递43
2.4误差的合成45
2.4.1系统误差的合成46
2.4.2随机误差的合成47
2.4.3测量系统误差综合49
2.5粗大误差的处理50
2.5.1莱以特准则（3σ准则）50
2.5.2肖维准则51
2.5.3格鲁布斯（Grubbs）准则51
思考题与习题53
参考文献53

第3章传感器的敏感材料及敏感元件54
3.1半导体敏感材料及元件54
3.1.1半导体光敏材料及元件55
3.1.2半导体磁敏材料及元件56
3.1.3其他半导体敏感材料及元件57
3.2陶瓷敏感材料58
3.2.1温度敏感陶瓷材料58
3.2.2湿度敏感陶瓷材料59
3.2.3气体敏感陶瓷材料67
3.2.4光学敏感陶瓷材料67
3.2.5压力敏感陶瓷材料67
3.3高分子敏感材料67
3.3.1敏感性高分子水凝胶69
3.3.2高分子液晶材料74
3.3.3高分子气敏材料76
3.3.4高分子湿敏材料78
3.3.5炭黑填充硅橡胶力敏材料84
3.4电流变敏感材料85
3.4.1概述85
3.4.2电流变现象和电流变效应87
3.4.3电流变体的结构及组成89
3.4.4电流变效应机理91
3.4.5电流变材料在智能控制中的应用实例95
3.5形状记忆合金敏感材料98
3.5.1形状记忆合金的性能99
3.5.2Ti-Nb系钛合金在生物医学中的应用101
3.5.3形状记忆合金在航空工业中的应用103
3.6磁流体敏感材料106
3.6.1磁流体传感器107
3.6.2磁流体特殊光学性能109
3.6.3磁流体可控折射率理论与其结构根源111
3.7新型光纤敏感元件115
3.7.1光子晶体光纤115
3.7.2新型塑料光纤125
3.7.3液芯光纤126
3.7.4一些典型的传感用特种光纤129
3.7.5双轴（保偏）光纤光栅135
3.7.6双包层光纤光栅137
3.7.7变包层光纤光栅139
3.7.8多模光纤光栅141
3.7.9少模光纤光栅142
3.7.10光纤光栅耦合器143
3.7.11阶跃变化折射率长周期光纤光栅145
3.8小结145
参考文献146

第4章常用传感器152
4.1应变效应与应变式传感器152
4.1.1基本概念152
4.1.2传感器的设计155
4.1.3应变式传感器的应用举例156
4.2电容、电感式传感器157
4.2.1电容式传感器157
4.2.2电感式传感器162
4.3压电效应及压电式传感器166
4.3.1压电效应的概念166
4.3.2压电传感器及其等效电路167
4.4电磁效应及磁电式传感器168
4.4.1基本工作原理和结构168
4.4.2磁电式振动速度传感器169
4.5热电效应及热电式传感器170
4.5.1热电效应的概念170
4.5.2热电偶的冷端温度处理171
4.6光电效应及光电式传感器172
4.6.1光电效应及光电器件172
4.6.2CCD图像传感器173
4.6.3光电位置传感器182
4.7磁光效应及磁光式传感器182
4.7.1法拉第效应183
4.7.2磁光克尔效应183
4.7.3塞曼效应184
4.7.4磁致线双折射效应184
4.7.5磁光效应的应用184
4.8湿敏传感器186
4.8.1概述186
4.8.2湿敏传感器的主要参数187
4.8.3湿敏元件189
4.9气敏传感器199
4.9.1概述199
4.9.2半导体气敏传感器200
4.9.3非电阻式半导体气敏传感器205
4.9.4半导体气敏传感器的基本特性205
4.9.5固体电解质气敏传感器206
4.9.6气敏传感器的应用207
思考题与习题209
参考文献214

第5章新型传感器原理215
5.1波式传感器215
5.1.1超声波传感器215
5.1.2微波传感器222
5.1.3声表面波传感器226
5.2生物化学传感器238
5.2.1概述238
5.2.2蛋白传感器239
5.2.3胜肽纳米管生化传感器240
5.2.4碳纳米管生化传感器241
5.2.5微机械生化传感器243
5.2.6石英晶体生化传感器245
5.2.7光寻址生化传感器246
5.3智能传感器247
5.3.1概述247
5.3.2常用智能材料250
5.3.3光纤智能传感器262
5.3.4智能夹层264
5.3.5光纤管智能传感器266
5.4核辐射传感器266
5.4.1核辐射传感器的物理基础266
5.4.2核辐射传感器的分类269
5.4.3核辐射传感器的应用270
5.5光纤传感器271
5.5.1光学纤维的结构和基本原理271
5.5.2强度调制型光纤传感器技术274
5.5.3相位调制型光纤传感器技术277
5.5.4偏振调制型光纤传感器技术279
5.5.5频率调制型光纤传感器技术284
5.5.6波长调制型光纤传感器技术286
5.5.7分布式光纤传感器技术289
5.6微机电传感器295
5.6.1基础理论295
5.6.2基础技术297
5.6.3几种典型的微机电传感器300
思考题与习题305
参考文献306

第6章现代检测技术310
6.1传感器的补偿与标定310
6.1.1传感器的补偿310
6.1.2传感器的标定312
6.2检测信号的调理电路313
6.2.1测量电桥313
6.2.2检测信号的放大与变换319
6.2.3信号的调制与解调322
6.2.4信号的滤波328
6.3抗干扰技术335
6.3.1干扰的类型335
6.3.2抑制干扰的基本方法336
6.4传感检测新技术340
6.4.1虚拟仪器技术340
6.4.2软测量技术343
6.4.3多传感器数据融合技术345
6.4.4网络化传感器及无线传
感器网络348
思考题与习题350
参考文献351