現代傳感器技術：麵嚮物聯網應用（第2版） 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

　　本書全麵概括現代傳感器的技術與應用，注重理論講解和實踐應用，尤其關注在物聯網應用中的常見的傳感器技術。

作者簡介

　　劉少強，男，博士，畢業於東南大學，現工作於中南大學信息科學與工程學院。長期從事傳感器與檢測技術、信號處理、無綫傳感器網絡等方麵的研究工作。

目錄

第1章 緒論 （1）
1．1 傳感器的地位和作用 （1）
1．2 傳感器的相關概念 （2）
1．2．1 測量和測量係統 （2）
1．2．2 傳感器的定義 （3）
1．2．3 傳感器的分類 （4）
1．3 傳感器的一般構成 （7）
1．3．1 傳感器的基本組成 （7）
1．3．2 傳感器的信號調理與接口 （8）
1．4 傳感器技術的特點與發展趨勢 （11）
1．4．1 傳感器技術的特點 （11）
1．4．2 傳感器技術的發展趨勢 （12）
1．5 物聯網用傳感器的特點和發展趨勢 （13）
1．5．1 物聯網用傳感器的需求及技術特點 （13）
1．5．2 物聯網用傳感器的技術與應用發展趨勢 （14）
思考題與習題 （14）
第2章 傳感器的性能與評價 （16）
2．1 傳感器的特性概述 （16）
2．1．1 機械特性 （16）
2．1．2 工作特性 （16）
2．2 傳感器的誤差 （17）
2．2．1 理想傳感器與實用中的局限性 （17）
2．2．2 誤差及其來源 （17）
2．3 傳感器的靜態特性 （19）
2．3．1 輸齣與輸入的靜態函數關係 （19）
2．3．2 綫性度 （20）
2．3．3 靈敏度與測量範圍 （21）
2．3．4 遲滯特性與重復性 （22）
2．3．5 分辨力與閾值 （23）
2．3．6 穩定性 （24）
2．3．7 綜閤誤差 （24）
2．4 傳感器的動態特性 （25）
2．4．1 動態特性分析方法 （25）
2．4．2 頻率響應特性與動態品質的關係 （26）
2．4．3 時域響應特性與動態品質的關係 （28）
2．5 傳感器的標定 （30）
2．6 傳感器的閤理選用 （32）
思考題與習題 （34）
第3章 電阻、電容和電感的傳感原理與測量方法 （36）
3．1 概述 （36）
3．2 電阻傳感器與電阻參數的測量 （37）
3．2．1 電阻傳感器原理與電阻測量問題 （37）
3．2．2 測量電阻時需要考慮的問題和方法 （37）
3．3 電容傳感器原理與電容參數的測量 （45）
3．3．1 電容傳感器原理 （45）
3．3．2 電容傳感器的構成 （47）
3．3．3 電容參數的測量 （48）
3．4 電感傳感器原理與電感參數的測量 （57）
3．4．1 電感的傳感原理 （57）
3．4．2 電感參數的測量 （61）
思考題與習題 （64）
第4章 傳感器中常用的物理效應與器件 （65）
4．1 概述 （65）
4．2 彈性效應和彈性元件 （67）
4．2．1 彈性敏感元件的基本特性 （67）
4．2．2 彈性元件的材料性能及穩定性處理 （72）
4．3 電阻應變效應和壓阻效應及器件 （73）
4．3．1 電阻應變原理和電阻應變片 （73）
4．3．2 應變片和應變式傳感器的特點及應用 （75）
4．3．3 壓阻效應 （76）
4．4 壓電效應與器件 （82）
4．4．1 壓電效應與材料 （82）
4．4．2 壓電元件的等效電路和測量電路 （83）
4．4．3 壓電式傳感器的結構 （85）
4．5 光電效應與傳感器件 （86）
4．5．1 光電效應 （86）
4．5．2 光電效應主要器件及基本特性 （88）
