现代传感器手册：原理、设计及应用（原书第5版）

     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。    

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

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最伟大的天才之一，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。最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最重要的要求。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）