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第一章 传感器物理1

1.1 引言1

1.2 传感器的运作1

1.2.1 测量对象与传感器1

目录1

1.2.2 传感器的活性化2

1.2.3 转换原理2

1.2.4 多重变换3

1.2.5 电输出3

1.3 传感器与物理定律3

1.3.1 基本结构型传感器3

1.3.2 物性型基本传感器5

2.1.1 灵敏度9

2.1.2 阻抗9

2.1 输入、输出特性9

第二章 传感器系统的基础特性9

2.2 动特性10

2.2.1 传感器动特性的数学模型10

2.2.2 传递函数11

2.2.3 时间常数11

2.2.4 固有振动频率12

2.3 噪声13

2.3.1 噪声的种类及其表示方法14

2.3.2 噪声源14

2.3.3 电路元件和外部噪声耦合产生的噪声15

2.3.4 信噪比的改善16

2.4 选择性18

3.1 半导体的光学性质19

3.1.1 光在介质中的传播和光学常数19

第三章 光传感器19

3.1.2 光子和半导体中的光吸收25

3.2 半导体光传感器的性能参数29

3.2.1 响应度、线性度和量子效率29

3.2.2 噪声等效功率和探测度31

3.3 光电导探测器36

3.3.1 光电导效应及光电导36

3.3.2 光电导探测器及其特性38

3.4 光伏型检测器41

3.4.1 光电二极管41

3.4.2 雪崩光电二极管44

3.4.3 光电晶体管47

3.5 集成光敏器件和特种光敏器件50

3.5.1 光敏二极管阵列50

3.5.2 光敏三极管阵列54

3.5.3 光敏二极管与放大器件的组合55

3.5.4 半导体色敏器件57

3.5.5 结型场效应光敏管61

3.6 热型光检测器64

第四章 激光传感器66

4.1 激光器66

4.2 激光雷达67

4.3 激光干涉测长仪69

4.4 小型磁盘69

4.5 激光衍射传感器71

4.5.1 转镜扫描式激光衍射测径仪71

4.5.2 激光衍射振幅测量72

4.6 激光扫描传感器72

4.6.1 基本工作原理72

4.6.2 具体实例73

5.1 引言75

第五章 光导纤维传感器75

5.2 光纤传感器的构成77

5.2.1 光导纤维77

5.2.2 光在普通光导纤维内的传输78

5.2.3 光在特殊光导纤维内的传输80

5.2.4 转换方式81

5.3 传输通路型光纤传感器82

5.3.1 光纤探针型82

5.3.2 光强度变化型83

5.3.3 偏光面变化型85

5.3.4 其它类型88

5.4 功能型光导纤维传感器91

5.4.1 光导纤维干涉仪91

5.4.2 其它类型96

5.4.3 光导纤维与放射线98

第六章 压电式和超声波传感器100

6.1 压电转换元件的工作原理100

6.1.1 压电效应表达式101

6.1.2 石英晶体和压电陶瓷的压电效应102

6.1.3 压电元件的基本变形103

6.1.4 其它压电常数和耦合系数105

6.2 压电材料105

6.2.1 石英晶体105

6.2.2 铌酸锂晶体106

6.2.3 压电陶瓷106

6.3 压电元件常用结构形式108

6.4 压电元件的等效电路及测量电路109

6.4.1 等效电路109

6.4.2 测量电路110

6.5.1 压电式力传感器114

6.5 压电式力传感器和加速度传感器114

6.5.2 压电式加速度传感器115

6.6 压电声表面波传感器117

6.6.1 基本工作原理118

6.6.2 SAW力和加速度传感器119

6.7 高分子压电材料及应用121

6.7.1 PVDF的结构122

6.7.2 PVDF的工作原理和基本特性123

6.7.3 PVDF传感器设计的一般方法124

6.7.4 应用举例125

6.8 超声波传感器127

6.8.1 超声波及其在检测中的工作原理127

6.8.2 压电型超声波传感器128

6.8.6 弹性表面波传感器130

6.8.5 有振动板的超声波传感器130

6.8.4 电磁型超声波传感器130

6.8.3 磁致伸缩型超声波传感器130