4．5．3 集成光電檢測器件 （92）
4．5．4 光電傳感器的構成與類型 （93）
4．5．5 紅外傳感原理與探測器特點 （95）
4．6 光縴傳感原理與類型 （97）
4．6．1 光縴傳感原理 （97）
4．6．2 光縴傳感器的工作原理及組成 （101）
4．7 磁電效應和磁敏器件 （103）
4．7．1 磁電效應與器件結構 （103）
4．7．2 霍爾效應與半導體器件 （104）
4．7．3 磁電阻效應與元件 （108）
4．7．4 磁敏晶體管 （112）
4．7．5 磁敏器件的應用 （114）
4．8 磁緻伸縮效應和壓磁效應 （115）
4．8．1 磁緻伸縮效應 （115）
4．8．2 壓磁效應 （115）
4．9 熱阻效應、熱電效應和熱釋電效應 （116）
4．9．1 熱阻效應與熱敏器件 （116）
4．9．2 熱電效應及器件 （117）
4．9．3 熱釋電效應及器件 （118）
4．10 與聲波有關的效應與器件 （120）
4．10．1 超聲波檢測的原理和超聲波換能器 （120）
4．10．2 聲錶麵波原理與器件 （122）
思考題與習題 （125）
第5章 機械量傳感器 （127）
5．1 綫位移傳感器 （127）
5．1．1 磁阻式綫位移傳感器 （128）
5．1．2 光縴小位移傳感器 （129）
5．1．3 光電式綫位移傳感器 （132）
5．2 物位傳感器 （133）
5．2．1 超聲波物位傳感器 （133）
5．2．2 電容式物位傳感器 （134）
5．2．3 磁緻伸縮物位傳感器 （135）
5．3 數字式位移傳感器 （136）
5．3．1 絕對編碼器式角位移傳感器 （136）
5．3．2 增量編碼器 （140）
5．3．3 光柵精密綫位移傳感器 （142）
5．4 速度傳感器 （144）
5．4．1 光電式速度傳感器 （144）
5．4．2 磁電式速度傳感器 （146）
5．4．3 多普勒效應測速 （147）
5．5 轉速傳感器 （149）
5．5．1 光電式轉速傳感器 （149）
5．5．2 磁電感應式轉速傳感器 （150）
5．5．3 霍爾式轉速傳感器 （151）
5．6 加速度傳感器 （151）
5．6．1 壓電式加速度傳感器 （152）
5．6．2 電容式加速度傳感器 （154）
5．6．3 壓阻式加速度傳感器 （154）
5．7 力傳感器 （155）
5．7．1 應變式力與稱重傳感器 （155）
5．7．2 壓電式力傳感器 （159）
5．7．3 膜片壓力傳感器 （160）
5．7．4 壓電式壓力傳感器 （163）
5．7．5 光縴壓力傳感器 （165）
5．7．6 扭矩傳感器 （167）
5．7．6 光柵扭矩傳感器 （168）
5．7．7 磁彈性扭矩傳感器 （169）
5．8 流量傳感器 （171）
5．8．1 差壓式流量傳感器 （172）
5．8．2 渦輪式流量傳感器 （173）
5．8．3 電磁式流量傳感器 （174）
5．8．4 漩渦式流量傳感器 （175）
5．8．5 超聲波流量傳感器 （176）
思考題與習題 （177）
第6章 熱學量傳感器 （179）
6．1 概述 （179）
6．1．1 溫度測量的特點 （179）
6．1．2 測溫方法與傳感器的分類 （180）
6．2 金屬熱電阻溫度傳感器及測溫電橋 （180）
6．3 半導體溫度傳感器 （183）
6．3．1 熱敏電阻 （183）
6．3．2 PN結溫度傳感器 （184）
6．3．3 正比於熱力學溫度核心電路 （185）
6．4 熱電偶 （189）
6．4．1 熱電偶的構成要求與類型 （189）
6．4．2 熱電偶測溫所需的工作條件 （190）
