传感器与数据采集原理

在内容上，将信号调节、数据采集和传感器原理有机地结合起来。这样的结构是参考Boston 大学“传感器原理”课程和教材的内容与结构，有利于学生全面深入了解传感器原理和应用方法。

在编写上，尽量做到深入浅出。既要将理论阐述清楚，又要避免内容生涩难懂。为了提高可读性，本书在每个章节都编入相应的例子及问题，便于读者学习参考。

在内容组织上，主要按原理分类，便于学生理解，但应用方面单独组织一章，按应用分类，便于学生实际使用。

内容新颖、语言简洁，包括大量的新型传感器（智能传感器、生物传感器、纳米传感器）的工作原理和结构，篇幅控制在300页左右。

可作为电子专业、自动化专业及机械电子专业本科和硕士研究生教材。

本书是根据大学仪器科学与技术一级学科专业特色教材建设计划的教学大纲编写而成的，也适合于自动化、电子、机械电子等相关学科专业。

作为信息科学的关键环节，信息获取技术（传感器技术）在当代科学中占有重要地位。信息科学主要分为三大部分：信息获取、信息传输和信息处理。在过去的几十年中，信息传输和信息处理都获得了突飞猛进的发展，而传感器技术还处在发展期，大量的新技术正在兴起，纳米技术、等离子技术、基因芯片技术等大量新技术正在改变着传感器技术，使其焕发出新的活力。“传感器原理”不但是目前各大专院校自动控制专业的一门重要课程，同时也是每位电子类工程师应该掌握的三大技术之一。

但是，由于传感器原理比较抽象、内容各异、体系化不强，使传感器原理的讲授一直比较困难，容易流于表面。学生也总觉得很难理解其实质。究其原因，主要是传感器原理处于信息技术的前端，和生活应用的联系不直接，例如生活中的空调大家都非常熟悉，但是空调中用的传感器，它们有什么作用、是哪些型号、如何工作，就未必有人能说得上来了。另外，单独讲传感器原理很容易使传感器技术的理解流于表面。说到传感器，大体都知道是通过敏感器件将被测量转换为电信号传给信息处理部分，但具体如何应用并不知道。这就将一门专业课的学习变成了科普。本书的定位是大学本科教材+应用，在传感器原理多种新技术的基础上结合数据采集的相关知识编写而成。这样的结构参考了Boston大学“传感器原理”课程和教材的内容与结构，有利于学生全面深入地了解传感器的原理和应用方法。

对传感器原理的把握需要注意3个方面：

（1）传感器的工作原理及由此带来的工作特点不同，这主要体现在传感器的敏感元器件上，例如热电偶和热电阻的工作原理不同。热电偶是电势型传感器，它测量的是温度差，如果要测某点温度，一定需要零点补偿。而热电阻是电阻型传感器，它测量的是绝对温度，工作的原理和特点与热电偶完全不同。

（2）传感器的调节电路不同，导致了需要采用不同的调节电路才能更精确地将敏感传感器的变化转换成电信号输出。例如为了将微小应变导致的应变片的电阻变化转换为电信号，可以采用电桥。此外，各种传感器的误差机理不同也导致了需要采用不同的调节电路。

（3）从系统上考虑传感器的选择，包括传感器的成本、输出信号。从根本上说，传感器仅仅是计算机测控系统的一个组成部分，从系统的角度学习传感器的应用便于更进一步了解传感器的原理。

本书主要内容包括：常用传感器（温度、压力、加速度）及新型传感器（如化学传感器、生物传感器、纳米传感器）的工作原理、结构、信号调节电路、数据采集的基本原理及应用，着重介绍了不同传感器的原理及信号调节和数据采集中可能出现的问题及其解决方案。

本书在内容上，将信号调节、数据采集和传感器原理有机地结合起来；在编写上，尽量做到深入浅出，既要将理论阐述清楚，又要避免内容生涩难懂，为了提高可读性，本书在每个章节都编入相应的例子及问题，便于读者学习和参考；在内容组织上，主要按原理分类，便于学生理解，但应用方面单独组织一章，按应用分类，便于学生实际使用，这样就兼顾两种组织结构的优点，更便于教学和学生实际应用。

本书由胡学海任主编，邓罡讲师、张志国高级工程师、王志刚副教授任副主编，主要编写人员有：王俊苏、涂戈、何伟国、戴亮、贾宇、任代蓉、任学龙，参与部分编写工作的还有：王治国、钟晓林、王娟、胡静、杨龙、张成林、方明、王波、陈小军、雷晓、李军华、陈晓云、方鹏、龙帆、刘亚航、凌云鹏、陈龙、曹淑明、徐伟、杨阳、张宇、刘挺、单琳、吴川、李鹏、李岩、朱榕、陈思涛和孙浩等，在此一并表示感谢。