6.8.7 光纤超声波传感器131

6.9 超声波在检测中的应用131

6.9.1 声纳131

6.9.2 超声波探伤132

6.9.3 超声波测温133

6.9.4 医学用超声检测135

6.9.5 油井超声成象测试138

第七章 形变规140

7.1 引言140

7.2 金属形变规140

7.3 半导体形变规143

第八章 磁敏元件146

8.1 霍尔元件147

8.2 磁阻元件149

8.3 SQUID磁通计151

8.3.1 电子对波的可干涉性152

8.3.2 约瑟夫逊效应152

8.3.3 RF-SQUID155

8.3.4 DC-SQUID156

第九章 温度传感器160

9.1 热电偶160

9.2 测温电阻161

9.2.1 电阻温度计161

9.2.2 热敏电阻161

9.3 pn结温度计163

9.4 热释电型温度传感器164

9.5 谐振型温度计165

9.5.1 晶体温度传感器165

9.5.2 NQR温度计165

9.6 热噪声温度计166

9.7 辐射温度计与热辐射传感器167

9.8 光纤温度传感器169

第十章 湿度传感器171

10.1 陶瓷湿度传感器171

10.1.1 陶瓷湿度传感器的感湿机理171

10.1.2 MgCr2O4系湿敏传感器173

10.1.3 Zn0-Cr2O3系湿度传感器174

10.1.4 湿度传感器的温度补偿和线性化176

10.2 氧化物膜状湿度传感器178

10.2.1 Fe3O4膜状湿度传感器178

10.2.2 Al2O3膜状湿度传感器179

10.3 高分子感湿膜湿度传感器182

10.3.1 复合材料感湿膜湿度传感器182

10.3.2 高分子电解质薄膜湿度传感器183

10.4.2 Si烧结型湿度传感器185

10.4 元素半导体湿度传感器185

10.4.1 Ge薄膜湿度传感器185

10.5 半导体器件型湿度传感器186

10.5.1 结型湿敏传感器186

10.5.2 硅MOS型湿度传感器187

10.5.3 FET湿度传感器188

10.6 晶振式湿度传感器188

10.7 结露传感器189

10.8 湿度传感器的主要特性参数及标定190

10.8.1 湿度传感器的主要特性参数190

10.8.2 湿度传感器的标定191

10.8.3 湿度传感器使用注意事项192

11.2 固态电解质气敏传感器193

11.2.1 固态电解质材料193

11.1 概述193

第十一章 气敏传感器193

11.2.2 电位式气敏传感器196

11.2.3 安培式气敏传感器201

11.2.4 氧化锆氧传感器203

11.3 氧化物半导体气敏传感器206

11.3.1 半导体电阻式气敏元件206

11.3.2 接触燃烧式气敏元件211

11.3.3 气敏机理213

11.3.4 组合型气敏元件214

11.3.5 集成薄厚膜及复合型气敏传感器219

11.4 金属栅MOS气敏元件222

11.4.1 金属栅MOS元件基本原理222

11.4.2 Pd-MOS氢敏元件227

11.4.3 其它MOS气敏元件230

11.5 声表面波气敏传感器230

11.5.1 传感器结构及材料231

11.5.2 传感器工作原理232

11.5.3 气敏选择膜236

第十二章 离子敏传感器238

12.1 概述238

12.1.1 离子敏传感器及其分类238

12.1.2 离子选择电极的发展及特点238

12.2 电化学基本概念240

12.2.1 离子淌度与离子迁移数240

12.2.2 浓度与活度241

12.2.3 化学位与电化学位241

12.2.4 电极电位与双电层242

12.2.5 扩散电位246

12.2.6 道南电位247

12.2.7 膜电位247

12.3.2 离子选择电极的工作原理248

12.3 离子选择电极的结构及工作原理248

12.3.1 离子选择电极的结构248

12.3.3 参比电极249

12.4 常用的离子选择电极251

12.4.1 玻璃电极251

12.4.2 固体膜电极252

12.4.3 活动载体膜电极256

12.5 离子选择场效应晶体管262