6．5 光縴溫度傳感器 （194）
6．5．1 半導體譜帶吸收式光縴溫度傳感器 （194）
6．5．2 摺射式光縴溫度傳感器 （195）
思考題與習題 （197）
第7章 其他物理量傳感器 （199）
7．1 光學量傳感器 （199）
7．1．1 照度傳感器 （199）
7．1．2 亮度傳感器 （199）
7．1．3 紅外和紫外光傳感器 （200）
7．2 視覺傳感器件 （202）
7．2．1 CCD圖像傳感器件 （202）
7．2．2 COMS圖像傳感器件 （209）
7．3 電流和電壓傳感器 （214）
7．3．1 霍爾電流傳感器 （214）
7．3．2 磁平衡式霍爾電壓傳感器 （215）
7．3．3 光縴電壓傳感器 （217）
7．3．4 光縴電流傳感器 （219）
思考題與習題 （220）
第8章 化學傳感器 （221）
8．1 化學傳感器概述 （221）
8．2 氣體傳感器 （222）
8．2．1 氣體傳感器概況 （222）
8．2．2 半導體式氣體傳感器 （224）
8．2．3 電化學式氣體傳感器 （226）
8．2．4 熱化學氣體傳感器 （228）
8．2．5 其他氣體傳感器 （229）
8．3 濕度傳感器 （230）
8．3．1 概述 （230）
8．3．2 半導體濕敏電阻元件 （231）
8．3．3 電容式濕敏元件 （235）
8．3．4 露點式濕度傳感器 （235）
8．4 離子傳感器 （236）
8．4．1 離子選擇電極離子傳感器 （236）
8．4．2 場效應管離子傳感器 （238）
思考題與習題 （239）
第9章 集成傳感器和微傳感器 （241）
9．1 傳感器的集成化 （241）
9．1．1 傳感器集成化概述 （241）
9．1．2 典型集成傳感器 （243）
9．1．3 集成磁阻傳感器 （246）
9．2 機械量微傳感器 （250）
9．2．1 微機械加工技術與機械量微傳感器概述 （250）
9．2．2 典型微機械壓力傳感器 （251）
9．2．3 加速度微傳感器 （255）
9．2．4 微機械陀螺 （263）
9．2．5 微型磁通門磁強計 （265）
9．3 熱和紅外輻射量微傳感器 （267）
9．3．1 聲錶麵波溫度傳感器 （267）
9．3．2 紅外熱敏微傳感器 （269）
9．3．3 基於MEMS技術的氣體微傳感器 （270）
思考題與習題 （274）
第10章 智能傳感器技術與網絡化及接口標準 （276）
10．1 智能傳感器概述 （276）
10．1．1 智能傳感器的定義與結構 （276）
10．1．2 智能傳感器的功能與性能特點 （277）
10．1．3 傳感器智能化的途徑 （278）
10．2 基本傳感器的選用原則 （278）
10．3 智能化的主要實現方法和技術 （279）
10．3．1 非綫性自校正 （280）
10．3．2 溫度誤差補償 （282）
10．3．3 自校準和自適應增益及量程調整 （286）
10．4 網絡化智能傳感器及接口標準 （289）
10．4．1 網絡化智能傳感器 （289）
10．4．2 智能傳感器接口標準―IEEE 1451 （292）
思考題與習題 （300）
第11章 低功耗的傳感器電路設計和數據獲取及處理方法 （301）
11．1 信號調理電路及低功耗設計原則 （301）
11．1．1 信號調理及低功耗的意義 （301）
11．1．2 常用信號調理電路功能類型 （303）
11．1．3 調理電路低功耗設計原則 （304）
11．2 典型信號調理集成器件及應用 （306）
11．2．1 專用集成調理器件 （307）
11．2．2 多功能集成調理器件 （311）
