傳感器與數(shù)據(jù)采集原理

在內(nèi)容上，將信號(hào)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集和傳感器原理有機(jī)地結(jié)合起來。這樣的結(jié)構(gòu)是參考Boston 大學(xué)“傳感器原理”課程和教材的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生全面深入了解傳感器原理和應(yīng)用方法。

在編寫上，盡量做到深入淺出。既要將理論闡述清楚，又要避免內(nèi)容生澀難懂。為了提高可讀性，本書在每個(gè)章節(jié)都編入相應(yīng)的例子及問題，便于讀者學(xué)習(xí)參考。

在內(nèi)容組織上，主要按原理分類，便于學(xué)生理解，但應(yīng)用方面單獨(dú)組織一章，按應(yīng)用分類，便于學(xué)生實(shí)際使用。

內(nèi)容新穎、語言簡潔，包括大量的新型傳感器（智能傳感器、生物傳感器、納米傳感器）的工作原理和結(jié)構(gòu)，篇幅控制在300頁左右。

可作為電子專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)及機(jī)械電子專業(yè)本科和碩士研究生教材。

本書是根據(jù)大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科專業(yè)特色教材建設(shè)計(jì)劃的教學(xué)大綱編寫而成的，也適合于自動(dòng)化、電子、機(jī)械電子等相關(guān)學(xué)科專業(yè)。

作為信息科學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，信息獲取技術(shù)（傳感器技術(shù)）在當(dāng)代科學(xué)中占有重要地位。信息科學(xué)主要分為三大部分：信息獲取、信息傳輸和信息處理。在過去的幾十年中，信息傳輸和信息處理都獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而傳感器技術(shù)還處在發(fā)展期，大量的新技術(shù)正在興起，納米技術(shù)、等離子技術(shù)、基因芯片技術(shù)等大量新技術(shù)正在改變著傳感器技術(shù)，使其煥發(fā)出新的活力。“傳感器原理”不但是目前各大專院校自動(dòng)控制專業(yè)的一門重要課程，同時(shí)也是每位電子類工程師應(yīng)該掌握的三大技術(shù)之一。

但是，由于傳感器原理比較抽象、內(nèi)容各異、體系化不強(qiáng)，使傳感器原理的講授一直比較困難，容易流于表面。學(xué)生也總覺得很難理解其實(shí)質(zhì)。究其原因，主要是傳感器原理處于信息技術(shù)的前端，和生活應(yīng)用的聯(lián)系不直接，例如生活中的空調(diào)大家都非常熟悉，但是空調(diào)中用的傳感器，它們有什么作用、是哪些型號(hào)、如何工作，就未必有人能說得上來了。另外，單獨(dú)講傳感器原理很容易使傳感器技術(shù)的理解流于表面。說到傳感器，大體都知道是通過敏感器件將被測量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給信息處理部分，但具體如何應(yīng)用并不知道。這就將一門專業(yè)課的學(xué)習(xí)變成了科普。本書的定位是大學(xué)本科教材+應(yīng)用，在傳感器原理多種新技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)采集的相關(guān)知識(shí)編寫而成。這樣的結(jié)構(gòu)參考了Boston大學(xué)“傳感器原理”課程和教材的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生全面深入地了解傳感器的原理和應(yīng)用方法。

對(duì)傳感器原理的把握需要注意3個(gè)方面：

（1）傳感器的工作原理及由此帶來的工作特點(diǎn)不同，這主要體現(xiàn)在傳感器的敏感元器件上，例如熱電偶和熱電阻的工作原理不同。熱電偶是電勢型傳感器，它測量的是溫度差，如果要測某點(diǎn)溫度，一定需要零點(diǎn)補(bǔ)償。而熱電阻是電阻型傳感器，它測量的是絕對(duì)溫度，工作的原理和特點(diǎn)與熱電偶完全不同。

（2）傳感器的調(diào)節(jié)電路不同，導(dǎo)致了需要采用不同的調(diào)節(jié)電路才能更精確地將敏感傳感器的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。例如為了將微小應(yīng)變導(dǎo)致的應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以采用電橋。此外，各種傳感器的誤差機(jī)理不同也導(dǎo)致了需要采用不同的調(diào)節(jié)電路。

（3）從系統(tǒng)上考慮傳感器的選擇，包括傳感器的成本、輸出信號(hào)。從根本上說，傳感器僅僅是計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，從系統(tǒng)的角度學(xué)習(xí)傳感器的應(yīng)用便于更進(jìn)一步了解傳感器的原理。

