本書是依托中南大學國家級特色專業（物聯網工程）的建設，結合國內物聯網工程專業的教學情況編寫的。本書系統、全面地介紹了面向物聯網應用的現代傳感器技術，主要內容涵蓋傳感器的性能與評價，傳感器的基本原理、效應與器件，機械量傳感器，熱學量傳感器，其他物理量傳感器，化學和生物傳感器，集成傳感器和微傳感器，智能傳感器技術與網絡化及接口標準，低功耗的傳感器電路設計和數據獲取及處理方法，物聯網典型應用中的傳感器和典型節點方案等。
博士，中南大學信息科與工程學院福建省，長期從事傳感器與檢測技術、信號處理、無線傳感器網絡等方面的工作。曾獲得1997年度湖南大學優秀教學質量獎、2002年度中國儀器儀表學會獎學金二等獎。
第1章 緒論
1.1 傳感器的地位和作用
1.2 傳感器的相關概念
1.2.1 測量和測量系統
1.2.2 傳感器的定義
1.2.3 傳感器的分類
1.3 傳感器的一般構成
1.3.1 傳感器的基本組成
1.3.2 傳感器的信號調理與接口
1.4 傳感器技術的特點與發展趨勢
1.4.1 傳感器技術的特點
1.4.2 傳感器技術的發展趨勢
1.5 物聯網用傳感器的特點和發展趨勢
1.5.1 物聯網用傳感器的需求及技術特點
1.5.2 物聯網用傳感器的技術與應用發展趨勢 第1章 緒論
1.1 傳感器的地位和作用
1.2 傳感器的相關概念
1.2.1 測量和測量系統
1.2.2 傳感器的定義
1.2.3 傳感器的分類
1.3 傳感器的一般構成
1.3.1 傳感器的基本組成
1.3.2 傳感器的信號調理與接口
1.4 傳感器技術的特點與發展趨勢
1.4.1 傳感器技術的特點
1.4.2 傳感器技術的發展趨勢
1.5 物聯網用傳感器的特點和發展趨勢
1.5.1 物聯網用傳感器的需求及技術特點
1.5.2 物聯網用傳感器的技術與應用發展趨勢
思考題與習題
第2章 傳感器的性能與評價
2.1 傳感器的特性概述
2.1.1 與測量系統的匹配
2.1.2 機械特性
2.1.3 工作特性
2.2 傳感器的誤差
2.2.1 理想傳感器與實用中的局限性
2.2.2 誤差及其來源
2.3 傳感器的靜態特性
2.3.1 輸入輸出靜態函數關系
2.3.2 線性度
2.3.3 靈敏度與測量范圍
2.3.4 遲滯特性與重復性
2.3.5 分辨力與閾值
2.3.6 穩定性
2.3.7 綜合誤差
2.4 傳感器的動態特性
2.4.1 動態特性分析方法
2.4.2 頻率響應特性與動態品質的關系
2.4.3 時域響應特性與動態品質的關系
2.5 傳感器的標定
2.6 傳感器的合理選用
思考題與習題
第3章 傳感器的基本原理、效應與器件
3.1 概述
3.2 基本電參量——電阻、電容、電感傳感原理與測量
3.2.1 電阻傳感器與電阻參數的測量
3.2.2 電容傳感器原理與電容參數的測量
3.2.3 電感傳感器原理與電感參數的測量
3.3 彈性效應和彈性元件
3.3.1 彈性敏感元件的基本特性
3.3.2 彈性敏感元件的材料
3.4 電阻應變效應和壓阻效應及器件
3.4.1 電阻應變原理和電阻應變片
3.4.2 應變片和應變式傳感器的特點及應用
3.4.3 壓阻效應
3.5 壓電效應與器件
3.5.1 壓電效應與材料
3.5.2 壓電元件的等效電路和測量電路
3.5.3 壓電式傳感器的結構
3.6 光電效應與傳感器件
3.6.1 光電效應
3.6.2 光電效應主要器件及基本特性
3.6.3 集成光電檢測器件
3.6.4 光電傳感器的構成與類型
3.6.5 紅外傳感原理與探測器特點
