【内容简介】
本书系统全面地提供了关于近20种传感器的理论(物理原理)、设计和实际应用的知识体系。主要涵盖了数据获取、传递函数、传感器特性、感知的物理原理、传感器的光学元件及接口电路等基本原理, 以及人体探测器、位置与位移和水平传感器、速度和加速度传感器、力和力变传感器、压力传感器、流量传感器、声传感器、湿度传感器、光探测器、电离辐射
探测器、温度传感器、化学和生物传感器及传感器材料与技术等领域的技术与应用。结构层次分明, 内容翔实丰富, 希望能为广大读者的学习和研究带来帮助。
本书可供传感器领域的研发设计人员、应用工程师、技术人员, 以及对现代仪器感兴趣的研究人员使用, 也可供高等院校相关专业本科生及研究生参考。
【目录】
译丛序言
译者序
前言
第1章 数据获取 1
1.1 传感器、信号和系统 1
1.2 传感器的分类 6
1.3 测量的单位 8
参考文献 10
第2章 传递函数 11
2.1 数学模型 11
2.1.1 概念 12
2.1.2 函数逼近 12
2.1.3 线性回归 15
2.1.4 多项式逼近 15
2.1.5 灵敏度 16
2.1.6 线性分段逼近 16
2.1.7 样条插值 17
2.1.8 多维传递函数 18
2.2 校准 18
2.3 参数计算 20
2.4 激励的计算 22
2.4.1 利用解析式 23
2.4.2 使用线性分段逼近法 23
2.4.3 激励的迭代计算（牛顿法） 25
参考文献 27
第3章 传感器特性 28
3.1 用于移动通信设备中的传感器 28
3.1.1 MCD传感器的需求 29
3.1.2 集成 30
3.2 量程（满量程输入） 31
3.3 满量程输出 31
3.4 精度 32
3.5 校准误差 34
3.6 迟滞 35
3.7 非线性度 36
3.8 饱和度 37
3.9 重复性 37
3.10 死区 38
3.11 分辨率 38
3.12 特殊性质 39
3.13 输出阻抗 39
3.14 输出格式 39
3.15 激励 40
3.16 动态特性 40
3.17 传感器元件的动态模型 44
3.17.1 力学元件 44
3.17.2 热学元件 45
3.17.3 电学元件 46
3.17.4 类比 47
3.18 环境因素 47
3.19 可靠性 49
3.19.1 MTTF 49
3.19.2 极限测试 50
3.19.3 加速寿命测试 50
3.20 应用特性 52
3.21 不确定性 52
参考文献 55
第4章 感知的物理原理 56
4.1 电荷、电场和电势 56
4.2 电容 62
4.2.1 电容器 63
4.2.2 介电常数 64
4.3 磁性 67
4.3.1 法拉第定律 69
4.3.2 永磁体 71
4.3.3 线圈和螺线管 72
4.4 电磁感应 72
4.4.1 楞次定律 76
4.4.2 电涡流 76
4.5 电阻 77
4.5.1 电阻率 79
4.5.2 电阻的温度灵敏度 80
4.5.3 电阻的应变灵敏度 82
4.5.4 电阻的湿度灵敏度 84
4.6 压电效应 84
4.6.1 压电陶瓷材料 87
4.6.2 高分子压电薄膜 90
4.7 热释电效应 91
4.8 霍尔效应 96
4.9 热电效应 98
4.9.1 泽贝克效应 98
4.9.2 佩尔捷效应 102
4.10 声波 103
4.11 材料的温度和热性质 105
4.11.1 温标 106
4.11.2 热膨胀 107
4.11.3 热容 108
4.12 热传递 109
4.12.1 热传导 110
4.12.2 热对流 112
4.12.3 热辐射 112
参考文献 120
第5章 传感器的光学元件 123
5.1 光 123
5.1.1 光子能量 123
5.1.2 光的偏振 124
5.2 光的散射 125
5.3 几何光学 126
5.4 辐射测量 127
5.5 光度测量 131
5.6 窗口 133
5.7 反射镜 134
5.7.1 涂层反射镜 135
5.7.2 棱镜 136
5.8 透镜 136
5.8.1 曲面透镜 137
5.8.2 菲涅耳透镜 138
5.8.3 平面纳米透镜 140
5.9 光纤光学和波导 141
5.10 光学效率 144