本書主要內(nèi)容包括：常用傳感器（溫度、壓力、加速度）及新型傳感器（如化學(xué)傳感器、生物傳感器、納米傳感器）的工作原理、結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、數(shù)據(jù)采集的基本原理及應(yīng)用，著重介紹了不同傳感器的原理及信號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采集中可能出現(xiàn)的問題及其解決方案。

本書在內(nèi)容上，將信號(hào)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集和傳感器原理有機(jī)地結(jié)合起來；在編寫上，盡量做到深入淺出，既要將理論闡述清楚，又要避免內(nèi)容生澀難懂，為了提高可讀性，本書在每個(gè)章節(jié)都編入相應(yīng)的例子及問題，便于讀者學(xué)習(xí)和參考；在內(nèi)容組織上，主要按原理分類，便于學(xué)生理解，但應(yīng)用方面單獨(dú)組織一章，按應(yīng)用分類，便于學(xué)生實(shí)際使用，這樣就兼顧兩種組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，更便于教學(xué)和學(xué)生實(shí)際應(yīng)用。

本書由胡學(xué)海任主編，鄧罡講師、張志國高級(jí)工程師、王志剛副教授任副主編，主要編寫人員有：王俊蘇、涂戈、何偉國、戴亮、賈宇、任代蓉、任學(xué)龍，參與部分編寫工作的還有：王治國、鐘曉林、王娟、胡靜、楊龍、張成林、方明、王波、陳小軍、雷曉、李軍華、陳曉云、方鵬、龍帆、劉亞航、凌云鵬、陳龍、曹淑明、徐偉、楊陽、張宇、劉挺、單琳、吳川、李鵬、李巖、朱榕、陳思濤和孫浩等，在此一并表示感謝。

由于時(shí)間倉促加之作者水平有限，書中難免有不足甚至錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)各位專家批評(píng)指正。在此感謝各參考文獻(xiàn)的作者，同時(shí)有的資料是網(wǎng)上搜集來的，由于使用的時(shí)間太長，無法查證作者，如果在此引用了您的觀點(diǎn)，請(qǐng)與我們聯(lián)系，必將盡快更正參考文獻(xiàn)。

我們?yōu)閭鞲衅髋c數(shù)據(jù)采集原理的讀者盡心服務(wù)，圍繞相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品和市場信息探討應(yīng)用與發(fā)展，發(fā)掘熱點(diǎn)與重點(diǎn)，開展教學(xué)指導(dǎo)。俱樂部QQ：183090495，電子郵件：hwhpc@163.com，歡迎數(shù)控愛好者和用戶與我們聯(lián)系。