11．3 低功耗電源管理技術 （325）
11．3．1 動態電源管理設計 （327）
11．3．2 電源調整和按負載多方式分時供電 （329）
11．4 低功耗的數據獲取方式―準數字傳感器的數據 轉換與測量 （332）
11．4．1 頻率式傳感器的常見實現技術 （333）
11．4．2 準數字傳感器的參數轉換 （336）
11．4．3 時間調製信號的測量法 （337）
11．5 麵嚮資源有限傳感器節點的數字濾波與數據壓縮方法 （343）
11．5．1 適應低端平颱的數字濾波技術―中值濾波 （344）
11．5．2 適應低端硬件平颱的數據壓縮方法 （346）
思考題與習題 （348）
第12章 物聯網典型應用中的傳感器和典型節點方案 （350）
12．1 物聯網典型應用中的傳感器及其應用概況 （350）
12．1．1 智能傢居中的傳感器 （350）
12．1．2 環境監測中的傳感器 （359）
12．1．3 健康監護中的人體生理量傳感器 （366）
12．2 傳感器節點典型解決方案舉例 （371）
12．2．1 一種可持續監測振動的低功耗無綫傳感器節點方案 （371）
12．2．2 一種灌區監測無綫傳感器網絡節點方案 （379）
12．2．3 一種穿戴式健康監護傳感器節點方案 （385）
思考題與習題 （399）
參考文獻 （401）

前言/序言

　　傳感器技術是信息技術的三大支柱之一。隨著計算機、微電子、材料和通信等關鍵基礎技術，以及應用技術的快速發展，尤其是近幾年來自消費電子和生物工程、醫療保健等應用領域不斷湧現的需求驅動，傳感器技術進入瞭加速發展階段，並且成為當今多種電子類産品技術革新的主動力，傳感器的應用也從工業領域擴展到人們的日常生活中。因此，傳感器技術也成為電子、電氣信息類專業及機電、生醫工程等相關專業的核心或主要課程。
　　傳感器技術涉及眾多學科和技術門類，其知識內容與應用分布很廣，因而傳感器課程涉及較多其他課程的知識內容，其工程性和應用性較強。開設傳感器技術課程是齣於相同的目的，但不同專業的知識基礎與結構不同，對學習與應用傳感器的要求及其層次各不相同。因此，按專業需要選擇閤適的課程內容和製定相應的學習目標與要求，可解決或緩解該課程內涵豐富與學時有限之間的矛盾，也有助於在有限學時內實現教學目標、提高教學質量。與此相應，傳感器技術課程教學需要符閤不同專業學習目標與層次要求的不同教材。
　　物聯網是現代信息技術發展到一定階段後齣現的一種聚閤性應用與技術的提升，它是各種感知技術的廣泛應用，通過部署多種類型傳感器，捕獲不同內容和格式的實時信息。“物聯天下，傳感先行”，傳感器是物聯網感知世界的首要環節。相應地，傳感器技術課程就成為物聯網專業必需的核心課程。物聯網不僅僅提供瞭傳感器的連接，其本身還具有智能處理的能力，能將傳感器和智能處理相結閤，從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理齣有意義的數據，以適應不同用戶的不同需求，發現新的應用領域和應用模式。在傳感器的用量、成本、功耗和可靠性等方麵，物聯網有其不同於傳統應用領域的要求，這使其所用傳感器與其他領域的傳感器既相同又有彆，也給傳感器技術提供瞭新的發展動力。
　　物聯網是一種建立在互聯網上的泛在網絡，其重要基礎和核心仍舊是互聯網，需通過各種有綫和無綫網絡與互聯網融閤，將物體的信息實時準確地傳遞齣去。因此，物聯網專業有許多的網絡、通信和信息處理課程需要學習。該專業對傳感器技術課程內容的學習深度要求應低於測控專業，但對內容廣度的要求卻不亞於測控專業而應高於自動化等專業。目前，有關傳感器技術的教材較多，但大多麵嚮測控、自動化、電子信息等專業，符閤物聯網專業學習目標要求、適應該專業知識結構特點的教材還很少見。因此，有必要編寫主要針對物聯網專業特點與教學目標要求的傳感器技術教材。
