传感器原理及应用（第2版）

　　本教材对常用传感器原理及其数据采集和信号处理进行阐述，且注重对传感器应用和工程实践能力的培养。本书共12章，主要内容包括：传感器的概念、分类、基本特性、标定和技术现状，传感器的功能材料及加工工艺，温敏传感器，力敏传感器，磁敏传感器，光敏传感器，声敏传感器，湿敏传感器，生物传感器，传感器的信号处理和智能化，以及无线传感器网络等。本书提供配套电子课件。

　　003年，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室学习，获工学博士学位；2006年在清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室博士后出站；2006年至今在电子科技大学自动化工程学院任教。主要从事传感器技术及机械电子工程方面的研究。

目 录

第1章 绪论1
1.1 传感器的概念1
1.1.1 传感器的基本组成1
1.1.2 传感器的定义2
1.2 传感器的分类2
1.3 传感器的基本特性3
1.3.1 传感器的静态特性4
1.3.2 传感器的动态特性相关的数学
模型11
1.3.3 传感器的动态特性描述15
1.4 传感器的标定20
1.4.1 传感器的静态特性标定21
1.4.2 传感器的动态标定21
1.5 传感器技术发展方向23
习题25
第2章 传感器的功能材料及加工工艺27
2.1 传感器使用的材料27
2.1.1 导体、半导体和电介质28
2.1.2 有机高分子敏感材料30
2.1.3 磁性材料30
2.2 传感器的加工工艺31
2.2.1 结构型传感器的加工工艺31
2.2.2 微机械加工工艺32
习题40
第3章 温敏传感器41
3.1 热学相关基本概念41
3.1.1 温标41
3.1.2 热力学相关概念41
3.1.3 温敏传感器的分类42
3.2 热电偶传感器42
3.2.1 热电效应42
3.2.2 热电偶基本定律44
3.2.3 热电偶的结构45
3.2.4 热电偶冷端温度误差及其补偿46
3.2.5 热电偶实用测量电路49
3.2.6 热电偶传感器应用实例50
3.3 电阻型温度传感器52
3.3.1 热电阻52
3.3.2 热敏电阻55
3.3.3 陶瓷半导体热敏电阻57
3.3.4 半导体热电阻温度传感器61
3.3.5 热敏电阻温度传感器的典型
应用63
3.4 半导体PN结型温度传感器64
3.4.1 温敏二极管64
3.4.2 温敏晶闸管（可控硅）66
3.4.3 温敏三极管68
3.4.4 半导体PN结型温度传感器典型
应用70
习题71
第4章 力敏传感器73
4.1 应变式电阻传感器73
4.1.1 电阻应变片的种类73
4.1.2 金属电阻应变片73
4.1.3 半导体应变片78
4.1.4 电阻应变片的测量电路79
4.1.5 电阻应变式传感器应用83
4.2 压电式力传感器88
4.2.1 压电效应和压电材料88
4.2.2 压电传感器的等效电路与测量
线路91
4.2.3 压电式传感器的应用举例95
4.2.4 压电式传感器的主要性能及其
影响因素97
4.3 电容力传感器99
4.3.1 电容式传感器特点99
4.3.2 电容式压力传感器100
4.4 电感式压力传感器102
4.5 谐振式压力传感器104
4.5.1 工作原理和特性104
4.5.2 谐振式压力传感器的特性104
4.5.3 谐振式压力传感器的类型106
4.6 光纤力学传感器108
4.7 其他新型传感器110
习题112
第5章 磁敏传感器113
5.1 概述113
5.2 霍尔元件114
5.2.1 霍尔效应115
5.2.2 影响霍尔效应的因素116
5.2.3 霍尔元件基本结构117
5.2.4 霍尔元件的基本特性117
5.2.5 霍尔元件的电磁特性118
5.2.6 霍尔元件不等位电势补偿120
5.2.7 霍尔元件温度补偿120
5.2.8 霍尔式传感器的应用123
5.3 半导体磁阻器件124
5.3.1 磁阻效应124
5.3.2 磁阻元件126
5.3.3 磁敏电阻的应用127
5.4 结型磁敏器件128
5.4.1 磁敏二极管128
5.4.2 磁敏三极管132
5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件136
5.5.1 铁磁体中的磁阻效应136
5.5.2 铁磁薄膜磁敏电阻的结构与
工作原理136
5.5.3 铁磁薄膜磁敏电阻的技术性能
及特点136
5.6 压磁式传感器137
5.6.1 压磁式传感器的基本原理137
5.6.2 压磁式传感器的主要特性138
5.6.3 压磁式传感器的应用举例139
5.7 新型磁敏传感器139
5.7.1 MOS磁敏器件139
5.7.2 高分辨率磁性旋转编码器140
5.7.3 涡流传感器141
5.7.4 韦根德磁敏器件141
5.7.5 磁通门传感器142
习题143
第6章 光敏传感器144
6.1 概述144
6.1.1 光谱144
6.1.2 光学传感器的相关计量单位145
6.1.3 光源146
6.2 光电效应传感器148
6.2.1 外光电效应及器件148
6.2.2 内光电效应（光电导）及器件153
6.3 光生伏特效应器件157
6.3.1 光生伏特效应157
6.3.2 光电池158
6.4 光敏二极管159
6.4.1 结构原理159
6.4.2 光电二极管应用实例161
6.5 光敏晶体管162
6.5.1 光敏晶体管和光敏二极管基本
特性163
6.5.2 光敏三极管应用实例164
6.6 色敏光电传感器165
6.6.1 双结型色彩传感器165
6.6.2 非晶态集成色彩传感器165