12.5.1 ISFET的结构与性能263

12.5.2 ISFET的性能表征265

12.5.3 ISFET的等效电路270

12.5.4 温度对ISFET的影响271

12.5.5 固态参比电极272

13.1.2 生物传感器的生物活性元件的制作技术274

13.1.1 生物传感器的基本结构274

13.1 生物传感器的主要技术274

第十三章 生物传感器274

13.1.3 信号变换装置与生物活性元件的一体化技术275

13.1.4 生物传感器高性能化的外围技术278

13.2 酶传感器及其应用领域281

13.2.1 酶传感器在医疗领域中的应用281

13.2.2 过程测量中酶传感器的利用289

13.2.3 酶传感器的未来课题292

13.3 酶热敏电阻292

13.3.1 酶热敏电阻的测量原理292

13.3.2 酶热敏电阻的基本结构294

13.3.3 酶热敏电阻的测量特性301

13.3.4 对各种测量的应用303

13.3.5 酶热敏电阻的新发展304

13.4 酶FET306

13.4.1 ISFET307

13.4.2 差动型酶FET308

13.4.3 单片酶FET309

13.4.4 酶膜的形成309

13.4.5 智能酶FET312

13.4.6 酶FET的应用312

13.5 光生物传感器312

13.5.1 光生物传感器的原理与构成313

13.5.2 光学pH传感器313

13.5.3 光学气体传感器314

13.5.4 光学酶传感器314

13.5.5 光学生物亲和性传感器315

13.5.6 光学免疫传感器317

13.5.7 利用光学生物敏感的人工味觉的探索317

13.6 免疫传感器318

13.6.1 免疫传感器的基本构成319

13.6.2 非标识免疫传感器320

13.6.3 标识免疫传感器321

第十四章 放射线和微波传感器326

14.1 射线源326

14.1.1 放射性同位素326

14.1.2 放射线（核辐射）的种类和性质327

14.1.3 常用放射线同位素和放射源329

14.2 射线和物质的作用329

14.2.1 带电粒子和物质的作用329

14.2.2 γ射线和物质的作用330

14.2.3 中子和物质的作用332

14.3 和用气体电离的传感器333

14.3.1 电离室334

14.3.2 正比计数管335

14.3.3 盖格计数管336

14.4 利用物质发光的传感器337

14.4.1 闪烁计数器337

14.4.2 切伦科夫计数器339

14.5 半导体传感器339

14.5.1 p-n结型传感器340

14.5.2 表面势垒型传感器341

14.5.3 锂漂移型传感器341

14.5.4 非晶硅传感器341

14.6 其它放射线传感器342

14.7 核辐射传感器测量电路342

14.7.1 用于电离室的前置放大电路342

14.7.2 用于正比计数管的前置放大电路343

14.7.3 用于闪烁计数器的前置放大电路343

14.8 放射性辐射的保护344

14.9 微波传感器345

14.9.1 微波检测用二极管346

14.9.2 视频检波347

14.9.3 混频二极管348

14.9.4 微波辐射计和多卜勒雷达349

第十五章 信号处理概要350

15.1 信号处理的目的350

15.2 信号的形态351

15.3 信号处理技术基础351

15.3.1 信号和系统的数学表示及解析351

15.3.2 信号的取样及取样定理352

15.3.3 离散性傅里叶变换及其快速算法352

15.3.4 数字滤波器电路的构成与设计352

15.3.6 声音信号处理353

15.3.7 二维信号处理353

15.3.5 不规则信号的解析353

第十六章 连续时间信号和连续时间系统354

16.1 连续时间信号354

16.2 三角级数354

16.3 傅里叶级数355

16.4 正交函数系356

16.5 正交级数357

16.6 均方差近似358

16.7 傅里叶变换358

16.8 δ函数360

16.9 拉普拉斯变换361

16.10 连续时间系统的输入输出关系和脉冲响应362