5.10.1 透镜效应 144
5.10.2 集中器 145
5.10.3 吸热涂层 146
5.10.4 抗反射涂层 147
参考文献 148
第6 章 接口电路 149
6.1 信号调节器 150
6.1.1 输入特性 151
6.1.2 放大器 155
6.1.3 运算放大器 155
6.1.4 电压跟随器 157
6.1.5 电荷-电压转换器和电流-电压转换器 157
6.1.6 光-电压转换器 159
6.1.7 电容-电压转换器 160
6.1.8 闭环电容-电压转换器 162
6.2 传感器的连接 164
6.2.1 比例电路 164
6.2.2 差分电路 166
6.2.3 惠斯通电桥 167
6.2.4 零点平衡电桥 169
6.2.5 电桥放大器 170
6.3 激励电路 171
6.3.1 电流发生器 172
6.3.2 电压发生器 174
6.3.3 基准电压源 176
6.3.4 振荡器 176
6.4 A-D转换器 177
6.4.1 基本概念 177
6.4.2 V-F转换器 179
6.4.3 PWM转换器 182
6.4.4 R-F转换器 183
6.4.5 逐次逼近转换器 184
6.4.6 分辨率扩展 185
6.4.7 A-D转换器接口 187
6.5 集成接口 188
6.5.1 电压处理器 189
6.5.2 电感处理器 189
6.6 数据传输 190
6.6.1 双线传输 190
6.6.2 四线传输 191
6.7 传感器和电路的噪声 192
6.7.1 固有噪声 192
6.7.2 传输噪声 195
6.7.3 电屏蔽 199
6.7.4 旁路电容 201
6.7.5 磁屏蔽 202
6.7.6 机械噪声 203
6.7.7 接地层 204
6.7.8 接地环路与接地隔离 205
6.7.9 泽贝克噪声 206
6.8 低功耗传感器电池 207
6.8.1 原电池 208
6.8.2 蓄电池 209
6.8.3 超级电容器 209
6.9 能量收集 210
6.9.1 光能收集 210
6.9.2 远场能量收集 211
6.9.3 近场能量收集 212
参考文献 212
第7 章 人体探测器 214
7.1 超声波探测器 215
7.2 微波运动探测器 218
7.3 微功率脉冲雷达 223
7.4 探达 225
7.5 线性光学传感器 226
7.6 电容式占用探测器 229
7.7 静电探测器 232
7.8 光电运动探测器 234
7.8.1 传感器的结构 234
7.8.2 多探测元件 236
7.8.3 复杂的传感器形状 236
7.8.4 图像失真 236
7.8.5 面元聚焦元件 237
7.8.6 可见光和近红外光运动探测器 238
7.8.7 中红外和远红外运动探测器 240
7.8.8 被动红外运动探测器 240
7.8.9 被动红外探测器效率分析 243
7.9 光感传感器 246
7.9.1 光电束 246
7.9.2 光反射传感器 247
7.10 压力梯度传感器 248
7.11 二维定位装置 250
7.12 姿态感知（3D定位） 251
7.12.1 惯性与陀螺鼠标 252
7.12.2 光学姿态传感器 252
7.12.3 近场姿态传感器 252
7.13 触觉传感器 254
7.13.1 开关式触觉传感器 255
7.13.2 压电式触觉传感器 255
7.13.3 压阻式触觉传感器 258
7.13.4 触觉MEMS 传感器 260
7.13.5 电容式触觉传感器 261
7.13.6 光学接触传感器 263
7.13.7 光学指纹传感器 265
参考文献 266
第8 章 位置、位移和水平传感器 269
8.1 电位器式传感器 270
8.2 压阻式传感器 273
8.3 电容式传感器 275
8.4 电感式传感器和磁传感器 278
8.4.1 线性差动变压器和旋转差动变压器 278
8.4.2 横向电感式传感器 280
8.4.3 电涡流传感器 281
8.4.4 路面感应环形线圈 282
8.4.5 金属探测器 283
8.4.6 霍尔传感器 284
8.4.7 磁阻式传感器 289
8.4.8 磁致伸缩探测器 291
8.5 光学传感器 292
