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本书以现代传感器原理及应用为背景，在详细论述基本传感器的原理、结构与应用的基础上，论述了智能传感器和网络传感器，介绍了一些新型传感器和设计中的相关技术及其实现方法，反映了传感、测试和控制技术的最新发展和重要应用。全书内容共9章，其中第1～7章主要以测量对象种类为主线，依次全面、系统地论述了测量温度、光、力、磁、气体、湿度和声波/超声波等各类传感器的原理、结构、性能指标及其应用电路的设计，第8章介绍了智能传感器的工作原理、系统构成及智能化功能的实现方法等，第9章介绍了网络传感器的系统结构、网络管理及应用实例。

目    录
 
绪论	1
第1章  温度传感器	9
1.1  电阻型温度传感器	9
1.1.1  金属热电阻	9
1.1.2  热敏电阻	11
1.1.3  半导体热电阻	15
1.1.4  电阻式温度传感器的应用	18
1.2  热电偶	22
1.2.1  热电偶的基本原理	22
1.2.2  热电偶的种类和结构	25
1.2.3  热电偶的实用测量电路	28
1.3  PN结型温度传感器	29
1.3.1  单PN结温度传感器	29
1.3.2  集成温度传感器	31
1.3.3  温敏闸流晶体管	34
1.3.4  结型温度传感器的应用	36
1.4  热释电器件	39
1.4.1  热释电效应及器件	39
1.4.2  双元型热释电传感器	40
1.4.3  热释电器件的应用	42
1.5  新型温度传感器及发展趋势	42
1.5.1  辐射温度传感器	42
1.5.2  温度传感器的发展趋势	44
习题与思考题	45
第2章  光敏传感器	46
2.1  外光电效应及器件	46
2.1.1  外光电效应	46
2.1.2  光电发射二极管	47
2.1.3  光电倍增管	49
2.1.4  光电倍增管的应用	54
2.2  光电导效应器件	54
2.2.1  光电导效应	54
2.2.2  光敏电阻及其偏置电路	56
2.2.3  光敏电阻的应用	59
2.3  光生伏特效应器件	60
2.3.1  光生伏特效应	60
2.3.2  典型的光生伏特探测器	61
2.3.3  光生伏特效应器件的应用	70
2.4  固态图像传感器	75
2.4.1  电荷耦合器件	75
2.4.2  CMOS固态图像传感器	82
2.4.3  图像传感器的应用	86
2.5  光纤传感器	87
2.5.1  光纤传感器的基本构成	87
2.5.2  光纤传感器的原理	88
2.5.3  光纤传感器	89
2.5.4  光纤光栅传感器	91
2.6  新型光敏传感器及发展动向	93
2.6.1  激光传感器	93
2.6.2  高分子光传感器	94
2.6.3  机器人光学阵列触觉系统	95
2.6.4  光敏传感器的发展动向	96
习题与思考题	96
第3章  力学量传感器	98
3.1  应变计	98
3.1.1  金属应变计	98
3.1.2  半导体应变计	102
3.1.3  应变计的测量电路	105
3.1.4  硅膜片上压阻全桥的设计	108
3.1.5  硅杯式压力传感器	110
3.1.6  应变式传感器的应用	112
3.2  压电式传感器	115
3.2.1  压电效应	115
3.2.2  典型材料的压电效应	116
3.2.3  压电传感器的相应电路	120
3.2.4  压电式传感器	123
3.3  电容式压力传感器	124
3.3.1  单电容压力传感器	124
3.3.2  差动式电容压力传感器	126
3.3.3  电容式集成压力传感器	127
3.3.4  电容式压力传感器的应用电路	129
3.4  电感式压力传感器	133
3.4.1  自感式压力传感器的工作原理	133
3.4.2  单电感压力传感器	134
3.4.3  差动式电感压力传感器	134
3.4.4  互感式压力传感器及其接口
      电路	135
3.4.5  特点和应用	137
3.5  谐振式压力传感器	137
3.5.1  谐振式压力传感器的基本原理	137
3.5.2  测量接口电路	140
3.5.3  压电谐振传感器及其应用	140
3.6  新型力学量传感器及其发展	141
3.6.1  压电涂层传感器	141
3.6.2  力敏Z元件	141
3.6.3  基于硅微机械谐振传感器的稳
      幅式真空计	143
3.6.4  机器人力学量传感器	144
3.6.5  力敏传感器的发展趋势	144
习题与思考题	144
第4章  磁敏传感器	146
4.1  霍尔器件	146
4.1.1  霍尔效应	147
4.1.2  霍尔元件	148
4.1.3  霍尔集成传感器	154
4.1.4  霍尔器件的应用	156
4.2  半导体磁阻器件	159
4.2.1  磁阻效应	159
4.2.2  磁阻元件	162
4.2.3  磁敏电阻的应用	163
4.3  结型磁敏器件	164
4.3.1  磁敏二极管	164
4.3.2  磁敏三极管	167
4.3.3  结型磁敏元件的应用	170
4.4  铁磁性磁敏元件	171
4.4.1  强磁性金属薄膜磁阻传感器	172
4.4.2  巨磁阻抗传感器	174
4.5  电感式磁传感器	177
4.5.1  电涡流磁传感器	177
4.5.2  磁通门	181
4.6  新型磁敏传感器及其发展趋势	189
4.6.1  CMOS磁敏器件	189
4.6.2  电磁式流量传感器	190
4.6.3  磁栅式传感器	190
4.6.4  磁敏传感器的发展前景	194
习题和思考题	194
第5章  气敏传感器	195
5.1  概述	195