6.6.3 应用实例166
6.7 光电耦合器件167
6.7.1 光电耦合器167
6.7.2 光电开关167
6.8 红外热释电光敏器件168
6.8.1 红外热释电光敏效应168
6.8.2 热释电传感器的结构169
6.8.3 热释电红外传感器的应用170
6.9 固态图像传感器173
6.9.1 CCD图像传感器173
6.9.2 MOS固态图像传感器176
6.9.3 CCD与CMOS图像传感器的
性能比较178
6.10 光纤传感器179
6.10.1 概述179
6.10.2 光纤的结构和传输原理180
6.10.3 光纤传感器181
习题185
第7章 声敏传感器186
7.1 声波的基本性质186
7.1.1 声压及其描述186
7.1.2 声功率和声强187
7.1.3 声波的反射、折射、透射和
吸收188
7.2 声敏传感器190
7.2.1 电阻变换型声敏传感器190
7.2.2 压电声敏传感器191
7.2.3 电容式声敏传感器（静电型）191
7.2.4 音响传感器192
7.3 水声传感器194
7.3.1 水声传感器的性能指标194
7.3.2 水声传感器用郎之万型换能器196
7.3.3 海底地貌仪197
7.3.4 多普勒计程仪198
7.3.5 相关计程仪198
7.4 超声波传感器199
7.4.1 超声波及其物理性质199
7.4.2 超声波对超声场产生的作用
（效应）200
7.4.3 超声波传感器201
7.4.4 超声波传感器的应用201
7.5 声表面波传感器204
7.5.1 表面声波的类型205
7.5.2 SAW传感器的结构与工作
原理209
7.5.3 高分辨率SAW温度传感器210
7.5.4 SAW气敏传感器211
7.5.5 SAW压力传感器212
7.5.6 声板波传感器213
习题215
第8章 气敏传感器216
8.1 概述216
8.2 气敏传感器的主要参数与特性216
8.3 半导体气敏传感器218
8.3.1 电阻型半导体气敏元件218
8.3.2 半导体气敏二极管和MOSFET
气敏传感器228
8.4 固态电解质气敏传感器232
8.5 接触燃烧式气敏传感器234
8.5.1 检测原理与结构234
8.5.2 气敏特性235
8.6 新型气敏传感器236
8.6.1 红外吸收式传感器236
8.6.2 热导率变化式气敏传感器236
8.6.3 气敏半导体材料吸附机制及
器件236
8.6.4 气-磁传感器237
8.7 气敏传感器的应用238
8.7.1 家用煤气、液化石油气泄漏
报警器238
8.7.2 自动换气扇238
8.7.3 自动抽油烟机239
8.7.4 酒精检测报警器239
8.7.5 缺氧检测240
习题241
第9章 湿敏传感器242
9.1 湿度的基本概念242
9.1.1 相对湿度和绝对湿度242
9.1.2 露点242
9.2 湿度传感器的特性参数243
9.3 湿度传感器的分类246
9.4 陶瓷式湿度传感器246
9.4.1 陶瓷电阻式湿度传感器246
9.4.2 陶瓷电容式湿度传感器248
9.5 有机物及高分子聚合物湿度
传感器249
9.5.1 高分子电阻式湿度传感器249
9.5.2 高分子电容式湿度传感器251
9.6 半导体结型和MOS型湿度
传感器253
9.6.1 湿敏二极管254
9.6.2 湿敏MOS场效应管254
9.7 固体电解质界限电流式高温湿度
传感器255
9.7.1 固体电解质界限电流式湿度
传感器的结构与工作原理255
9.7.2 固体电解质界限电流式湿度
传感器的特性256
9.8 溶性电解质湿度传感器257
习题259
第10章 生物传感器260
10.1 生物传感器的基本概念260
10.2 生物传感器的特点261
10.3 生物反应基本知识261
10.3.1 酶反应261
10.3.2 微生物反应263
10.3.3 免疫学反应264
10.3.4 生物传感器膜技术和固定化
技术265
10.3.5 基本电极268
10.3.6 测量方式268
10.4 生物传感器的工作原理及类型269
10.4.1 酶传感器及其应用269
10.4.2 微生物传感器及其应用270
10.4.3 免疫传感器及其应用270
10.4.4 半导体生物传感器及其应用271
10.4.5 组织传感器271
10.4.6 细胞传感器273
10.4.7 基因芯片274
习题275
第11章 传感器的信号处理276
11.1 信号测量电路276
11.1.1 桥电路276
11.1.2 电阻测量285
11.1.3 电感测量286
11.1.4 电容测量及电容检测电路287
11.2 信号变换电路295
11.2.1 电压—电流变换296
11.2.2 电流—电压变换299
11.3 阻抗匹配/信号放大电路301
11.3.1 晶体管阻抗匹配器301
11.3.2 场效应管阻抗匹配器302
11.3.3 运算放大器阻抗匹配/信号
放大电路303
11.4 信号分离/滤波电路306
11.4.1 滤波器的基本知识306
11.4.2 按频带分类的滤波器308
11.4.3 按逼近方式分类的滤波器312
11.4.4 按电路组成滤波器312
习题314
第12章 传感器的智能化和网络化315
12.1 智能传感器315
12.1.1 智能传感器的结构315
12.1.2 智能传感器的功能315
12.2 智能传感器的网络化317
12.2.1 现场总线智能传感器317
12.2.2 基于TCP/IP协议的网络化
智能传感器320
12.3 无线传感器网络的概述321
12.3.1 无线传感器网络的基本概念321
12.3.2 无线传感器网络的特征322
12.3.3