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出版者:

作者:Soloman, Sabrie

出品人:

页数:1424

译者:

出版时间:2009-11

价格:$ 186.45

装帧:

isbn号码:9780071605700

丛书系列:

图书标签:

• 传感器
• 传感器技术
• 测量技术
• 仪器仪表
• 电子工程
• 物理学
• 工程学
• 数据采集
• 信号处理
• 自动化

《传感器技术原理与应用》 一、 传感器世界概览 在当今飞速发展的科技时代，传感器已成为连接物理世界与数字信息之间的关键桥梁。从宏观的宇宙探测到微观的细胞活动，从日常生活的智能家居到严苛的工业生产，传感器无处不在，默默地收集、转换和传递着海量的信息，支撑着无数技术的进步和应用的革新。本书旨在为读者提供一个全面而深入的传感器技术视角，涵盖其基本原理、种类繁多的传感元件、核心性能指标、关键设计要素，以及在各个领域广泛而深刻的应用。 我们生活的世界是一个充满动态变化的物理环境。温度、压力、光照、湿度、声音、运动、磁场、化学成分……这些无时无刻不在变化的物理量，构成了我们感知世界的基础。然而，人类的感官虽然精妙，却存在着固有的局限性，无法精确测量和量化这些细微的变化，更无法直接将这些物理信息转化为机器可读的电信号。传感器应运而生，它们如同人类的“延伸感官”，能够将各种物理量转化为具有代表性的电信号，从而使得计算机、微处理器以及其他电子系统能够理解、处理和响应这些信息。 本书并非仅仅罗列传感器设备的型号和参数，而是致力于深入剖析传感器背后的科学原理。我们将从物理学的基本定律出发，阐述各种传感机制的由来，例如压阻效应、热电效应、光电效应、霍尔效应、电容感应、压电效应等等。理解这些基本原理，是掌握传感器技术、解决实际应用问题的基石。我们相信，只有深刻理解“为什么”和“怎么样”工作，才能更好地选择、设计和优化传感器系统。 二、 传感器分类与核心传感原理 传感器家族庞大且多样，按不同的分类标准，可以划分为多种类型。本书将从多个维度对传感器进行梳理和介绍： 1. 按被测量物分类： 物理量传感器： 这是最广泛的一类，包括但不限于温度传感器（热电偶、热敏电阻、铂电阻、红外传感器）、压力传感器（压阻式、电容式、应变片式）、位移传感器（LVDT、编码器、激光测距）、速度传感器（测速电机、多普勒传感器）、力传感器（测力传感器、称重传感器）、加速度传感器（压电式、MEMS）、声音传感器（麦克风）、光传感器（光敏二极管、光敏电阻、CMOS/CCD图像传感器）、磁传感器（霍尔传感器、磁阻传感器）、湿度传感器（电容式、电阻式）、气体传感器（半导体式、电化学式、催化燃烧式）等。 化学量传感器： 用于检测物质的化学成分和性质，如pH传感器、离子传感器、气体检测传感器（CO、CO2、VOCs等）、生物传感器等。 生物量传感器： 检测生命体征和生物信号，如心率传感器、血氧传感器、血糖传感器、DNA传感器等。 2. 按工作原理分类： 电阻式传感器： 利用材料的电阻随被测量物变化而改变的原理，如热敏电阻、应变片。 电容式传感器： 利用电介质的介电常数或极板间距离随被测量物变化而改变，导致电容值变化，如湿度传感器、位移传感器。 电感式传感器： 利用线圈的电感随被测量物（通常是铁磁性材料）的位置或导磁率变化而改变，如LVDT。 压电式传感器： 利用某些晶体材料在外力作用下产生电荷的压电效应，如加速度传感器、压力传感器。 半导体传感器： 利用半导体材料的导电性、光学或热学特性随被测量物变化，如温度传感器、气体传感器、光电传感器。 光电传感器： 利用光与物质的相互作用，如光敏二极管、光电三极管、CMOS/CCD。 磁传感器： 利用磁场对材料特性的影响，如霍尔效应传感器、磁阻传感器。 MEMS传感器： 微机电系统传感器，将微小的机械结构与电子电路集成在同一芯片上，如微加速度计、微陀螺仪。 本书将对各类传感原理进行细致的阐述，从量子力学到经典电磁学，从材料科学到微纳加工技术，力求为读者揭示传感器工作的底层逻辑。 三、 传感器性能指标与设计考量 理解传感器的工作原理只是第一步，在实际应用中，传感器的性能指标至关重要。本书将详细解读这些关键指标的含义及其对系统选择和设计的影响： 灵敏度（Sensitivity）： 传感器输出量相对于被测量变化的比例。