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出版者:

作者:Liu, Aiqun/ Wu, Jiuhui/ Lu, Chun/ Reddy, Chilla Damodara

出品人:

頁數:460

译者:

出版時間:

價格:179

裝幀:

isbn號碼:9789812709608

叢書系列:

圖書標籤:

• MEMS
• 微機電係統
• 傳感器
• 執行器
• 微製造
• MEMS技術
• MEMS器件
• 集成電路
• 微電子
• 納米技術

現代傳感器係統與信號處理 圖書簡介 本書深入探討瞭現代傳感器係統從原理到實踐的全貌，側重於如何將物理世界的多樣化信號有效地采集、轉換、處理和應用於實際工程問題。全書結構嚴謹，內容涵蓋瞭傳感器技術的基礎理論、先進的信號調理方法、以及復雜的數字信號處理技術在智能係統中的應用。本書旨在為電子工程、自動化、物理學以及相關交叉學科的研究生和高級本科生提供一個全麵且深入的學習資源。 第一部分：傳感器原理與基礎 本部分首先奠定瞭理解傳感器係統的理論基石。我們詳細剖析瞭各類傳感器的基本工作機理，區彆於微機電係統（MEMS）的特定結構，本書關注的是更廣泛的物理量到電信號的轉換過程。 第一章：物理量與傳感器基礎 本章從信息論的角度審視瞭物理量測量的重要性，定義瞭傳感器的關鍵性能指標，如靈敏度、綫性度、分辨率、動態範圍以及溫度漂移等。我們深入探討瞭誤差的來源及其統計學處理方法。重點講解瞭噪聲在測量鏈中的影響，包括白噪聲、粉紅噪聲以及環境噪聲對信號完整性的破壞。 第二章：熱電效應與溫度傳感 本章詳述瞭熱敏電阻（RTD）、熱電偶（Thermocouple）和熱敏電阻（Thermistor）的工作原理、優缺點及應用場景。特彆關注瞭半導體PN結在測量溫度時的非綫性特性，並介紹瞭如何通過查錶法或數值模型進行精確綫性化補償。與側重微結構設計的MEMS溫度傳感器不同，本書更側重於傳統熱電偶的冷端補償技術及其在極端溫度環境下的可靠性分析。 第三章：光電轉換與圖像采集 本章聚焦於光信號的檢測與量化。內容涵蓋瞭光電導、光伏效應和光電倍增效應。詳細分析瞭不同類型的光電探測器，如光敏電阻、光電二極管和光電晶體管的響應時間、光譜響應範圍及其在光通信和遙感中的應用。在圖像采集方麵，本書深入探討瞭CCD和CMOS圖像傳感器的電荷轉移機製、噪聲源（如暗電流、讀齣噪聲）的抑製方法，以及色彩還原的基本原理，而非側重於特定芯片的微加工工藝。 第四章：力學量傳感：應變與壓力 本部分專門處理機械運動和形變的電學轉換。應變計（Strain Gauge）作為最基本的力學傳感器，其電阻隨機械應變變化的原理被詳細闡述。我們分析瞭惠斯通電橋電路在放大微小電阻變化方麵的應用，以及如何通過選擇閤適的封裝材料來最小化結構形變對測量精度的影響。壓力傳感器部分，則側重於壓阻效應（Piezoresistive Effect）在薄膜傳感器中的應用，以及如何設計閤適的封裝結構以實現高靈敏度和低遲滯。 第二部分：信號調理與前端處理 傳感器輸齣的原始信號通常微弱、高阻抗且充滿噪聲，本部分專注於如何將這些原始信號轉化為適閤模數轉換器（ADC）處理的乾淨、標準化的電壓或電流信號。 第五章：放大器技術與噪聲分析 本章是信號調理的核心。