16.11 传递函数363

16.12 频率特性365

第十七章 离散时间信号和离散时间系统366

17.1 离散时间信号366

17.2 Z变换367

17.3 离散时间付里叶变换368

17.4 能量谱370

17.5 对数倒频谱370

17.6 脉冲响应371

17.7 传递函数372

17.8 频率特性372

17.9 稳定系统373

17.10 因果性系统374

17.11 因果性稳定系统375

17.12 最小相位系统376

17.13 全带通系统377

17.14 直线相位系统378

18.1 连续时间信号的取样379

18.2 由取样获得的离散时间的付里叶变换379

第十八章 信号的取样和离散性付里叶变换379

18.3 取样定理381

18.4 离散时间信号的再取样383

18.4.1 等价于连续时间信号的离散时间信号383

18.4.2 利用数据间拔的取样频率变换384

18.4.3 利用数据内插的取样频率变换384

18.5 模拟信号与数字信号间的相互变换386

18.5.1 信号形态的直接变换386

18.5.2 利用再取样的信号形态变换386

18.6 离散性傅里叶变换387

18.7 DFT与离散时间傅里叶变换的关系388

18.8 DFT与Z变换的关系389

18.9 快速付里叶变换390

18.10 信号的短时间功率393

19.2.1 串联连接394

19.2 子系统的连接394

19.1 滤波394

第十九章 数字滤波器394

19.2.2 并联连接395

19.3 数字滤波器的直接构成395

19.3.1 全零型滤波器的构成395

19.3.2 全极型滤波器的构成396

19.3.3 极零型滤波器的直接构成397

19.4 数字滤波器的串联构成和并联构成397

19.4.1 串联构成398

19.4.2 并联构成398

19.5 以模拟滤波器为基础的数字滤波器的设计398

19.5.1 脉冲不变法399

19.5.2 双一次变换法399

19.6 线性相位FIR滤波器的设计400

19.7.1 最小相位对数倒频谱402

19.7 利用最小相位系统的脉冲响应滤波器的设计402

19.7.2 最小相位系统的脉冲响应403

19.7.3 极零型滤波器的系数与脉冲响应的关系403

19.7.4 脉冲响应的修正最小二乘法近似404

19.7.5 滤波器系数的确定404

第二十章 不规则信号分析406

20.1 概率过程406

20.2 概率过程的低维动量406

20.2.1 概率过程的低维动量406

20.2.2 相关函数和共分散函数407

20.3 恒定过程407

20.4 共分散函数的谱表现408

20.5 低维瞬时值和谱密度函数的推断408

20.6 平均值的推断409

20.8.2 采用变形周期图的谱推断410

20.8.1 利用子样共分散函数的变换进行谱推断410

20.8 谱密度函数的推断410

20.7 共分散函数或相关函数的推断410

20.8.3 采用LPC法的谱推断411

20.9 对数谱的推断413

20.9.1 对数周期图413

20.9.2 准同形法414

20.9.3 对数谱的不偏推断法415

第二十一章 声音信号处理417

21.1 声音信号处理的目的417

21.2 声音生成模型417

21.2.1 人的声音生成417

21.2.2 声音生成的数字模型418

21.3 声音的分析合成419

21.3.1 采用PARCOR法的声音分析合成419

21.2.3 声音的参数表示419

21.3.2 利用改良对数倒频谱法的声音分析合成421

21.4 声音的规则合成425

21.4.1 韵律符号生成425

21.4.2 音韵符号系列的生成426

21.4.3 声源参数的生成426

21.4.4 谱包络参数系列的生成426

21.4.5 声源信号的生成427

21.5 声音识别427

21.5.1 特定说话者小词汇单词声音识别系统428

21.5.2 以音素为识别基本单位的连续声音识别系统430

第二十二章 二维信号处理432

22.1 二维信号处理的目的432

22.2 二维信号432