8.5.1 光桥 292
8.5.2 偏振光接近探测器 292
8.5.3 棱镜和反射传感器 294
8.5.4 法布里-珀罗传感器 295
8.5.5 光纤光栅传感器 297
8.5.6 光栅光强调制器 299
8.6 厚度传感器和液位传感器 300
8.6.1 烧蚀传感器 300
8.6.2 薄膜传感器 302
8.6.3 低温液位传感器 304
参考文献 305
第9 章 速度和加速度传感器 307
9.1 速度传感器 309
9.1.1 线速度传感器 309
9.1.2 转速传感器（转速计） 310
9.2 惯性旋转传感器 311
9.2.1 转子陀螺仪 312
9.2.2 振动陀螺仪 313
9.2.3 光学（激光） 陀螺仪 315
9.3 惯性线性传感器（加速度传感器） 317
9.3.1 转换理论与特性 318
9.3.2 倾角仪 321
9.3.3 地震传感器 323
9.3.4 电容式加速度传感器 324
9.3.5 压阻式加速度传感器 327
9.3.6 压电式加速度传感器 327
9.3.7 热加速度传感器 328
9.3.8 力平衡加速度传感器 331
参考文献 332
第10 章 力和应变传感器 334
10.1 基本条件 334
10.2 应变计 336
10.3 压敏薄膜 338
10.4 压电式力传感器 340
10.5 压电电缆 343
10.6 光学力传感器 345
参考文献 346
第11 章 压力传感器 348
11.1 压强的概念 348
11.2 压强的单位 349
11.3 水银压力传感器 350
11.4 波纹管、波纹膜和薄板 351
11.5 压阻式传感器 352
11.6 电容式传感器 356
11.7 可变磁阻式压力传感器 357
11.8 光电压力传感器 359
11.9 间接压力传感器 360
11.10 真空传感器 361
11.10.1 皮拉尼真空计 362
11.10.2 电离真空计 364
11.10.3 气体阻力计 364
参考文献 365
第12 章 流量传感器 367
12.1 流体动力学基础 367
12.2 压力梯度技术 369
12.3 热传导式传感器 371
12.3.1 热丝式风速传感器 372
12.3.2 三部件热式流量传感器 374
12.3.3 两部件热式流量传感器 376
12.3.4 微流热传导式传感器 379
12.4 超声波式传感器 380
12.5 电磁式传感器 383
12.6 微风速传感器 384
12.7 科里奥利质量流量传感器 385
12.8 阻力流量传感器 387
12.9 悬臂式MEMS传感器 388
12.10 烟尘探测器 388
12.10.1 电离探测器 389
12.10.2 光学探测器 390
参考文献 392
第13 章 声学传感器 394
13.1 传声器的特性 395
13.1.1 输出阻抗 395
13.1.2 平衡输出 395
13.1.3 灵敏度 395
13.1.4 频率响应 396
13.1.5 固有噪声 396
13.1.6 方向性 397
13.1.7 邻近效应 399
13.2 电阻式传声器 400
13.3 电容式传声器 400
13.4 驻极体传声器 402
13.5 光学传声器 403
13.6 压电式传声器 405
13.6.1 低频范围 406
13.6.2 超声波范围 407
13.7 动圈式传声器 409
参考文献 410
第14 章 湿度传感器 412
14.1 湿度的定义 412
14.2 湿度传感器的原理 415
14.3 电容式湿度传感器 416
14.4 电阻式湿度传感器 418
14.5 热导式传感器 419
14.6 光学湿度计 420
14.6.1 冷镜 420
14.6.2 光相对湿度传感器 421
14.7 振荡湿度计 422
14.8 土壤湿度监测器 423
参考文献 425
第15章 光学探测器 427
15.1 简介 427
15.2 光敏二极管 431
15.3 光敏晶体管 435
15.4 光敏电阻 437
15.5 冷却式探测器 439
15.6 可见光范围的成像传感器 441
15.6.1 CCD传感器 442