3.7 光纖傳感原理與類型
3.7.1 光纖傳感原理
3.7.2 光纖傳感器的工作原理及組成
3.8 磁電效應和磁敏器件
3.8.1 磁電效應與器件結構
3.8.2 霍爾效應與半導體器件
3.8.3 磁電阻效應與元件
3.8.4 磁敏晶體管
3.8.5 磁敏器件的應用
3.9 磁致伸縮效應和壓磁效應
3.9.1 磁致伸縮效應
3.9.2 壓磁效應
3.10 熱阻效應、熱電效應和熱釋電效應
3.10.1 熱阻效應與熱敏器件
3.10.2 熱電效應及器件
3.10.3 熱釋電效應及器件
3.11 與聲波有關的效應與器件
3.11.1 超聲波檢測的原理和超聲波換能器
3.11.2 聲表面波原理與器件
3.12 核輻射傳感原理
3.12.1 核輻射檢測的物理基礎
3.12.2 典型核輻射傳感器
思考題與習題
第4章 機械量傳感器
4.1 線位移傳感器
4.1.1 磁阻式線位移傳感器
4.1.2 光纖小位移傳感器
4.1.3 光電式線位移傳感器
4.2 物位傳感器
4.2.1 超聲波物位傳感器
4.2.2 電容式物位傳感器
4.2.3 磁致伸縮物位傳感器
4.2.4 核輻射物位計
4.3 數字式位移傳感器
4.3.1 絕對編碼器式角位移傳感器
4.3.2 增量編碼器
4.3.3 光柵精密線位移傳感器
4.4 速度傳感器
4.4.1 光電式速度傳感器
4.4.2 磁電式速度傳感器
4.4.3 多普勒效應測速
4.5 轉速傳感器
4.5.1 光電式轉速傳感器
4.5.2 磁電感應式轉速傳感器
4.5.3 霍爾式轉速傳感器
4.6 加速度傳感器
4.6.1 壓電式加速度傳感器
4.6.2 電容式加速度傳感器
4.6.3 電阻應變式、壓阻式加速度傳感器
4.7 力傳感器
4.7.1 應變式力與稱重傳感器
4.7.2 壓電式力傳感器
4.8 壓力傳感器
4.8.1 膜片壓力傳感器
4.8.2 壓電式壓力傳感器
4.8.3 光纖壓力傳感器
4.9 扭矩傳感器
4.9.1 光柵扭矩傳感器
4.9.2 磁彈性扭矩傳感器
4.10 流量傳感器
4.10.1 差壓式流量傳感器
4.10.2 渦輪式流量傳感器
4.10.3 電磁式流量傳感器
4.10.4 漩渦式流量傳感器
4.10.5 超聲波流量傳感器
思考題與習題
第5章 熱學量傳感器
5.1 概述
5.1.1 溫標
5.1.2 溫度測量的特點
5.1.3 測溫方法與傳感器的分類
5.2 基于晶體管參數的溫度傳感器
5.2.1 PN結溫度傳感器
5.2.2 正比于熱力學溫度核心電路
5.3 熱電阻溫度傳感器
5.3.1 金屬熱電阻
5.3.2 半導體熱敏電阻
5.3.3 測溫電橋
5.4 熱電偶
5.4.1 熱電偶的構成要求與類型
5.4.2 熱電偶測溫所需的工作條件
5.5 光纖溫度傳感器
5.5.1 半導體譜帶吸收式光纖溫度傳感器
5.5.2 折射式光纖溫度傳感器
思考題與習題
第6章 其他物理量傳感器
6.1 光學量傳感器
6.1.1 照度傳感器
6.1.2 亮度傳感器
6.1.3 色度傳感器
6.1.4 紅外和紫外光傳感器
6.2 視覺傳感器件
6.2.1 CCD圖像傳感器件
6.2.2 COMS圖像傳感器件
6.3 電流和電壓傳感器
6.3.1 霍爾電流傳感器
6.3.2 磁平衡式霍爾電壓傳感器
6.3.3 光纖電壓傳感器
6.3.4 光纖電流傳感器
6.3.5 光纖電場強度傳感器
6.4 聲傳感器
6.4.1 電容式傳聲器
6.4.2 駐極體傳聲器
思考題與習題
第7章 化學和生物傳感器
7.1 化學傳感器概述
