现代传感器技术——面向物联网应用（第2版）

本书全面概括现代传感器的技术与应用，注重理论讲解和实践应用，尤其关注在物联网应用中的常见的传感器技术。

刘少强，男，博士，毕业于东南大学，现工作于中南大学信息科学与工程学院。长期从事传感器与检测技术、信号处理、无线传感器网络等方面的研究工作。

目 录
第1章 绪论 （1）
1.1 传感器的地位和作用 （1）
1.2 传感器的相关概念 （2）
1.2.1 测量和测量系统 （2）
1.2.2 传感器的定义 （3）
1.2.3 传感器的分类 （4）
1.3 传感器的一般构成 （7）
1.3.1 传感器的基本组成 （7）
1.3.2 传感器的信号调理与接口 （8）
1.4 传感器技术的特点与发展趋势 （11）
1.4.1 传感器技术的特点 （11）
1.4.2 传感器技术的发展趋势 （12）
1.5 物联网用传感器的特点和发展趋势 （13）
1.5.1 物联网用传感器的需求及技术特点 （13）
1.5.2 物联网用传感器的技术与应用发展趋势 （14）
思考题与习题 （14）
第2章 传感器的性能与评价 （16）
2.1 传感器的特性概述 （16）
2.1.1 机械特性 （16）
2.1.2 工作特性 （16）
2.2 传感器的误差 （17）
2.2.1 理想传感器与实用中的局限性 （17）
2.2.2 误差及其来源 （17）
2.3 传感器的静态特性 （19）
2.3.1 输出与输入的静态函数关系 （19）
2.3.2 线性度 （20）
2.3.3 灵敏度与测量范围 （21）
2.3.4 迟滞特性与重复性 （22）
2.3.5 分辨力与阈值 （23）
2.3.6 稳定性 （24）
2.3.7 综合误差 （24）
2.4 传感器的动态特性 （25）
2.4.1 动态特性分析方法 （25）
2.4.2 频率响应特性与动态品质的关系 （26）
2.4.3 时域响应特性与动态品质的关系 （28）
2.5 传感器的标定 （30）
2.6 传感器的合理选用 （32）
思考题与习题 （34）
第3章 电阻、电容和电感的传感原理与测量方法 （36）
3.1 概述 （36）
3.2 电阻传感器与电阻参数的测量 （37）
3.2.1 电阻传感器原理与电阻测量问题 （37）
3.2.2 测量电阻时需要考虑的问题和方法 （37）
3.3 电容传感器原理与电容参数的测量 （45）
3.3.1 电容传感器原理 （45）
3.3.2 电容传感器的构成 （47）
3.3.3 电容参数的测量 （48）
3.4 电感传感器原理与电感参数的测量 （57）
3.4.1 电感的传感原理 （57）
3.4.2 电感参数的测量 （61）
思考题与习题 （64）
第4章 传感器中常用的物理效应与器件 （65）
4.1 概述 （65）
4.2 弹性效应和弹性元件 （67）
4.2.1 弹性敏感元件的基本特性 （67）
4.2.2 弹性元件的材料性能及稳定性处理 （72）
4.3 电阻应变效应和压阻效应及器件 （73）
4.3.1 电阻应变原理和电阻应变片 （73）
4.3.2 应变片和应变式传感器的特点及应用 （75）
4.3.3 压阻效应 （76）
4.4 压电效应与器件 （82）
4.4.1 压电效应与材料 （82）
4.4.2 压电元件的等效电路和测量电路 （83）
4.4.3 压电式传感器的结构 （85）
4.5 光电效应与传感器件 （86）
4.5.1 光电效应 （86）
4.5.2 光电效应主要器件及基本特性 （88）
4.5.3 集成光电检测器件 （92）
4.5.4 光电传感器的构成与类型 （93）
4.5.5 红外传感原理与探测器特点 （95）
4.6 光纤传感原理与类型 （97）
4.6.1 光纤传感原理 （97）
4.6.2 光纤传感器的工作原理及组成 （101）
4.7 磁电效应和磁敏器件 （103）
4.7.1 磁电效应与器件结构 （103）
4.7.2 霍尔效应与半导体器件 （104）
4.7.3 磁电阻效应与元件 （108）
4.7.4 磁敏晶体管 （112）
4.7.5 磁敏器件的应用 （114）
4.8 磁致伸缩效应和压磁效应 （115）
4.8.1 磁致伸缩效应 （115）
4.8.2 压磁效应 （115）
4.9 热阻效应、热电效应和热释电效应 （116）