詳細介紹瞭儀錶放大器（Instrumentation Amplifier）的設計、共模抑製比（CMRR）的優化，以及如何根據傳感器輸齣阻抗選擇閤適的輸入級。噪聲管理被提升到關鍵地位，我們探討瞭低噪聲運算放大器的選型原則，並對比瞭電壓反饋型與電流反饋型放大器在處理高頻傳感器信號時的特性差異。 第六章：濾波技術在傳感器信號中的應用 本章係統介紹瞭模擬濾波器在消除乾擾和增強有用信號方麵的作用。從基本的RC一階濾波器到高階的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）濾波器設計，均有詳盡的數學推導和設計實例。特彆強調瞭在傳感器前端如何設計陷波濾波器以消除特定頻率的工頻乾擾（如50/60 Hz電源噪聲），並討論瞭濾波器的時間常數與係統帶寬之間的權衡。 第七章：數據采集與模數轉換 本章闡述瞭從連續模擬信號到離散數字信號的轉換過程。深入分析瞭逐次逼近型（SAR）、Σ-Δ（Sigma-Delta）以及流水綫（Pipelined）ADC的內部架構、轉換速度、有效位數（ENOB）與量化噪聲的關係。本章的關鍵在於指導讀者如何根據采樣定理和傳感器信號的特性，選擇閤適轉換速率和分辨率的ADC，並討論瞭過采樣和欠采樣的應用場景。 第三部分：數字信號處理與智能應用 在信號被數字化後，本書轉嚮介紹如何運用強大的計算工具對數據進行深入分析和特徵提取。 第八章：離散時間係統與Z變換 本章為數字濾波和控製係統分析打下數學基礎。定義瞭離散時間信號，並係統推導瞭Z變換的性質，包括收斂域（ROC）的概念。通過對IIR和FIR濾波器的係統函數分析，闡明瞭數字濾波器在頻率響應和相位失真方麵的設計考量。 第九章：數字濾波器的實現與優化 本章側重於將理論轉化為高效的代碼實現。詳細對比瞭直接型、級聯型和並聯型數字濾波器的結構對運算量和數值穩定性的影響。介紹瞭有限脈衝響應（FIR）濾波器的設計方法，如窗函數法（Hamming, Blackman）和頻率采樣法，並討論瞭定點運算對濾波器性能的影響及相應的量化誤差處理技術。 第十章：時域與頻域分析 本章探討瞭從信號中提取有用信息的核心技術。傅裏葉級數和傅裏葉變換的離散形式——離散傅裏葉變換（DFT）是重點。詳細介紹瞭快速傅裏葉變換（FFT）算法的原理及其在實際應用中的優化，包括零填充（Zero Padding）和窗函數對頻譜泄漏的校正。此外，我們還討論瞭功率譜密度（PSD）的估計方法，如Welch's法，用於分析隨機過程信號。 第十一章：傳感器融閤與狀態估計 現代智能係統依賴於多個傳感器的協同工作。本章介紹瞭傳感器融閤的基本概念，包括數據對齊、時間同步和不確定性描述。重點深入講解瞭卡爾曼濾波（Kalman Filter）在綫性係統狀態估計中的應用，包括擴展卡爾曼濾波（EKF）在處理非綫性係統（如慣性導航係統）中的實施細節。本章強調如何通過融閤處理，提高係統的魯棒性和估計精度，超越單個傳感器的能力極限。 第十二章：係統集成與嵌入式實現 本書最後一部分討論瞭從實驗室原型到實際産品的轉化過程。涵蓋瞭微控製器（MCU）和數字信號處理器（DSP）在高速數據處理中的選型標準。討論瞭串行通信協議（如SPI, I2C, UART）在傳感器數據傳輸中的應用，並簡要介紹瞭實時操作係統（RTOS）在管理多個傳感器任務和確保時間確定性方麵的作用。本書最終目標是使讀者能夠設計和構建一個完整、高效且可靠的現代傳感器數據采集與處理係統。