15.6.2 CMOS传感器 443
15.7 UV探测器 444
15.7.1 材料与设计 444
15.7.2 雪崩UV探测器 445
15.8 辐射热测器 447
15.8.1 概述 447
15.8.2 高莱探测器 449
15.8.3 热电堆温度传感器 449
15.8.4 热释电传感器 454
15.8.5 微测辐射热计 458
参考文献 461
第16 章 电离辐射探测器 463
16.1 闪烁探测器 464
16.2 电离探测器 467
16.2.1 电离腔 467
16.2.2 比例腔 468
16.2.3 盖革-米勒计数器 468
16.2.4 半导体探测器 470
16.3 云室与气泡室 473
参考文献 475
第17 章 温度传感器 476
17.1 与物体的耦合 476
17.1.1 静态热交换器 476
17.1.2 动态热交换 480
17.1.3 传感器结构 482
17.1.4 传感器响应的信号处理 483
17.2 温度参考点 485
17.3 电阻式温度探测器 486
17.4 陶瓷热敏电阻 487
17.4.1 简单模型 488
17.4.2 Fraden模型 490
17.4.3 Steinhart-Hart模型 492
17.4.4 NTC热敏电阻的自热效应 494
17.4.5 陶瓷正温度系数热敏电阻 497
17.4.6 陶瓷负温度系数热敏电阻的制造 500
17.5 锗和硅热敏电阻 501
17.6 半导体PN结传感器 504
17.7 硅正温度系数温度传感器 507
17.8 热电式传感器 509
17.8.1 热电定律 510
17.8.2 热电偶电路 512
17.8.3 热电偶组件 515
17.9 光学温度传感器 516
17.9.1 荧光传感器 517
17.9.2 干涉仪传感器 518
17.9.3 超高分辨率温度感知 518
17.9.4 热致变色传感器 519
17.9.5 光纤温度传感器 519
17.10 声波温度传感器 520
17.11 压电温度传感器 521
参考文献 522
第18 章 化学和生物传感器 525
18.1 概述 525
18.1.1 化学传感器 525
18.1.2 生化传感器 526
18.2 历史 526
18.3 化学传感器的特性 527
18.3.1 选择性 528
18.3.2 灵敏度 529
18.4 电和电化学传感器 530
18.4.1 电极系统 531
18.4.2 电位型传感器 532
18.4.3 电导型传感器 533
18.4.4 金属氧化物半导体化学传感器 537
18.4.5 弹性体化学电阻 538
18.4.6 化学电容传感器 541
18.4.7 化学场效应晶体管 542
18.5 光电离探测器 544
18.6 物理传感器 545
18.6.1 声波器件 545
18.6.2 微悬臂梁 548
18.7 光谱仪 549
18.7.1 离子迁移光谱测定法 550
18.7.2 四极杆质谱仪 551
18.8 热传感器 552
18.8.1 概念 552
18.8.2 Pellister催化传感器 552
18.9 光传感器 553
18.9.1 红外探测 553
18.9.2 光纤传感器 554
18.9.3 比率选择计（脉冲血氧仪） 555
18.9.4 变色传感器 558
18.10 多传感器阵列 559
18.10.1 通用条件 559
18.10.2 电子鼻和电子舌 559
18.11 具体困难 562
参考文献 563
第19 章 传感器材料与技术 571
19.1 材料 571
19.1.1 传感材料：硅 571
19.1.2 塑料 574
19.1.3 金属 577
19.1.4 陶瓷 579
19.1.5 结构玻璃 580
19.1.6 光学玻璃 580
19.2 纳米材料 582
19.3 表面处理 583
19.3.1 旋转涂膜法 584
19.3.2 真空沉积 584
19.3.3 溅射 585
19.3.4 化学气相沉积 586
19.3.5 电镀 587
19.4 微机电系统技术 588
19.4.1 光刻 589
19.4.2 硅微机械加工 589
19.4.3 桥和悬臂梁的微机械加工 592
