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《現代感測器手冊：原理、設計及應用（原書第5版）》一書系統全面地提供了關於近20種感測器的理論(物理原理)、設計和實際應用的知識體系。主要涵蓋了資料獲取、傳遞函數、感測器特性、感知的物理原理、感測器的光學元件及介面電路等基本原理, 以及人體探測器、位置與位移和水準感測器、速度和加速度感測器、力和力變感測器、壓力感測器、流量感測器、聲感測器、濕度感測器、光探測器、電離輻射探測器、溫度感測器、化學和生物感測器及感測器材料與技術等領域的技術與應用。結構層次分明, 內容翔實豐富, 希望能為廣大讀者的學習和研究帶來幫助。
本書可供感測器領域的研發設計人員、應用工程師、技術人員, 以及對現代儀器感興趣的研究人員使用, 也可供高等院校相關專業本科生及研究生參考。
第1章資料獲取 1
1.1感測器、信號和系統 1
1.2感測器的分類 6
1.3測量的單位 8
參考文獻 10
第2章傳遞函數 11
2.1數學模型 11
2.1.1概念 12
2.1.2函數逼近 12
2.1.3線性回歸 15
2.1.4多項式逼近 15
2.1.5靈敏度 16
2.1.6線性分段逼近 16
2.1.7樣條插值 17
2.1.8多維傳遞函數 18
2.2校準 18
2.3參數計算 20
2.4激勵的計算 22
2.4.1利用解析式 23
2.4.2使用線性分段逼近法 23
2.4.3激勵的反覆運算計算（牛頓法） 25
參考文獻 27
第3章感測器特性 28
3.1用於移動通信設備中的感測器 28
3.1.1MCD感測器的需求 29
3.1.2集成 30
3.2量程（滿量程輸入） 31
3.3滿量程輸出 31
3.4精度 32
3.5校準誤差 34
3.6遲滯 35
3.7非線性度 36
3.8飽和度 37
3.9重複性 37
3.10死區 38
3.11解析度 38
3.12特殊性質 39
3.13輸出阻抗 39
3.14輸出格式 39
3.15激勵 40
3.16動態特性 40
3.17感測器元件的動態模型 44
3.17.1力學元件 44
3.17.2熱學元件 45
3.17.3電學元件 46
3.17.4類比 47
3.18環境因素 47
3.19可靠性 49
3.19.1MTTF 49
3.19.2極限測試 50
3.19.3加速壽命測試 50
3.20應用特性 52
3.21不確定性 52
參考文獻 55
第4章感知的物理原理 56
4.1電荷、電場和電勢 56
4.2電容 62
4.2.1電容器 63
4.2.2介電常數 64
4.3磁性 67
4.3.1法拉第定律 69
4.3.2永磁體 71
4.3.3線圈和螺線管 72
4.4電磁感應 72
4.4.1楞次定律 76
4.4.2電渦流 76
4.5電阻 77
4.5.1電阻率 79
4.5.2電阻的溫度靈敏度 80
4.5.3電阻的應變靈敏度 82
4.5.4電阻的濕度靈敏度 84
4.6壓電效應 84
4.6.1壓電陶瓷材料 87
4.6.2高分子壓電薄膜 90
4.7熱釋電效應 91
4.8霍爾效應 96
4.9熱電效應 98
4.9.1澤貝克效應 98
4.9.2佩爾捷效應 102
4.10聲波 103
4.11材料的溫度和熱性質 105
4.11.1溫標 106
4.11.2熱膨脹 107
4.11.3熱容 108
4.12熱傳遞 109
4.12.1熱傳導 110
4.12.2熱對流 112
4.12.3熱輻射 112
參考文獻 120
第5章感測器的光學元件 123
5.1光 123
5.1.1光子能量 123
5.1.2光的偏振 124
5.2光的散射 125
5.3幾何光學 126
5.4輻射測量 127
5.5光度測量 131
5.6窗口 133
5.7反射鏡 134
5.7.1塗層反射鏡 135
5.7.2棱鏡 136
5.8透鏡 136
5.8.1曲面透鏡 137
5.8.2菲涅耳透鏡 138
5.8.3平面納米透鏡 140