4.9.1 热阻效应与热敏器件 （116）
4.9.2 热电效应及器件 （117）
4.9.3 热释电效应及器件 （118）
4.10 与声波有关的效应与器件 （120）
4.10.1 超声波检测的原理和超声波换能器 （120）
4.10.2 声表面波原理与器件 （122）
思考题与习题 （125）
第5章 机械量传感器 （127）
5.1 线位移传感器 （127）
5.1.1 磁阻式线位移传感器 （128）
5.1.2 光纤小位移传感器 （129）
5.1.3 光电式线位移传感器 （132）
5.2 物位传感器 （133）
5.2.1 超声波物位传感器 （133）
5.2.2 电容式物位传感器 （134）
5.2.3 磁致伸缩物位传感器 （135）
5.3 数字式位移传感器 （136）
5.3.1 编码器式角位移传感器 （136）
5.3.2 增量编码器 （140）
5.3.3 光栅精密线位移传感器 （142）
5.4 速度传感器 （144）
5.4.1 光电式速度传感器 （144）
5.4.2 磁电式速度传感器 （146）
5.4.3 多普勒效应测速 （147）
5.5 转速传感器 （149）
5.5.1 光电式转速传感器 （149）
5.5.2 磁电感应式转速传感器 （150）
5.5.3 霍尔式转速传感器 （151）
5.6 加速度传感器 （151）
5.6.1 压电式加速度传感器 （152）
5.6.2 电容式加速度传感器 （154）
5.6.3 压阻式加速度传感器 （154）
5.7 力传感器 （155）
5.7.1 应变式力与称重传感器 （155）
5.7.2 压电式力传感器 （159）
5.7.3 膜片压力传感器 （160）
5.7.4 压电式压力传感器 （163）
5.7.5 光纤压力传感器 （165）
5.7.6 扭矩传感器 （167）
5.7.6 光栅扭矩传感器 （168）
5.7.7 磁弹性扭矩传感器 （169）
5.8 流量传感器 （171）
5.8.1 差压式流量传感器 （172）
5.8.2 涡轮式流量传感器 （173）
5.8.3 电磁式流量传感器 （174）
5.8.4 漩涡式流量传感器 （175）
5.8.5 超声波流量传感器 （176）
思考题与习题 （177）
第6章 热学量传感器 （179）
6.1 概述 （179）
6.1.1 温度测量的特点 （179）
6.1.2 测温方法与传感器的分类 （180）
6.2 金属热电阻温度传感器及测温电桥 （180）
6.3 半导体温度传感器 （183）
6.3.1 热敏电阻 （183）
6.3.2 PN结温度传感器 （184）
6.3.3 正比于热力学温度核心电路 （185）
6.4 热电偶 （189）
6.4.1 热电偶的构成要求与类型 （189）
6.4.2 热电偶测温所需的工作条件 （190）
6.5 光纤温度传感器 （194）
6.5.1 半导体谱带吸收式光纤温度传感器 （194）
6.5.2 折射式光纤温度传感器 （195）
思考题与习题 （197）
第7章 其他物理量传感器 （199）
7.1 光学量传感器 （199）
7.1.1 照度传感器 （199）
7.1.2 亮度传感器 （199）
7.1.3 红外和紫外光传感器 （200）
7.2 视觉传感器件 （202）
7.2.1 CCD图像传感器件 （202）
7.2.2 COMS图像传感器件 （209）
7.3 电流和电压传感器 （214）
7.3.1 霍尔电流传感器 （214）
7.3.2 磁平衡式霍尔电压传感器 （215）
7.3.3 光纤电压传感器 （217）
7.3.4 光纤电流传感器 （219）
思考题与习题 （220）
第8章 化学传感器 （221）
8.1 化学传感器概述 （221）
8.2 气体传感器 （222）
8.2.1 气体传感器概况 （222）
8.2.2 半导体式气体传感器 （224）
8.2.3 电化学式气体传感器 （226）
8.2.4 热化学气体传感器 （228）
8.2.5 其他气体传感器 （229）
8.3 湿度传感器 （230）
8.3.1 概述 （230）
8.3.2 半导体湿敏电阻元件 （231）
8.3.3 电容式湿敏元件 （235）
8.3.4 露点式湿度传感器 （235）
8.4 离子传感器 （236）