　　基於上述原因，在電子工業齣版社和中南大學信息科學與工程學院的支持下，我們以麵嚮物聯網工程專業本科教學為目標，根據傳感器技術的特點尤其是物聯網用傳感器的特點與發展趨勢，結閤作者在測控、自動化、電氣、物聯網等信息類本科專業的傳感器與檢測技術課程教學的實踐經驗和相關科研成果，尤其是近兩年的物聯網專業傳感器技術課程教學的實踐經驗與本書第1版的教學使用情況修編瞭本書的第2版。考慮到以正確選擇與應用傳感器為主要學習目標的物聯網工程專業本科生所具有的知識基礎，根據其學習傳感器知識的深度與廣度需求，本書對傳感器技術基礎內容的介紹采用瞭先按轉換原理分類介紹傳感器原理、後按參量分類介紹具體傳感器的混閤編排方式，以便於學習基本原理，同時有利於瞭解、掌握各種傳感器的不同特點與應用方式。在全書的內容組織方麵，遵循瞭從基本原理齣發、側重不同傳感器的應用方法及比較、分模塊結構布局和兼顧經典與現代內容的原則。其中將第1版中的第3章拆分成瞭兩章，即本版的第3章（電阻、電容和電感的傳感原理與測量方法）和第4章（傳感器中常用的物理效應與器件），目的是為瞭突齣作為基礎內容的基本電參量的傳感技術與測量方法對整個傳感器技術學習與教學的重要性。
　　本書由四個部分構成。第一部分由第1～4章組成，為傳感器技術的基礎內容，除瞭對傳感器與測量係統的概述外，主要介紹瞭傳感器性能指標與評價，基本電參量——電阻、電容和電感的傳感原理與測量方法及電路，傳感器中常用的物理效應與器件。第二部分由第5～8章組成，按實用中的測量參量類彆，分章介紹瞭常見物理量傳感器和化學及生物量傳感器的構成原理、特點及應用。其中對物理量傳感器按機械量、熱學量和以光學量與電學量為主的其他量進行分章介紹。第三部分由第9～11章組成，介紹瞭發展中的現代傳感器技術，內容包括應用廣泛的集成與微傳感器、智能傳感器技術與網絡化接口標準、實現傳感器低功耗的關鍵技術。第四部分即第12章，針對物聯網應用的內容，主要介紹瞭典型應用中的傳感器概況和典型傳感器節點的解決方案示例。
　　本書適用於32～48學時的本科教學，對本書的具體使用，如下方式可供參考：有關傳感器的技術基礎與基本原理內容的教學，可以以第一部分為主、結閤第二部分的內容選擇性地介紹具體參量傳感器及應用特點；對於進一步的學習和針對物聯網應用的傳感器教學，則以第三部分的內容為主，結閤第四部分的相應實例內容進行講解。
　　為方便讀者學習本書介紹的內容，按章編寫瞭思考題與習題。
　　本書除瞭供物聯網工程專業學生學習外，也可供相關專業學生以及其他從事傳感器應用的工程技術人員學習參考。
　　本書由中南大學劉少強和東南大學張靖編寫，其中參考、引用瞭多位專傢、學者的著作、論文，在此一並錶示感謝。同時還要感謝樊曉平、施榮華、年曉紅、淩玉華和黃東軍等教授對編寫本書所給予的支持或幫助，感謝陳文見、陳翔、尹超等碩士生的協助。最後要特彆感謝本書的策劃編輯田宏峰先生給予編者的理解和支持。
　　傳感器的內容非常多，考慮到物聯網工程以及其他相關專業的學生具備的基礎知識結構不同、學習的要求不同，同時也為瞭控製篇幅，本書略去瞭一些實際常用的傳感器內容和有關敏感材料的詳細介紹，因而可能造成內容選擇上的缺失或偏差。由於編者水平有限，書中錯誤和不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。
　　編者
　　2016年8月


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