5.9光纖光學和波導 141
5.10光學效率 144
5.10.1透鏡效應 144
5.10.2集中器 145
5.10.3吸熱塗層 146
5.10.4抗反射塗層 147
參考文獻 148
第6 章介面電路 149
6.1信號調節器 150
6.1.1輸入特性 151
6.1.2放大器 155
6.1.3運算放大器 155
6.1.4電壓跟隨器 157
6.1.5電荷-電壓轉換器和電流-電壓轉換器 157
6.1.6光-電壓轉換器 159
6.1.7電容-電壓轉換器 160
6.1.8閉環電容-電壓轉換器 162
6.2感測器的連接 164
6.2.1比例電路 164
6.2.2差分電路 166
6.2.3惠斯通電橋 167
6.2.4零點平衡電橋 169
6.2.5電橋放大器 170
6.3激勵電路 171
6.3.1電流發生器 172
6.3.2電壓發生器 174
6.3.3基準電壓源 176
6.3.4振盪器 176
6.4A-D轉換器 177
6.4.1基本概念 177
6.4.2V-F轉換器 179
6.4.3PWM轉換器 182
6.4.4R-F轉換器 183
6.4.5逐次逼近轉換器 184
6.4.6解析度擴展 185
6.4.7A-D轉換器介面 187
6.5集成介面 188
6.5.1電壓處理器 189
6.5.2電感處理器 189
6.6資料傳輸 190
6.6.1雙線傳輸 190
6.6.2四線傳輸 191
6.7感測器和電路的雜訊 192
6.7.1固有雜訊 192
6.7.2傳輸雜訊 195
6.7.3電遮罩 199
6.7.4旁路電容 201
6.7.5磁遮罩 202
6.7.6機械雜訊 203
6.7.7接地層 204
6.7.8接地環路與接地隔離 205
6.7.9澤貝克雜訊 206
6.8低功耗感測器電池 207
6.8.1原電池 208
6.8.2蓄電池 209
6.8.3 電容器 209
6.9能量收集 210
6.9.1光能收集 210
6.9.2遠場能量收集 211
6.9.3近場能量收集 212
參考文獻 212
第7 章人體探測器 214
7.1超聲波探測器 215
7.2微波運動探測器 218
7.3微功率脈衝雷達 223
7.4探 達 225
7.5線性光學感測器 226
7.6電容式佔用探測器 229
7.7靜電探測器 232
7.8光電運動探測器 234
7.8.1感測器的結構 234
7.8.2多探測元件 236
7.8.3複雜的感測器形狀 236
7.8.4圖像失真 236
7.8.5面元聚焦元件 237
7.8.6可見光和近紅外光運動探測器 238
7.8.7中紅外和遠紅外運動探測器 240
7.8.8被動紅外運動探測器 240
7.8.9被動紅外探測器效率分析 243
7.9光感感測器 246
7.9.1光電束 246
7.9.2光反射感測器 247
7.10壓力梯度感測器 248
7.11二維定位裝置 250
7.12姿態感知（3D定位） 251
7.12.1慣性與陀螺滑鼠 252
7.12.2光學姿態感測器 252
7.12.3近場姿態感測器 252
7.13觸覺感測器 254
7.13.1開關式觸覺感測器 255
7.13.2壓電式觸覺感測器 255
7.13.3壓阻式觸覺感測器 258
7.13.4觸覺MEMS 感測器 260
7.13.5電容式觸覺感測器 261
7.13.6光學接觸感測器 263
7.13.7光學指紋感測器 265
參考文獻 266
第8 章位置、位移和水準感測器 269
8.1電位器式感測器 270
8.2壓阻式感測器 273
8.3電容式感測器 275
8.4電感式感測器和磁感測器 278
8.4.1線性差動變壓器和旋轉差動變壓器 278
8.4.2橫向電感式感測器 280
8.4.3電渦流感測器 281
8.4.4路面感應環形線圈 282
8.4.5金屬探測器 283
8.4.6霍爾感測器 284
8.4.7磁阻式感測器 289
8.4.8磁致伸縮探測器 291
8.5光學感測器 292