高灵敏度意味着微小的变化也能被检测到。 精度（Accuracy）： 传感器测量值与真实值之间的接近程度。 分辨率（Resolution）： 传感器能够区分的被测量物的最小变化量。 线性度（Linearity）： 传感器输出与输入之间的线性关系程度。 迟滞（Hysteresis）： 传感器在测量同一值时，随被测量物增加和减少而产生的输出差异。 重复性（Repeatability）： 在相同条件下，传感器多次测量同一值时，输出结果的一致性。 响应时间（Response Time）： 传感器对输入变化做出响应并达到稳定状态所需的时间。 工作温度范围（Operating Temperature Range）： 传感器能够在指定的精度范围内工作的温度区间。 功耗（Power Consumption）： 传感器工作时消耗的电能。 稳定性（Stability）： 传感器在长期使用过程中，性能指标保持不变的能力。 抗干扰能力（Noise Immunity）： 传感器抵抗外部电磁干扰、振动等能力。 在传感器系统的设计过程中，还需要考虑诸如供电方式、信号调理（放大、滤波、A/D转换）、封装形式、接口协议、标定校准以及与微控制器或嵌入式系统的集成等一系列工程问题。本书将引导读者系统性地思考这些问题，从而构建出高效、可靠的传感器应用方案。 四、 传感器在各领域的广泛应用 传感器的价值最终体现在其应用之中。本书将重点介绍传感器在以下关键领域的典型应用案例，以期激发读者的应用灵感： 工业自动化与过程控制： 在工厂流水线、化工生产、能源管理等领域，传感器用于监测温度、压力、流量、液位、振动、气体泄漏等关键参数，实现生产过程的精确控制、质量提升和安全保障。例如，用于精密加工的编码器、用于安全监测的各类气体传感器、用于状态监测的振动传感器。 消费电子与智能家居： 智能手机中的加速度计、陀螺仪、光线传感器、指纹传感器；智能穿戴设备中的心率传感器、血氧传感器；智能家居系统中的温湿度传感器、人体存在传感器、门窗传感器、烟雾报警器等，极大地提升了用户体验和生活便利性。 汽车电子与自动驾驶： 汽车传感器是实现安全驾驶和智能化功能的基石。例如，用于发动机控制的氧传感器、温度传感器、压力传感器；用于安全气囊的加速度传感器；用于泊车辅助的超声波传感器；以及用于辅助驾驶和自动驾驶的摄像头、雷达、激光雷达（LiDAR）等。 医疗健康与生物技术： 医疗仪器中的各种生理参数传感器（心电、血压、血氧、体温），用于疾病诊断和健康监测。生物传感器在药物研发、食品安全检测、环境监测等领域也发挥着越来越重要的作用。 环境监测与智慧城市： 用于监测空气质量（PM2.5、O3、NOx）、水质（pH、浊度、溶解氧）、噪音、土壤湿度等的传感器，为环境保护和城市管理提供数据支持。 航空航天与国防军工： 在极端环境下，传感器需要承受极高的温度、压力、辐射和振动。高精度、高可靠性的传感器在导航、姿态控制、目标探测、远程通信等方面不可或缺。 科学研究与精密测量： 在物理、化学、生物、材料等领域，各种高精度传感器是实验研究和数据采集的必备工具，推动着科学前沿的探索。 通过对这些应用案例的深入剖析，读者可以了解到传感器如何解决现实世界中的挑战，并从中发掘潜在的创新机会。 五、 未来趋势与展望 传感器技术正以前所未有的速度发展。本书还将探讨传感器技术的未来发展趋势，包括： 微型化与集成化（MEMS/NEMS）： 传感器尺寸不断缩小，并向多功能集成方向发展，为物联网（IoT）和可穿戴设备提供更优的解决方案。 智能化与网络化： 传感器将与人工智能、边缘计算相结合，实现数据在终端的预处理和智能分析，并构建起大规模的传感器网络。 柔性与可穿戴传感器： 柔性电子技术的进步，使得传感器能够集成到服装、皮肤贴片等载体上，为健康监测和人机交互开辟新途径。 新型传感材料与技术： 新型材料（如石墨烯、纳米材料）和新兴传感机制（如量子传感）的探索，将带来更高性能、更广应用场景的传感器。 低功耗与无线通信： 传感器在物联网应用中的普及，对低功耗设计和高效无线通信提出了更高要求。 《传感器技术原理与应用》致力于成为读者深入理解、掌握并创新应用传感器技术的宝贵参考。我们相信，通过对书中内容的学习和实践，您将能够更好地理解这个由传感器构成的、日益智能化的世界，并为未来的科技发展贡献力量。

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