7.2 氣體傳感器
7.2.1 氣體傳感器概況
7.2.2 半導體式氣體傳感器
7.2.3 電化學式氣體傳感器
7.2.4 熱化學氣體傳感器
7.2.5 其他氣體傳感器
7.3 濕度傳感器
7.3.1 概述
7.3.2 半導體濕敏電阻元件
7.3.3 電容式濕敏元件
7.3.4 露點式濕度傳感器
7.4 離子傳感器
7.4.1 離子選擇電極離子傳感器
7.4.2 場效應管離子傳感器
7.5 生物傳感器
7.5.1 生物傳感器概述
7.5.2 酶傳感器
7.5.3 酶傳感器的應用
7.5.4 免疫傳感器
思考題與習題
第8章 集成傳感器和微傳感器
8.1 傳感器的集成化
8.1.1 傳感器集成化與集成途徑及特點
8.1.2 典型集成傳感器
8.2 機械量微傳感器
8.2.1 微機械加工技術與機械量微傳感器概述
8.2.2 典型微機械壓力傳感器
8.2.3 加速度微傳感器
8.2.4 微機械陀螺
8.2.5 微傳聲器
8.3 磁微傳感器
8.3.1 AMR磁阻傳感器
8.3.2 GMR磁阻傳感器
8.3.3 微型磁通門磁強計
8.4 熱和紅外輻射量微傳感器
8.4.1 聲表面波溫度傳感器
8.4.2 紅外熱敏微傳感器
8.5 化學量和生物量微傳感器
8.5.1 離子選擇微電極
8.5.2 基于MEMS技術的氣體微傳感器
8.5.3 微懸臂梁式生物傳感器
8.5.4 基于生物微電子機械系統的細胞傳感器
思考題與習題
第9章 智能傳感器技術與網絡化及接口標準
9.1 智能傳感器概述
9.1.1 智能傳感器
傳感器技術是信息技術的三大支柱之一。隨著計算機、微電子、材料和通信等關鍵基礎技術，以及應用技術的快速發展，尤其是近幾年來自消費電子和生物工程、醫療保健等應用領域不斷涌現的需求驅動，傳感器技術進入了加速發展階段，并且成為當今多種電子類產品技術革新的主動力，傳感器的應用也從工業領域擴展到人們的日常生活中。因此，傳感器技術也成為電子、電氣信息類專業及機電、生醫工程等相關專業的核心或主要課程。
傳感器技術涉及眾多學科和技術門類，其知識內容與應用分布很廣，因而傳感器課程涉及較多其他課程的知識內容，其工程性和應用性較強。開設傳感器技術課程是出于相同的目的，但不同專業的知識基礎與結構不同，對學習與應用傳感器的要求及其層次各不相同。因此，按專業需要選擇合適的課程內容和制定相應的學習目標與要求，可解決或緩解該課程內涵豐富與學時有限之間的矛盾，也有助于在有限學時內實現教學目標、提高教學質量。與此相應，傳感器技術課程教學需要符合不同專業學習目標與層次要求的不同教材。
物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術的提升，它是各種感知技術的廣泛應用，通過部署多種類型傳感器，捕獲不同內容和格式的實時信息。“物聯天下，傳感先行”，傳感器是物聯網感知世界的首要環節。相應地，傳感器技術課程就成為物聯網專業必需的核心課程。物聯網不僅僅提供了傳感器的連接，其本身還具有智能處理的能力，能將傳感器和智能處理相結合，從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數據，以適應不同用戶的不同需求，發現新的應用領域和應用模式。在傳感器的用量、成本、功耗和可靠性等方面，物聯網有其不同于傳統應用領域的要求，這使其所用傳感器與其他領域的傳感器既相同又有別，也給傳感器技術提供了新的發展動力。