8.5.1光橋 292
8.5.2偏振光接近探測器 292
8.5.3棱鏡和反射感測器 294
8.5.4法布裡-珀羅感測器 295
8.5.5光纖光柵感測器 297
8.5.6光柵光強調製器 299
8.6厚度感測器和液位感測器 300
8.6.1燒蝕感測器 300
8.6.2薄膜感測器 302
8.6.3低溫液位感測器 304
參考文獻 305
第9 章速度和加速度感測器 307
9.1速度感測器 309
9.1.1線速度感測器 309
9.1.2轉速感測器（轉速計） 310
9.2慣性旋轉感測器 311
9.2.1轉子陀螺儀 312
9.2.2振動陀螺儀 313
9.2.3光學（鐳射） 陀螺儀 315
9.3慣性線性感測器（加速度感測器） 317
9.3.1轉換理論與特性 318
9.3.2傾角儀 321
9.3.3地震感測器 323
9.3.4電容式加速度感測器 324
9.3.5壓阻式加速度感測器 327
9.3.6壓電式加速度感測器 327
9.3.7熱加速度感測器 328
9.3.8力平衡加速度感測器 331
參考文獻 332
第10 章力和應變感測器 334
10.1基本條件 334
10.2應變計 336
10.3壓敏薄膜 338
10.4壓電式力感測器 340
10.5壓電電纜 343
10.6光學力感測器 345
參考文獻 346
第11 章壓力感測器 348
11.1壓強的概念 348
11.2壓強的單位 349
11.3水銀壓力感測器 350
11.4波紋管、波紋膜和薄板 351
11.5壓阻式感測器 352
11.6電容式感測器 356
11.7可變磁阻式壓力感測器 357
11.8光電壓力感測器 359
11.9間接壓力感測器 360
11.10真空感測器 361
11.10.1皮拉尼真空計 362
11.10.2電離真空計 364
11.10.3氣體阻力計 364
參考文獻 365
第12 章流量感測器 367
12.1流體動力學基礎 367
12.2壓力梯度技術 369
12.3熱傳導式感測器 371
12.3.1熱絲式風速感測器 372
12.3.2三部件熱式流量感測器 374
12.3.3兩部件熱式流量感測器 376
12.3.4微流熱傳導式感測器 379
12.4超聲波式感測器 380
12.5電磁式感測器 383
12.6微風速感測器 384
12.7寇里奧利品質流量感測器 385
12.8阻力流量感測器 387
12.9懸臂式MEMS感測器 388
12.10煙塵探測器 388
12.10.1電離探測器 389
12.10.2光學探測器 390
參考文獻 392
第13 章聲學感測器 394
13.1傳聲器的特性 395
13.1.1輸出阻抗 395
13.1.2平衡輸出 395
13.1.3靈敏度 395
13.1.4頻率回應 396
13.1.5固有雜訊 396
13.1.6方向性 397
13.1.7鄰近效應 399
13.2電阻式傳聲器 400
13.3電容式傳聲器 400
13.4駐極體傳聲器 402
13.5光學傳聲器 403
13.6壓電式傳聲器 405
13.6.1低頻範圍 406
13.6.2超聲波範圍 407
13.7動圈式傳聲器 409
參考文獻 410
第14 章濕度感測器 412
14.1濕度的定義 412
14.2濕度感測器的原理 415
14.3電容式濕度感測器 416
14.4電阻式濕度感測器 418
14.5熱導式感測器 419
14.6光學濕度計 420
14.6.1冷鏡 420
14.6.2光相對濕度感測器 421
14.7振盪濕度計 422
14.8土壤濕度監測器 423
參考文獻 425
第15章光學探測器 427
15.1簡介 427
15.2光敏二極體 431
15.3光電晶體 435
15.4光敏電阻 437
15.5冷卻式探測器 439
15.6可見光範圍的成像感測器 441
15.6.1CCD感測器 442
15.6.2CMOS感測器 443
15.7UV探測器 444
15.7.1材料與設計 444