8.4.1 离子选择电极离子传感器 （236）
8.4.2 场效应管离子传感器 （238）
思考题与习题 （239）
第9章 集成传感器和微传感器 （241）
9.1 传感器的集成化 （241）
9.1.1 传感器集成化概述 （241）
9.1.2 典型集成传感器 （243）
9.1.3 集成磁阻传感器 （246）
9.2 机械量微传感器 （250）
9.2.1 微机械加工技术与机械量微传感器概述 （250）
9.2.2 典型微机械压力传感器 （251）
9.2.3 加速度微传感器 （255）
9.2.4 微机械陀螺 （263）
9.2.5 微型磁通门磁强计 （265）
9.3 热和红外辐射量微传感器 （267）
9.3.1 声表面波温度传感器 （267）
9.3.2 红外热敏微传感器 （269）
9.3.3 基于MEMS技术的气体微传感器 （270）
思考题与习题 （274）
第10章 智能传感器技术与网络化及接口标准 （276）
10.1 智能传感器概述 （276）
10.1.1 智能传感器的定义与结构 （276）
10.1.2 智能传感器的功能与性能特点 （277）
10.1.3 传感器智能化的途径 （278）
10.2 基本传感器的选用原则 （278）
10.3 智能化的主要实现方法和技术 （279）
10.3.1 非线性自校正 （280）
10.3.2 温度误差补偿 （282）
10.3.3 自校准和自适应增益及量程调整 （286）
10.4 网络化智能传感器及接口标准 （289）
10.4.1 网络化智能传感器 （289）
10.4.2 智能传感器接口标准—IEEE 1451 （292）
思考题与习题 （300）
第11章 低功耗的传感器电路设计和数据获取及处理方法 （301）
11.1 信号调理电路及低功耗设计原则 （301）
11.1.1 信号调理及低功耗的意义 （301）
11.1.2 常用信号调理电路功能类型 （303）
11.1.3 调理电路低功耗设计原则 （304）
11.2 典型信号调理集成器件及应用 （306）
11.2.1 专用集成调理器件 （307）
11.2.2 多功能集成调理器件 （311）
11.3 低功耗电源管理技术 （325）
11.3.1 动态电源管理设计 （327）
11.3.2 电源调整和按负载多方式分时供电 （329）
11.4 低功耗的数据获取方式—准数字传感器的数据 转换与测量 （332）
11.4.1 频率式传感器的常见实现技术 （333）
11.4.2 准数字传感器的参数转换 （336）
11.4.3 时间调制信号的测量法 （337）
11.5 面向资源有限传感器节点的数字滤波与数据压缩方法 （343）
11.5

传感器技术是信息技术的三大支柱之一。随着计算机、微电子、材料和通信等关键基础技术，以及应用技术的快速发展，尤其是近几年来自消费电子和生物工程、医疗保健等应用领域不断涌现的需求驱动，传感器技术进入了加速发展阶段，并且成为当今多种电子类产品技术革新的主动力，传感器的应用也从工业领域扩展到人们的日常生活中。因此，传感器技术也成为电子、电气信息类专业及机电、生医工程等相关专业的核心或主要课程。
传感器技术涉及众多学科和技术门类，其知识内容与应用分布很广，因而传感器课程涉及较多其他课程的知识内容，其工程性和应用性较强。开设传感器技术课程是出于相同的目的，但不同专业的知识基础与结构不同，对学习与应用传感器的要求及其层次各不相同。因此，按专业需要选择合适的课程内容和制定相应的学习目标与要求，可解决或缓解该课程内涵丰富与学时有限之间的矛盾，也有助于在有限学时内实现教学目标、提高教学质量。与此相应，传感器技术课程教学需要符合不同专业学习目标与层次要求的不同教材。
物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术的提升，它是各种感知技术的广泛应用，通过部署多种类型传感器，捕获不同内容和格式的实时信息。“物联天下，传感先行”，传感器是物联网感知世界的首要环节。相应地，传感器技术课程就成为物联网专业必需的核心课程。物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身还具有智能处理的能力，能将传感器和智能处理相结合，从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。在传感器的用量、成本、功耗和可靠性等方面，物联网有其不同于传统应用领域的要求，这使其所用传感器与其他领域的传感器既相同又有别，也给传感器技术提供了新的发展动力。