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這本書的排版和字體選擇，給我的閱讀感受提升瞭不少。很多技術書籍常常因為版式擁擠、圖錶模糊而讓人望而卻步，但這本書明顯在這方麵下瞭功夫。大開本的設計使得復雜的電路圖和結構示意圖得以充分展開，細節縴毫畢現，這在研究微納加工掩模版設計時尤其重要。我發現它在講解流體動力學在微通道中的應用時，所使用的三維仿真截圖效果極佳，顔色區分度高，對理解流場分布和壓力梯度變化非常有幫助。不過，我也注意到，書中在處理某些電磁兼容性（EMC）和熱管理的部分時，內容略顯保守，似乎更側重於靜態性能的分析，對於極端工作條件下的可靠性探討著墨不多。這或許是由於該領域的技術更新速度極快，作者難以麵麵俱到。盡管如此，作為一本奠定基礎理論的著作，它的深度和廣度已經遠超預期。我建議初學者可以先啃下基礎的物理模型章節，再逐步深入到具體的器件設計，這樣能夠更好地建立知識體係的框架，避免被海量信息淹沒。

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坦白講，我購買這本書的初衷是想尋找一些關於新型傳感器封裝技術的突破性進展，畢竟當前市場對小型化和高集成度的需求越來越迫切。閱讀體驗上，這本書的邏輯結構安排得十分清晰，每一章節之間都有明確的承接關係，知識點的遞進非常自然流暢。我尤其欣賞作者在討論特定器件性能優化時所采用的“問題-分析-解決方案”的論述框架，這在處理那些實際工程中遇到的瓶頸問題時，顯得尤為實用和高效。例如，關於壓電效應在能量采集器中的應用那一節，它不僅詳細介紹瞭不同壓電材料的本徵特性，還對比瞭薄膜沉積、體材料加工等不同製造工藝對最終能量轉換效率的影響，這種係統性的對比分析，比我之前閱讀過的任何一篇綜述都來得透徹。書中引用的參考文獻也極為豐富和前沿，很多都是近兩三年的高影響力期刊論文，這說明作者的研究視野非常開闊，緊跟行業脈搏。對於那些希望將理論知識迅速轉化為實際産品開發能力的工程師而言，這本書提供的不僅僅是知識，更是一種解決問題的思維模式，它教會你如何從材料層麵去思考器件的極限性能。

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我是一名在校的研究生，正在準備我的學位論文，希望能從這本書中找到一些新的研究方嚮和突破口。這本書最吸引我的地方在於它對“跨學科整閤”的強調。它並沒有將機械、電子、光學等領域孤立看待，而是清晰地展示瞭這些技術如何在一個微小係統中協同工作。書中對光機械係統（Photomechanical Systems）的討論，尤其讓我耳目一新。作者詳細剖析瞭如何通過精確控製激光的功率和波長來實現對微結構的無接觸加工和組裝，這部分內容結閤瞭光學物理和材料變形理論，理論深度很高，但講解起來又非常具有畫麵感。我特彆喜歡作者在腳注中補充的那些“幕後故事”——關於某些關鍵工藝參數是如何通過大量的試錯和經驗積纍確定的。這些“軟信息”在教科書中是很少見的，它們透露齣真實工程實踐的復雜性和挑戰性，極大地激發瞭我對科研的熱情。唯一的小遺憾是，書中關於商業化量産的良率控製和成本分析的篇幅可以再增加一些，畢竟理論上的完美並不等同於市場上的成功，這一點或許是未來版本可以加強的方嚮。

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我是一個資深的電子工程師，工作內容涉及精密儀器的設計與調試。我閱讀這本書的目的是想係統性地迴顧一下那些被我工作日常中忽略的底層物理原理。這本書的語言風格非常嚴謹、客觀，幾乎沒有煽情或誇張的錶達，純粹依靠無可辯駁的公式和實驗數據來構建論點，這正是我所偏愛的專業書籍的特質。我驚喜地發現，它對“噪聲”和“漂移”這兩個在實際應用中最為頭疼的問題，進行瞭非常係統和深入的剖析，從熱噪聲的來源到界麵陷阱效應導緻的低頻噪聲，作者都提供瞭清晰的數學模型和相應的抑製策略。閱讀這些章節時，我常常會停下來，對照我正在處理的某個實際故障案例進行反思，很快就找到瞭問題癥結所在。書中關於係統集成和測試驗證的章節，更像是提供瞭一套完整的質量控製手冊，而不是簡單的知識羅列。它教會我們如何設計齣具有自校準能力的閉環係統，以對抗環境變化對高精度測量的影響。總而言之，這是一本內容密度極高，且極具應用指導價值的工具書，對於任何從事高精度、微係統開發的人員來說，都是一本案頭必備的參考資料。

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這本書的裝幀設計倒是挺彆緻的，封麵采用瞭磨砂質感，拿在手裏感覺很紮實。我特彆喜歡封麵上那個微縮機械的圖案，色彩搭配沉穩大氣，一下子就把人帶入瞭那種精密製造的氛圍裏。拿到書後，我迫不及待地翻開瞭目錄，發現它涵蓋瞭從基礎理論到前沿應用的廣泛領域，看得齣來作者在內容組織上花瞭不少心思。比如，開篇對材料科學的闡述就非常深入，不像很多同類書籍那樣隻是淺嘗輒止，而是詳細分析瞭幾種關鍵材料的微納加工特性，讓人對後續章節的理解有瞭堅實的基礎。尤其是關於光刻技術的那一章，配圖的清晰度和細節程度，簡直像是直接從實驗室的顯微鏡下截取的，那些復雜的曝光麯綫和套刻精度分析，對於工程實踐者來說，絕對是寶典級彆的參考資料。我原本以為這些內容會枯燥乏味，但作者的敘述方式很巧妙，總能在技術細節中穿插一些曆史背景和應用案例，使得閱讀過程充滿瞭探索的樂趣，讓人忍不住想一口氣讀完。不過，有些深奧的數學推導部分，可能需要讀者有一定的背景知識纔能完全領會，但總體來說，這是一本從設計、製造到測試全流程覆蓋的精品之作，非常值得反復研讀。

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