19.4.4 剥离 594
19.4.5 晶片键合 595
19.4.6 LIGA技术 595
参考文献 596
附录 597
【前言】
众多使用计算机控制的设备可以洗衣服、泡咖啡、播放音乐、看家护院，可以实现许多有用的功能。然而，没有电子设备能在不接收外部信息的情况下运行。即使这些信息来自设备链中某处的其他电子设备，该链中也至少存在一个组件用于感知外部输入的信号，该组件便是传感器。现代信号处理器是处理通常由电脉冲表示的二进制码的设备。我们生活在一个模拟世界中，这个世界中的信息大多数不是数字或电子的（除了原子水平），传感器是各种物理量与电子电路之间的接口设备，它们只能“理解”移动电荷所传递的语言。换句话说，传感器是硅芯片的眼睛、耳朵和鼻子。本书讲述的是与生物体的感知器官非常不同的人造传感器。
自本书上一版出版以来，传感技术取得了显著的飞跃。传感器的灵敏度更高，尺寸更小，选择性更好，价格更低。传感器的一个新的主要应用领域——移动通信设备，正在迅猛发展。尽管这些设备使用的传感器与其他传感器的基本原理相同，但它们在移动设备中的使用需要有特定的要求，其中包括尺寸微小性以及与信号处理和通信组件的完全集成性。因此，在本版中，我们更详细地讨论了传感技术的移动趋势。
传感器是将物理特性的输入信号转换为电气输出，因此我们将详细研究这种转换的原理和其他相关的物理定律。达?芬奇可以说是有史以来 伟大的天才之一，他有着自己独特的祈祷方式（根据我多年前读过的一本书，作者为AkimVolinsky，1900年出版于俄罗斯）。粗略地说，他的祈祷可以被翻译成现代英语，比如：“哦，上帝啊，谢谢你遵守你自己的法则。”令人欣慰的是，自然法则并没有改变，而是不断细化。本版中涉及这些法则的章节自前几版以来没有太大的变化，而对描述实际设计的章节已进行了重大修改。 新的思路和发展已被添加进来，而过时和不那么引人关注的设计则被删除。
在工程实践过程中，我经常希望能有这样一本书，书中有重要的物理原理、设计和各种传感器应用等有关的许多实用信息。当然，我可以浏览互联网或去图书馆，寻找物理、化学、电子、技术和科学杂志等相关资料，但这些信息分散在许多出版物和网站上，而我思考的几乎每一个问题都需要进行大量的研究。渐渐地，我收集了所有与各种传感器及其在科学和工程测量中的应用相关的实用信息。我还在实验室中花了无数时间，发明和开发了许多带有各种传感器的设备。很快，我意识到我收集到的信息对很多人都非常有用。这个想法促使我写了本书，到目前它已经更新到第5版，证明了我没有做错。
书中包含的主题反映了我自己的喜好和观点。有些人可能会发现对特定传感器的描述过于详细或过于简短。在决定将什么样的传感器写入新版本时，我试图保持这本书的范围尽可能广泛，选择许多简单描述的不同设计（我希望不是琐碎的），而不是在深度上去开展。本版试图（也许并不谦虚）覆盖范围非常广泛的传感器和探测器，其中许多传感器都是众所周知的，但对它们的介绍仍然对学生和那些寻求方便参考的人是有用的。
本书绝不是专门文献的替代品，它以多种设计和可能性来呈现传感器世界的鸟瞰图，但不会深入探讨任何特定的主题。在大多数情况下，我试图在写作的细节和简单性之间取得平衡。然而， 简单和清晰是我对自己提出的 重要的要求。我真正的目标不是收集大量信息，而是启发读者的创造性思维。正如普鲁塔克在近两千年前所说的：“头脑不是一个要被填满的容器，而是一支需要点燃的火把……”
尽管本书适用于科学家和工程师，但通常情况下，技术描述和数学运算基本均没有超出高中课程范围。这是一本参考书，可供学生、对现代仪器感兴趣的研究人员（应用物理学家和工程师） 以及想了解、选择或设计用于实际系统的传感器的传感器设计师、应用工程师和技术人员使用。
本书以前的版本已经被广泛地用作相关大学课程的参考资料和教科书。来自传感器设计人员、应用工程师、教授和学生的意见和建议帮助我进行了一些更改并纠正了错误。我非常感谢那些帮助我进一步改进本书第5版的人，非常感激和感谢Ephraim Suhir博士和David Pintsov博士协助我对传递函数进行的数学处理，并感谢Sanjay V. Patel博士对有关化学传感器的章节所做的进一步贡献。
美国加利福尼亚州圣迭戈 雅各布?弗雷登（Jacob Fraden）