編 者

2015年12月

第0章 緒論 1
0.1 本書結(jié)構(gòu)及閱讀指南 1
0.2 傳感器的基本知識(shí) 1
0.2.1 傳感器及數(shù)據(jù)采集的定義和術(shù)語 3
0.2.2 傳感器的組成與分類 4
0.3 傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 5
思考題與習(xí)題 6
第1章 傳感器原理及數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ) 8
1.1 測量系統(tǒng) 8
1.1.1 測量系統(tǒng)的組成原理 8
1.1.2 計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)的組成與特點(diǎn) 9
1.2 傳感器的特性 10
1.2.1 傳感器的靜態(tài)特性 11
1.2.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 16
1.2.3 傳感器的測量誤差與其他特性 23
1.3 傳感器的選擇 26
1.4 傳感器的標(biāo)定 27
1.4.1 傳感器的靜態(tài)標(biāo)定 28
1.4.2 傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定 28
1.5 數(shù)據(jù)采集 32
1.5.1 采樣 32
1.5.2 量化 36
1.5.3 編碼 36
思考題與習(xí)題 37
第2章 傳感器信號(hào)調(diào)理 38
2.1 電橋 38
2.1.1 電橋的基本原理 39
2.1.2 電橋輸出的設(shè)計(jì) 40
2.1.3 惠斯通電橋存在的系統(tǒng)誤差及其
消除方法 47
2.2 信號(hào)調(diào)理放大器 50
2.2.1 信號(hào)調(diào)理放大器的參數(shù) 51
2.2.2 運(yùn)放的誤差和非線性 54
2.2.3 運(yùn)放的噪聲 57
2.2.4 特殊放大器 58
2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換 65
2.3.1 A/D的分類 65
2.3.2 A/D的指標(biāo) 67
2.3.3 A/D的原理及特性 68
2.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 70
2.4 多路開關(guān) 71
2.5 片上數(shù)采系統(tǒng) 73
思考題與習(xí)題 75
第3章 電阻式傳感器 76
3.1 概述 76
3.1.1 彈性敏感元件的特性 77
3.1.2 彈性敏感元件的設(shè)計(jì) 79
3.2 應(yīng)變片 81
3.2.1 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理 82
3.2.2 分類與參數(shù) 85
3.2.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 88
3.2.4 溫度誤差與補(bǔ)償 90
3.2.5 信號(hào)調(diào)節(jié)電路 93
3.3 熱敏電阻 96
3.3.1 工作原理 96
3.3.2 特性參數(shù) 97
3.3.3 分類與應(yīng)用 98
3.3.4 線性化 98
3.4 其他電阻式傳感器 99
思考題與習(xí)題 100
第4章 電容式傳感器 101
4.1 概述 101
4.1.1 原理、分類、結(jié)構(gòu)與參數(shù) 101
4.1.2 特點(diǎn) 104
4.2 電容式傳感器的工作原理、等效電路
及誤差分析 105
4.2.1 變間隙的電容式傳感器 105
4.2.2 變面積的電容式傳感器 109
4.2.3 變介質(zhì)型電容式傳感器 110
4.2.4 等效電路分析 112
4.3 電容傳感器應(yīng)用系統(tǒng)分析 113
4.3.1 信號(hào)調(diào)理電路 113
4.3.2 影響精度的因素及改進(jìn)措施 116
4.4 電容式傳感器的應(yīng)用 117
思考題與習(xí)題 118
第5章 電感式傳感器 120
5.1 概述 120
5.2 變磁阻式傳感器原理 121
5.2.1 工作原理及結(jié)構(gòu) 121
5.2.2 等效電路 122
5.2.3 輸出特性及誤差分析 124
5.2.4 影響傳感器精度的因素分析 126
5.3 差動(dòng)變壓器 127
5.3.1 工作原理 127
5.3.2 等效電路 128
5.3.3 基本特性 129
5.3.4 差動(dòng)變壓器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路 130
5.4 渦流式傳感器 133
5.4.1 高頻反射式渦流傳感器 133
5.4.2 低頻透射式渦流傳感器 134
5.5 電感式傳感器的應(yīng)用 135
思考題與習(xí)題 137
第6章 電荷類傳感器 138
6.1 概述 138
6.2 壓電式傳感器工作原理 139
6.2.1 壓電效應(yīng) 139
6.2.2 等效電路 142
6.3 信號(hào)調(diào)節(jié)電路 143
6.3.1 電壓放大器 143
6.3.2 電荷放大器 145
6.4 電荷類傳感器的應(yīng)用 148
思考題與習(xí)題 152
第7章 電勢類傳感器 153
7.1 概述 153
7.1.1 電勢式傳感器的特點(diǎn) 153
7.1.2 熱電式傳感器 154
7.2 熱電式傳感器原理 154
7.2.1 熱電偶原理 154
7.2.2 輸出特性及調(diào)節(jié)電路 159
7.2.3 熱電阻原理 166
7.3 光電式傳感器原理 168
7.3.1 光的基本特性 168
7.3.2 光電效應(yīng) 169
7.3.3 輸出特性及調(diào)節(jié)電路 181
7.4 電勢類傳感器的應(yīng)用 183
思考題與習(xí)題 185
第8章 場與輻射傳感器 186
8.1 概述 186
8.2 磁敏傳感器 186
8.2.1 霍爾效應(yīng) 187
8.2.2 影響霍爾效應(yīng)的因素 188
8.2.3 霍爾元器件的外形、特點(diǎn)及
補(bǔ)償方法 189
8.2.4 其他磁敏傳感器 194
8.3 聲敏傳感器 197
8.3.1 聲敏傳感器的原理和應(yīng)用 197
8.3.2 水聲傳感器 200
8.3.3 超聲波傳感器 202
8.3.4 聲表面波傳感器 203
8.4 輻射類傳感器 204
8.4.1 輻射類傳感器的原理 204
8.4.2 可見光傳感器 204
8.4.3 紅外傳感器 205
思考題與習(xí)題 206
第9章 新型傳感器 207
9.1 化學(xué)傳感器 207
9.1.1 化學(xué)傳感器的特點(diǎn) 208
9.1.2 構(gòu)成與分類 208
9.1.3 化學(xué)傳感器的原理 208
9.2 生物傳感器 210
9.2.1 生物傳感器的定義 210
9.2.2 生物傳感器的原理、結(jié)構(gòu)與分類 210
9.2.3 生物傳感器的參數(shù)和特點(diǎn) 213
9.2.4 生物傳感器的應(yīng)用 214
9.3 納米傳感器 217
9.3.1 納米傳感器的原理與特點(diǎn) 217
9.3.2 納米材料 218
9.3.3 納米傳感器的應(yīng)用 222
思考題與習(xí)題 225
第10章 傳感器系統(tǒng)與智能傳感器 226
10.1 概述 226
10.1.1 智能傳感器的定義與特點(diǎn) 226
10.1.2 智能傳感器的應(yīng)用和發(fā)展 227
10.2 智能傳感器的構(gòu)成 229
10.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn) 230
10.3.1 智能傳感器的標(biāo)準(zhǔn) 231
10.3.2 信號(hào)調(diào)節(jié)與放大的數(shù)字補(bǔ)償 233
10.3.3 智能傳感器的軟件 236
10.4 復(fù)合傳感器（電子鼻子） 236
10.4.1 化學(xué)傳感器 237
10.4.2 質(zhì)譜和離子流譜分析 237
10.4.3 套色板（氣象色譜） 238
10.4.4 紅外譜和THz譜分析 239
10.5 傳感器陣列 240
10.5.1 陣列式智能傳感器的定義 240
10.5.2 陣列式智能傳感器的結(jié)構(gòu) 241
思考題與習(xí)題 241
第11章 無線傳感器 242
11.1 概述 242
11.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與發(fā)展 243
11.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 245
11.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn) 247
11.2.1 節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成及特點(diǎn) 247
11.2.2 節(jié)點(diǎn)的基本參數(shù) 248
11.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與協(xié)議 251
11.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與
自組織特性 251
11.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?253
11.3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議 257
11.3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議 259
11.3.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量問題 260
11.3.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題 262
11.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與展望 263
思考題與習(xí)題 265
第12章 常用傳感器的分類與特點(diǎn) 266
12.1 概述 266
12.2 溫度傳感器 266
12.3 濕度傳感器 270
12.4 壓力傳感器 271
12.5 加速度與振動(dòng)傳感器 272
12.6 流量傳感器 273
12.7 位置傳感器 274
附錄 常用術(shù)語和專業(yè)詞匯表 276
參考文獻(xiàn) 279