物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，其重要基础和核心仍旧是互联网，需通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。因此，物联网专业有许多的网络、通信和信息处理课程需要学习。该专业对传感器技术课程内容的学习深度要求应低于测控专业，但对内容广度的要求却不亚于测控专业而应高于自动化等专业。目前，有关传感器技术的教材较多，但大多面向测控、自动化、电子信息等专业，符合物联网专业学习目标要求、适应该专业知识结构特点的教材还很少见。因此，有必要编写主要针对物联网专业特点与教学目标要求的传感器技术教材。
基于上述原因，在电子工业出版社和中南大学信息科学与工程学院的支持下，我们以面向物联网工程专业本科教学为目标，根据传感器技术的特点尤其是物联网用传感器的特点与发展趋势，结合作者在测控、自动化、电气、物联网等信息类本科专业的传感器与检测技术课程教学的实践经验和相关科研成果，尤其是近两年的物联网专业传感器技术课程教学的实践经验与本书第1版的教学使用情况修编了本书的第2版。考虑到以正确选择与应用传感器为主要学习目标的物联网工程专业本科生所具有的知识基础，根据其学习传感器知识的深度与广度需求，本书对传感器技术基础内容的介绍采用了先按转换原理分类介绍传感器原理、后按参量分类介绍具体传感器的混合编排方式，以便于学习基本原理，同时有利于了解、掌握各种传感器的不同特点与应用方式。在全书的内容组织方面，遵循了从基本原理出发、侧重不同传感器的应用方法及比较、分模块结构布局和兼顾经典与现代内容的原则。其中将第1版中的第3章拆分成了两章，即本版的第3章（电阻、电容和电感的传感原理与测量方法）和第4章（传感器中常用的物理效应与器件），目的是为了突出作为基础内容的基本电参量的传感技术与测量方法对整个传感器技术学习与教学的重要性。
本书由四个部分构成。部分由第1～4章组成，为传感器技术的基础内容，除了对传感器与测量系统的概述外，主要介绍了传感器性能指标与评价，基本电参量——电阻、电容和电感的传感原理与测量方法及电路，传感器中常用的物理效应与器件。第二部分由第5～8章组成，按实用中的测量参量类别，分章介绍了常见物理量传感器和化学及生物量传感器的构成原理、特点及应用。其中对物理量传感器按机械量、热学量和以光学量与电学量为主的其他量进行分章介绍。第三部分由第9～11章组成，介绍了发展中的现代传感器技术，内容包括应用广泛的集成与微传感器、智能传感器技术与网络化接口标准、实现传感器低功耗的关键技术。第四部分即第12章，针对物联网应用的内容，主要介绍了典型应用中的传感器概况和典型传感器节点的解决方案示例。
本书适用于32～48学时的本科教学，对本书的具体使用，如下方式可供参考：有关传感器的技术基础与基本原理内容的教学，可以以部分为主、结合第二部分的内容选择性地介绍具体参量传感器及应用特点；对于进一步的学习和针对物联网应用的传感器教学，则以第三部分的内容为主，结合第四部分的相应实例内容进行讲解。
为方便读者学习本书介绍的内容，按章编写了思考题与习题。
本书除了供物联网工程专业学生学习外，也可供相关专业学生以及其他从事传感器应用的工程技术人员学习参考。
本书由中南大学刘少强和东南大学张靖编写，其中参考、引用了多位专家、学者的著作、论文，在此一并表示感谢。同时还要感谢樊晓平、施荣华、年晓红、凌玉华和黄东军等教授对编写本书所给予的支持或帮助，感谢陈文见、陈翔、尹超等硕士生的协助。后要特别感谢本书的策划编辑田宏峰先生给予编者的理解和支持。
传感器的内容非常多，考虑到物联网工程以及其他相关专业的学生具备的基础知识结构不同、学习的要求不同，同时也为了控制篇幅，本书略去了一些实际常用的传感器内容和有关敏感材料的详细介绍，因而可能造成内容选择上的缺失或偏差。由于编者水平有限，书中错误和不足之处在所难免，敬请读者批评指正。
编  者   
2016年8月