由于时间仓促加之作者水平有限，书中难免有不足甚至错误之处，恳请各位专家批评指正。在此感谢各参考文献的作者，同时有的资料是网上搜集来的，由于使用的时间太长，无法查证作者，如果在此引用了您的观点，请与我们联系，必将尽快更正参考文献。

我们为传感器与数据采集原理的读者尽心服务，围绕相关技术、产品和市场信息探讨应用与发展，发掘热点与重点，开展教学指导。俱乐部QQ：183090495，电子邮件：hwhpc@163.com，欢迎数控爱好者和用户与我们联系。

编 者

2015年12月

第0章 绪论 1
0.1 本书结构及阅读指南 1
0.2 传感器的基本知识 1
0.2.1 传感器及数据采集的定义和术语 3
0.2.2 传感器的组成与分类 4
0.3 传感器的应用与发展 5
思考题与习题 6
第1章 传感器原理及数据采集基础 8
1.1 测量系统 8
1.1.1 测量系统的组成原理 8
1.1.2 计算机测量系统的组成与特点 9
1.2 传感器的特性 10
1.2.1 传感器的静态特性 11
1.2.2 传感器的动态特性 16
1.2.3 传感器的测量误差与其他特性 23
1.3 传感器的选择 26
1.4 传感器的标定 27
1.4.1 传感器的静态标定 28
1.4.2 传感器的动态标定 28
1.5 数据采集 32
1.5.1 采样 32
1.5.2 量化 36
1.5.3 编码 36
思考题与习题 37
第2章 传感器信号调理 38
2.1 电桥 38
2.1.1 电桥的基本原理 39
2.1.2 电桥输出的设计 40
2.1.3 惠斯通电桥存在的系统误差及其
消除方法 47
2.2 信号调理放大器 50
2.2.1 信号调理放大器的参数 51
2.2.2 运放的误差和非线性 54
2.2.3 运放的噪声 57
2.2.4 特殊放大器 58
2.3 数模转换 65
2.3.1 A/D的分类 65
2.3.2 A/D的指标 67
2.3.3 A/D的原理及特性 68
2.3.4 A/D转换器的选择 70
2.4 多路开关 71
2.5 片上数采系统 73
思考题与习题 75
第3章 电阻式传感器 76
3.1 概述 76
3.1.1 弹性敏感元件的特性 77
3.1.2 弹性敏感元件的设计 79
3.2 应变片 81
3.2.1 电阻应变式传感器的工作原理 82
3.2.2 分类与参数 85
3.2.3 动态响应特性 88
3.2.4 温度误差与补偿 90
3.2.5 信号调节电路 93
3.3 热敏电阻 96
3.3.1 工作原理 96
3.3.2 特性参数 97
3.3.3 分类与应用 98
3.3.4 线性化 98
3.4 其他电阻式传感器 99
思考题与习题 100
第4章 电容式传感器 101
4.1 概述 101
4.1.1 原理、分类、结构与参数 101
4.1.2 特点 104
4.2 电容式传感器的工作原理、等效电路
及误差分析 105
4.2.1 变间隙的电容式传感器 105
4.2.2 变面积的电容式传感器 109
4.2.3 变介质型电容式传感器 110
4.2.4 等效电路分析 112
4.3 电容传感器应用系统分析 113
4.3.1 信号调理电路 113
4.3.2 影响精度的因素及改进措施 116
4.4 电容式传感器的应用 117
思考题与习题 118
第5章 电感式传感器 120
5.1 概述 120
5.2 变磁阻式传感器原理 121
5.2.1 工作原理及结构 121
5.2.2 等效电路 122
5.2.3 输出特性及误差分析 124
5.2.4 影响传感器精度的因素分析 126
5.3 差动变压器 127
5.3.1 工作原理 127
5.3.2 等效电路 128
5.3.3 基本特性 129
5.3.4 差动变压器的信号调节电路 130
5.4 涡流式传感器 133
5.4.1 高频反射式涡流传感器 133
5.4.2 低频透射式涡流传感器 134
5.5 电感式传感器的应用 135
思考题与习题 137
第6章 电荷类传感器 138
6.1 概述 138
6.2 压电式传感器工作原理 139
6.2.1 压电效应 139
6.2.2 等效电路 142
6.3 信号调节电路 143
6.3.1 电压放大器 143
6.3.2 电荷放大器 145
6.4 电荷类传感器的应用 148
思考题与习题 152
第7章 电势类传感器 153
7.1 概述 153
7.1.1 电势式传感器的特点 153
7.1.2 热电式传感器 154
7.2 热电式传感器原理 154
7.2.1 热电偶原理 154
7.2.2 输出特性及调节电路 159
7.2.3 热电阻原理 166
7.3 光电式传感器原理 168
7.3.1 光的基本特性 168
7.3.2 光电效应 169
7.3.3 输出特性及调节电路 181
7.4 电势类传感器的应用 183
思考题与习题 185
第8章 场与辐射传感器 186
8.1 概述 186
8.2 磁敏传感器 186
8.2.1 霍尔效应 187
8.2.2 影响霍尔效应的因素 188
8.2.3 霍尔元器件的外形、特点及
补偿方法 189
8.2.4 其他磁敏传感器 194
8.3 声敏传感器 197
8.3.1 声敏传感器的原理和应用 197
8.3.2 水声传感器 200
8.3.3 超声波传感器 202
8.3.4 声表面波传感器 203
8.4 辐射类传感器 204
8.4.1 辐射类传感器的原理 204
8.4.2 可见光传感器 204
8.4.3 红外传感器 205
思考题与习题 206
第9章 新型传感器 207
9.1 化学传感器 207
9.1.1 化学传感器的特点 208
9.1.2 构成与分类 208
9.1.3 化学传感器的原理 208
9.2 生物传感器 210
9.2.1 生物传感器的定义 210
9.2.2 生物传感器的原理、结构与分类 210
9.2.3 生物传感器的参数和特点 213
9.2.4 生物传感器的应用 214
9.3 纳米传感器 217
9.3.1 纳米传感器的原理与特点 217
9.3.2 纳米材料 218
9.3.3 纳米传感器的应用 222
思考题与习题 225
第10章 传感器系统与智能传感器 226
10.1 概述 226
10.1.1 智能传感器的定义与特点 226
10.1.2 智能传感器的应用和发展 227
10.2 智能传感器的构成 229
10.3 智能传感器的实现 230
10.3.1 智能传感器的标准 231
10.3.2 信号调节与放大的数字补偿 233
10.3.3 智能传感器的软件 236
10.4 复合传感器（电子鼻子） 236
10.4.1 化学传感器 237
10.4.2 质谱和离子流谱分析 237
10.4.3 套色板（气象色谱） 238
10.4.4 红外谱和THz谱分析 239
10.5 传感器阵列 240
10.5.1 阵列式智能传感器的定义 240
10.5.2 阵列式智能传感器的结构 241
思考题与习题 241
第11章 无线传感器 242
11.1 概述 242
11.1.1 无线传感器网络的应用与发展 243
11.1.2 无线传感器网络的构成 245
11.2 无线传感器网络的节点 247
11.2.1 节点的构成及特点 247
11.2.2 节点的基本参数 248
11.3 无线传感器网络的特点与协议 251
11.3.1 无线传感器网络的特点与
自组织特性 251
11.3.2 无线传感器网络的拓扑控制 253
11.3.3 无线传感器网络的路由协议 257
11.3.4 无线传感器网络的数据链路协议 259
11.3.5 无线传感器网络的能量问题 260
11.3.6 无线传感器网络的安全问题 262
11.4 无线传感器网络的应用与展望 263
思考题与习题 265
第12章 常用传感器的分类与特点 266
12.1 概述 266
12.2 温度传感器 266
12.3 湿度传感器 270
12.4 压力传感器 271
12.5 加速度与振动传感器 272
12.6 流量传感器 273
12.7 位置传感器 274
附录 常用术语和专业词汇表 276
参考文献 279