5.2  半导体电阻式气敏传感器	196
5.2.1  表面电阻控制型气敏传感器	196
5.2.2  体电阻控制型气敏传感器	201
5.2.3  多层薄膜及复合型气敏传感器	204
5.3  结型气敏传感器	205
5.3.1  气敏二极管	205
5.3.2  MOSFET型气敏元件	207
5.4  浓差电池式气敏传感器	208
5.4.1  O2传感器	208
5.4.2  SO2和H2S传感器	212
5.5  接触燃烧式气敏传感器	212
5.5.1  气敏元件结构及其工艺	212
5.5.2  检测原理	213
5.5.3  气敏元件的优点及特性	214
5.6  光学类气敏传感器	215
5.6.1  红外吸收式气敏传感器	215
5.6.2  检测中的干扰因素及补偿方法	218
5.6.3  光纤吸收式气敏传感器	221
5.7  气敏传感器的应用及其发展	225
5.7.1  气敏传感器的典型应用	225
5.7.2  新型气敏传感器	227
5.7.3  气敏传感器的发展趋势	232
习题与思考题	232
第6章  湿敏传感器	234
6.1  概述	234
6.2  湿敏电阻	235
6.2.1  无机电解质湿敏传感器	235
6.2.2  高分子湿敏传感器	236
6.2.3  其他电阻式湿敏传感器	238
6.3  电容式湿敏传感器	239
6.3.1  湿敏电容器结构	239
6.3.2  多孔陶瓷湿敏电容器	240
6.3.3  高分子湿敏电容器	242
6.4  光学湿敏传感器	245
6.4.1  光敏薄膜式湿敏传感器	245
6.4.2  光纤式湿敏传感器	246
6.4.3  平面光波导式湿敏传感器	248
6.5  其他类型湿敏传感器	248
6.5.1  MOS型湿敏传感器	248
6.5.2  界限电流式高温湿敏传感器	248
6.5.3  射频湿敏传感器	250
6.6  湿敏传感器的应用及发展	251
6.6.1  湿度/电压与电容湿度/频率转换
      电路	251
6.6.2  湿敏传感器的实用电路	252
6.6.3  新型湿敏传感器及其发展	254
习题与思考题	255
第7章  声波传感器	256
7.1  概述	256
7.1.1  声波	256
7.1.2  声波的物理性质	257
7.2  声波传感器的类型	259
7.2.1  电阻变换型声波传感器	260
7.2.2  静电变换型声波传感器	260
7.2.3  电磁变换型声波传感器	263
7.2.4  光电变换型声波传感器	264
7.3  超声波及其传感器	265
7.3.1  超声波	265
7.3.2  超声波换能器	265
7.3.3  超声波传感器	266
7.3.4  常用超声波传感器应用电路	271
7.4  声表面波传感器	274
7.4.1  SAW传感器的工作原理	275
7.4.2  实用的SAW传感器	276
7.5  声板波及其传感器	282
7.5.1  声板波	282
7.5.2  APM传感器	283
7.5.3  APM传感器的应用	283
7.6  次声波及其传感器	284
7.6.1  次声波及其特性	284
7.6.2  次声波传感器	284
7.6.3  次声波传感器的应用	285
7.7  微波声波及其延迟线	286
7.7.1  微波声波	286
7.7.2  微波声波延迟线	287
7.7.3  微波声波延迟线的应用	287
7.8  新型声波传感器及其发展	288
7.8.1  新型次声波传感器	288
7.8.2  听觉传感器	289
7.8.3  波传感器的发展趋势	289
习题与思考题	289
第8章  智能传感器	291
8.1  概述	291
8.2  智能传感器的原理	292
8.2.1  计算机型智能传感器	292
8.2.2  材料型智能传感器	294
8.2.3  结构型智能传感器	294
8.2.4  集成智能传感器	295
8.3  智能传感器的数据处理技术	298
8.3.1  非线性校正	298
8.3.2  自校准	302
8.3.3  自补偿	305
8.3.4  自适应	305
8.3.5  自诊断	306
8.3.6  噪声抑制与弱信号检测	306
8.4  智能传感器的接口技术	307
8.4.1  数据输出接口电路	307
8.4.2  智能传感器的接口芯片	307
8.4.3  IEEE 1451智能传感器的接口
      标准	308
8.4.4  基于IEEE 1451标准的传感器	310
8.5  智能传感器应用实例	312
8.5.1  智能温度传感器	312
8.5.2  其他智能传感器	314
8.6  智能传感器新技术及其发展	317
8.6.1  多传感器信息融合技术	317
8.6.2  模糊传感器	320
8.6.3  人工神经网络	322
8.6.4  新型智能传感器系统	324
8.6.5  智能传感器的发展方向	325
习题与思考题	326
第9章  网络传感器	327
9.1  概述	327
9.1.1  网络传感器的概念与结构	327
9.1.2  网络传感器信息交换体系	329
9.1.3  网络传感器测控系统体系结构	329
9.2  网络传感器的通信协议	330
9.2.1  IEEE 802.15.4协议	330
9.2.2  蓝牙协议	330
9.3  无线传感器网络	336
9.3.1  WSN的特征	337
9.3.2  WSN的体系结构	337
9.3.3  WSN的通信技术	338
9.3.4  WSN的网络管理	343
9.3.5  WSN网络优化处理技术	350
9.3.6  WSN的应用	356
9.3.7  网络传感器的展望	360
习题与思考题	360
参考文献	361