22.3 二维信号的Z变换432

22.5 二维系统的脉冲响应和传递函数433

22.4 二维信号的付里叶变换433

22.6 可循环计算的二维系统434

22.7 二维系统的稳定性435

22.8 二维信号的离散性付里叶变换437

22.9 离散性余弦变换437

22.9.1 一维信号的离散性余弦变换437

22.9.2 二维离散性余弦变换438

22.10 沃尔什-阿达玛变换438

22.10.1 沃尔什函数438

22.10.2 二维信号的沃尔什-阿达玛展开439

22.11 图像处理439

22.11.1 图像的数据压缩439

22.11.2 图像复原440

22.11.3 图像增强440

22.11.4 图像再构441

23.1.1 电桥442

第二十三章 信号的测量及放大442

23.1 电桥与电桥放大器442

23.1.2 电桥放大器444

23.2 高输入阻抗放大器446

23.2.1 自举反馈型高输入阻抗放大器447

23.2.2 高阻抗专用集成放大器449

23.3 电荷放大器450

23.4 频率／电压变换器451

23.5 仪器放大器453

23.5.1 同相串联差动放大器454

23.5.2 同相并联差动放大器454

23.5.3 增益线性可调差动放大器455

23.5.4 高共模抑制比线性放大器455

23.5.5 集成仪器放大器456

23.6.1 闭环状态斩波稳零放大器458

23.6 低漂移放大器458

23.6.2 开环状态斩波稳零放大器460

23.6.3 双通道放大器461

23.6.4 斩波式集成放大器462

23.7 可编程增益放大器466

23.8 隔离放大器468

第二十四章 信号处理电路471

24.1 绝对值转换电路471

24.1.1 线性检波（半波整流）电路471

24.1.2 绝对值（全波整流）电路472

24.2 有效值转换电路474

24.2.1 有效值检测的意义474

24.2.2 有效值检测的原理和方法474

24.2.3 应用对数-反对数技术的有效值转换电路478

24.2.4 模拟式有效值转换电路479

24.2.5 集成有效值芯片480

24.3 峰值保持电路483

24.3.1 峰值测量的意义483

24.3.2 峰值保持电路的工作原理484

24.3.3 低漂移率峰值保持电路485

24.3.4 高速峰值保持电路485

24.3.5 峰-峰值保持电路486

24.4 微弱信号处理487

24.4.1 微弱信号检测的意义487

24.4.2 锁定放大器487

24.4.3 取样积分器495

第二十五章 数据转换及控制500

25.1 D/A转换器及接口500

25.1.1 D/A转换器原理500

25.1.2 D/A转换电路的主要参数502

25.1.3 D/A集成芯片及其典型的输出电路503

25.1.4 D/A转换器与CPU的接口设计504

25.2 A/D转换器及接口507

25.2.1 A/D转换器原理508

25.2.2 A/D转换电路的主要参数511

25.2.3 A/D集成芯片及应用特性511

25.2.4 A/D转换器与CPU的接口设计520

25.2.5 双积分A/D转换器的典型应用524

第二十六章 传感器非线性特性的线性化526

26.1 非线性的类型及表达方式526

26.1.1 指数曲线型非线性特性526

26.1.2 有理代数函数型非线性特性527

26.2 非线性特性的补偿原理528

26.2.1 开环式非线性补偿原理528

26.2.2 闭环式非线性补偿原理530

26.2.3 增益控制式非线性补偿原理532

26.3 工程实用线性化器534

26.3.1 非线性函数放大器534

26.3.2 多功能转换器542

26.3.3 利用微型机的运算器545

第二十七章 传感器的温度补偿548

27.1 温度补偿原理548

27.2 自补偿法549

27.3 并联式温度补偿法549

27.4 电桥温度补偿法551

27.5 热敏电阻温度补偿法554

27.5.1 灵敏度温度补偿554

27.5.2 零电平温度补偿555

27.6 反馈式温度补偿法556

参考文献560