1. 输水管线工程风险管理 [张勇 党亥生 著]
2. 民用航空飞机标准线路施工 [主编　王志敏　陈明]
3. 不息的水脉—大运河讲谈录 [赵珩　著]
4. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
5. 三峡梯级电站水资源决策支持系统研究与开发 [姚华明 潘红忠 汤正]
6. 海南黎族民俗文化鉴赏 [庞国华　著]
7. 石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用 [李艳秀 庄华伟 著]
8. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
9. 办公自动化高级应用 [陈萍 朱晓玉]
10. 信息处理技术员考试32小时通关 [薛大龙]
11. 电子产品设计案例教程（微课版）—基于嘉立创EDA（专业版） [王静 莫志宏 陈学昌 丁红]
12. C程序设计实践教程 [刘卫国]
13. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
14. Web技术开发教程（基于.NET开源MVC框架） [王合闯 韩红玲 王青正 陈海蕊]
15. 商务英语翻译教程（笔译）（第四版） [主编 王军平]
16. 智慧零售技术与应用 [洪旭 著]
17. 建设工程法规实务 [主编 余滢]
18. 商务秘书理论与实务（第三版） [主编 张同钦]
19. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
20. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
21. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
22. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
23. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
24. 信息系统项目管理师章节习题与考点特训（第二版） [主编 薛大龙]
25. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
26. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
27. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
28. HCIA-Datacom认证题库分类精讲 [主 编 韩立刚]
29. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
30. 网络规划设计师备考一本通 [夏杰 编著]