前    言

随着高新科学技术的发展，传感器技术成为构成现代信息技术系统的主要内容，是实现自动检测和自动控制的首要环节，在原理、结构、技术和应用等方面都发生了很大的变化，特别是传感器在数字化、微型化、集成化、智能化和网络化等方面，取得了令人瞩目的创新性进展。现代传感器技术已能够精确地获取和及时处理信息并渗透到工业自动化和物联网中，被广泛应用于航空、航天和航海技术、民用设施、机器人技术、汽车工业、生物医学和医疗器械等领域。
为了使人才培养适应新形势的要求，教学内容和教材建设在保证基础理论知识的同时，必须增添新技术。利用传感器能将各种外界信息（温度、光、力、磁、气、声等的变化）转变为电信号的原理，人们可以设计相应的电路以实现信息的自动测量、处理和控制。考虑传感器存在不同程度的非线性、响应特性、稳定性和选择性等因素，人们不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须熟悉传感器的输出信号经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和应用的要求；通过分析和了解传感器应用实例和智能传感器实例，才能设计出更多传感器和信息处理结合的应用；通过掌握网络传感器的结构和信息管理，了解信息接口模块和通信协议，才能使现代传感器的生产、研制、开发和应用有新的突破。另外，由于传感器的被测信号来自各个应用领域，为了改革生产力、革新产品和拓宽测试范围，每个领域都在利用新技术研制更高精度的传感器，所以，为适应高科技的前沿，应该阐述最近涌现出的多种新型传感器、小型传感器、智能传感器及无线网络传感器系统。 
为了适应较多专业传感器技术教学的需求，本着实用、典型和新颖的原则，我们在前几年编写的《传感器原理及应用》教材基础上，删除了一些实际应用中使用不多的知识内容，同时，增添了一些采用新型结构的基本传感器和采用新原理、应用更广泛的实用传感器器件的介绍，重新编写、整理了新版《现代传感器原理及应用》教材。
本书系统地把传感器的基础知识与其应用有机结合，在详细讲述基本传感器的原理（如热电阻、热电偶、光电管、光导管、光敏二极管、应变片、压电式传感器、电容和电感压力传感器、霍尔器件、结型磁敏器件、气敏电阻器、浓差电池、湿敏传感器、声波传感器等）及其实际应用电路的基础上，阐述了实用的集成温度传感器、热释电器件、CCD图像传感器、光纤传感器、谐振式传感器、电感式磁敏器件、光吸收式气敏传感器、表面声波SAW传感器和智能传感器，还介绍了一些新型传感器（如热辐射传感器、激光传感器、磁通门、磁栅式传感器、超声波传感器、Z元件、高分子传感器、电子鼻、模糊传感器和人工神经网络的智能传感器等）和现代信息时代应用最广的网络传感器，以扎实基础、拓宽知识面，结合新技术和交叉技术、扩大测试范围和开阔应用领域，并与现代信息技术接轨，实现智能生活、智能科技。
本书内容包括绪论和1～9章：从绪论介绍传感器的定义和基本特性开始，先详细讲述最基础的温度传感器，依次是应用面宽的光敏传感器、支撑工业控制的力学量传感器、影响环境的磁敏传感器和气体/湿敏传感器、通过声波/超声波传感器检测影响它们传播的外界信息，再讲述智能传感器和多功能传感器，最后介绍将各种传感器应用于信息时代的网络传感器。逐步深入、环环紧扣，如后面介绍的传感器在应用时考虑了用前面讲述的温度传感器进行温度补偿以提高测量精度，最后两章体现了传感器的发展方向及其在现代信息技术中的地位。
为便于教师组织教学及学生自学，本书配有电子教案，读者可以登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册下载。
本书绪论和第1、8章由张志勇教授编写并负责全书定稿，第2、3、6章由王雪文教授编写并负责本书统稿，第4、5章由翟春雪博士编写，第7、9章由贠江妮博士编写。
由于本书内容涉及物理学、半导体物理学、化学、机械学、电子电路、自动控制、信息科学、物联网和计算机技术等多学科的知识，加之编著者水平有限，若有不妥和错误之处，敬请广大读者批评指正。

                                                          编  者       
                                                      于西安西北大学

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