15.7.2雪崩UV探測器 445
15.8輻射熱測器 447
15.8.1概述 447
15.8.2高萊探測器 449
15.8.3熱電堆溫度感測器 449
15.8.4熱釋電感測器 454
15.8.5微測輻射熱計 458
參考文獻 461
第16 章電離輻射探測器 463
16.1閃爍探測器 464
16.2電離探測器 467
16.2.1電離腔 467
16.2.2比例腔 468
16.2.3蓋革-米勒計數器 468
16.2.4半導體探測器 470
16.3雲室與氣泡室 473
參考文獻 475
第17 章溫度感測器 476
17.1與物體的耦合 476
17.1.1靜態熱交換器 476
17.1.2動態熱交換 480
17.1.3感測器結構 482
17.1.4感測器回應的信號處理 483
17.2溫度參考點 485
17.3電阻式溫度探測器 486
17.4陶瓷熱敏電阻 487
17.4.1簡單模型 488
17.4.2Fraden模型 490
17.4.3Steinhart-Hart模型 492
17.4.4NTC熱敏電阻的自熱效應 494
17.4.5陶瓷正溫度係數熱敏電阻 497
17.4.6陶瓷負溫度係數熱敏電阻的製造 500
17.5鍺和矽熱敏電阻 501
17.6半導體PN結感測器 504
17.7矽正溫度係數溫度感測器 507
17.8熱電式感測器 509
17.8.1熱電定律 510
17.8.2熱電偶電路 512
17.8.3熱電偶組件 515
17.9光學溫度感測器 516
17.9.1螢光感測器 517
17.9.2干涉儀感測器 518
17.9.3超高解析度溫度感知 518
17.9.4熱致變色感測器 519
17.9.5光纖溫度感測器 519
17.10聲波溫度感測器 520
17.11壓電溫度感測器 521
參考文獻 522
第18 章化學和生物感測器 525
18.1概述 525
18.1.1化學感測器 525
18.1.2生化感測器 526
18.2歷史 526
18.3化學感測器的特性 527
18.3.1選擇性 528
18.3.2靈敏度 529
18.4電和電化學感測器 530
18.4.1電極系統 531
18.4.2電位型感測器 532
18.4.3電導型感測器 533
18.4.4金屬氧化物半導體化學感測器 537
18.4.5彈性體化學電阻 538
18.4.6化學電容感測器 541
18.4.7化學場效應電晶體 542
18.5光電離探測器 544
18.6物理感測器 545
18.6.1聲波器件 545
18.6.2微懸臂梁 548
18.7光譜儀 549
18.7.1離子遷移光譜測定法 550
18.7.2四極杆質譜儀 551
18.8熱感測器 552
18.8.1概念 552
18.8.2Pellister催化感測器 552
18.9光感測器 553
18.9.1紅外探測 553
18.9.2光纖傳感器 554
18.9.3比率選擇計（脈衝血氧儀） 555
18.9.4變色感測器 558
18.10多感測器陣列 559
18.10.1通用條件 559
18.10.2電子鼻和電子舌 559
18.11具體困難 562
參考文獻 563
第19 章感測器材料與技術 571
19.1材料 571
19.1.1傳感材料：矽 571
19.1.2塑膠 574
19.1.3金屬 577
19.1.4陶瓷 579
19.1.5結構玻璃 580
19.1.6光學玻璃 580
19.2納米材料 582
19.3表面處理 583
19.3.1旋轉塗膜法 584
19.3.2真空沉積 584
19.3.3濺射 585
19.3.4化學氣相沉積 586
19.3.5電鍍 587
19.4微機電系統技術 588
19.4.1光刻 589
19.4.2矽微機械加工 589
19.4.3橋和懸臂梁的微機械加工 592
19.4.4剝離 594
19.4.5晶片鍵合 595
19.4.6LIGA技術 595
參考文獻 596
附錄 597