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4. 高等教育多維評(píng)價(jià)體系構(gòu)建與高質(zhì)量發(fā)展研究 [張妍 著]
5. 系統(tǒng)規(guī)劃與管理師章節(jié)習(xí)題與考點(diǎn)特訓(xùn)（第二版） [主編 薛大龍]
6. 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)踐指導(dǎo)（openEuler版） [主編 秦光 曾陳萍 岳付強(qiáng)]
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8. 航海類院校體育教育教學(xué)研究 [張利超 李寧 著]
9. 新時(shí)代背景下我國職業(yè)教育產(chǎn)教融合長效機(jī)制建設(shè)研究 [王玉賢 著]
10. 電路分析 [主編 李飛 毛先柏]
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12. 傳統(tǒng)山水畫論解讀與實(shí)踐 [陳鈉 著]
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18. 倉儲(chǔ)管理實(shí)務(wù)（第二版） [周寧武 編著]
19. 基于AE與C#的地理信息系統(tǒng)二次開發(fā) [李小根 賈艷昌 喬翠平 姜彤 ]
20. 2023年長沙市文化和旅游業(yè)發(fā)展報(bào)告 [主編 陳莉]
21. 舞臺(tái)化妝造型設(shè)計(jì) [主編 劉思彤 張 濤 張憶雨]
22. 產(chǎn)教融合視角高校體育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建研究 [楊柳青 葉華兵 著]
23. 知識(shí)圖譜及應(yīng)用案例 [張善文 黃文準(zhǔn) 于長青 陳明淑]
24. Python程序設(shè)計(jì)案例教程（微課版） [主編　石利平　田輝平　余以勝]
25. 皓月繁星：青少年兒童心理成長手冊(cè) [主　編　林贊歌 副主編　杜志南]
26. 材料力學(xué) [章寶華 趙新勝 徐斌]
27. 系統(tǒng)集成項(xiàng)目管理工程師考試32小時(shí)通關(guān)（第3版） [主編　薛大龍 副主編　上官緒陽]
28. 軟考論文高分特訓(xùn)與范文10篇——系統(tǒng)分析師（第二版） [薛大龍 鄒月平 施游]
29. 黃河海勃灣水利樞紐防凌安全運(yùn)行 [王戰(zhàn)領(lǐng) 王叢發(fā) 范瑜彬 著]
30. 大學(xué)生心理健康教育 [方雄 著]