物聯網是一種建立在互聯網上的泛在網絡，其重要基礎和核心仍舊是互聯網，需通過各種有線和無線網絡與互聯網融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。因此，物聯網專業有許多的網絡、通信和信息處理課程需要學習。該專業對傳感器技術課程內容的學習深度要求應低于測控專業，但對內容廣度的要求卻不亞于測控專業而應高于自動化等專業。目前，有關傳感器技術的教材較多，但大多面向測控、自動化、電子信息等專業，符合物聯網專業學習目標要求、適應該專業知識結構特點的教材還很少見。因此，有必要編寫主要針對物聯網專業特點與教學目標要求的傳感器技術教材。
基于上述原因，在電子工業出版社和中南大學信息科學與工程學院的支持下，我們以面向物聯網工程專業本科教學為目標，根據傳感器技術的特點尤其是物聯網用傳感器的特點與發展趨勢，結合作者在測控、自動化、電氣、物聯網等信息類本科專業的傳感器與檢測技術課程教學的實踐經驗和相關科研成果，編寫了本書。考慮到以正確選擇與應用傳感器為主要學習目標的物聯網工程專業本科生所具有的知識基礎，根據其學習傳感器知識的深度與廣度需求，本書對傳感器技術基礎內容的介紹采用了先按轉換原理分類介紹傳感器原理、后按參量分類介紹具體傳感器的混合編排方式，以便于學習基本原理，同時有利于了解、掌握各種傳感器的不同特點與應用方式。在全書的內容組織方面，遵循了從基本原理出發、側重不同傳感器的應用及比較、分模塊結構布局和兼顧經典與現代內容的原則。
本書由四個部分構成。第一部分由第1～3章組成，為傳感器技術的基礎內容，包括傳感器的概述、性能指標與評價、常用的敏感與轉換原理和基本量的測量方法與測量電路介紹。第二部分由第4～7章組成，按實用中的測量參量類別，分章介紹了常見物理量傳感器和化學及生物量傳感器的構成原理、特點及應用。其中對物理量傳感器按機械量、熱學量和以光學量與電學量為主的其他量進行分章介紹。第三部分由第8～10章組成，介紹了發展中的現代傳感器技術，內容包括應用廣泛的集成與微傳感器、智能傳感器技術與網絡化接口標準、實現傳感器低功耗的關鍵技術。第四部分即第11章，針對物聯網應用的內容，主要介紹了典型應用中的傳感器概況和典型傳感器節點的解決方案示例。
對于本書的使用可參考如下方式：有關傳感器的技術基礎與基本原理內容的教學，可以以第一部分為主、結合第二部分的內容選擇性地介紹具體參量傳感器及應用特點；對于進一步的學習和針對物聯網應用的傳感器教學，則以第三部分的內容為主，結合第四部分的相應實例內容進行講解。
為方便讀者學習本書介紹的內容，按章編寫了思考題與習題。
本書除了供物聯網工程專業學生學習外，也可供相關專業學生以及其他從事傳感器應用的工程技術人員學習參考。
本書由中南大學劉少強和東南大學張靖編寫，其中參考、引用了多位專家、學者的著作、論文，在此一并表示感謝。同時還要感謝樊曉平、施榮華、年曉紅、凌玉華和黃東軍等教授對編寫本書的支持和幫助，感謝陳文見、陳翔、尹超等碩士生的協助。最后要特別感謝本書的策劃編輯田宏峰先生給予編者的理解和支持。
傳感器的內容非常多，考慮到物聯網工程以及其他相關專業的學生具備的基礎知識結構不同、學習的要求不同，同時也為了控制篇幅，本書略去了一些實際常用的傳感器內容和有關敏感材料的詳細介紹，因而可能造成內容選擇上的缺失或偏差。由于編者水平有限，書中錯誤和不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。
編 者
2013年12月
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