《现代传感器手册：原理、设计及应用（原书第5版）》一书系统全面地提供了关于近20种传感器的理论(物理原理)、设计和实际应用的知识体系。主要涵盖了数据获取、传递函数、传感器特性、感知的物理原理、传感器的光学元件及接口电路等基本原理, 以及人体探测器、位置与位移和水平传感器、速度和加速度传感器、力和力变传感器、压力传感器、流量传感器、声传感器、湿度传感器、光探测器、电离辐射

探测器、温度传感器、化学和生物传感器及传感器材料与技术等领域的技术与应用。结构层次分明, 内容翔实丰富, 希望能为广大读者的学习和研究带来帮助。

    本书可供传感器领域的研发设计人员、应用工程师、技术人员, 以及对现代仪器感兴趣的研究人员使用, 也可供高等院校相关专业本科生及研究生参考。

传感器技术是现代信息产业的三大支柱之一，随着科学技术的飞速发展，传感器也在不断地更新换代并向着自动化程度更高的方向发展。从基础科学的研究到航天航空、生物医学、工业生产、移动通信、智能家居等各领域，传感器都得到了广泛应用。近年来，传感器技术已成为国内高校机械电子学、电子科学与技术、人工智能等专业本科生的必修课程。进入21 世纪，人们越来越亲身感受到没有传感器就没有现代科学技术，传感器技术已成为科学技术和国民经济发展水平的重要标志之一。

    本书由美国Fraden Corp.公司的总裁Jacob Fraden博士编写，他已经在传感器、医疗仪器、安全、能源管理等领域拥有近60项专利。

    本书从原理、设计和应用方面，全面介绍了应用于科学、工业和商业领域的各种传感器，内容新颖，理论性和实用性很强。

    全书内容分为19章。第1章介绍了有关传感器的基础知识；第2章介绍了描述传感器基本特性的方法， 即传递函数；第3章系统性地介绍了传感器的各项特性及要求；第4章介绍了非电量至电量的各种转换的物理原理；第5章介绍了传感器设计中的光学知识；第6章则针对传感器常用的接口电路， 介绍了电信号的测量、放大及转换方法等；第7章~18章重点从应用的角度介绍了各种传感器，包括人体探测器、位置与位移和水平传感器、速度和加速度传感器、力和力变传感器、压力传感器、流量传感器、声传感器、湿度传感器、光探测器、电离辐射探测器、温度传感器、化学和生物传感器；第19 章介绍了制作传感器的各种材料。本书的附录还提供了很多有用的资料， 对读者畅读本书大有益处。

    本书第1章~第8章由北京理工大学宋萍翻译，第9章~第11章由中国仪器进出口集团有限公司潘志强翻译，第12章~第19章及附录由北京理工大学隋丽翻译，全书译稿的统校工作由宋萍和隋丽完成。此外课题组的部分硕士研究生和博士研究生也为本书的翻译提供了帮助，在此表示诚挚的谢意。同时还要感谢机械工业出版社的舒雯编辑、杨明远编辑和雷云辉编辑为本书的出版所付出的辛苦。

    由于译者水平有限，书中难免有错译、误议等不当之处，敬请读者批评指正，在此先致感谢之意。

一、制造技术长盛永恒

先进制造技术的概念是20世纪80年代提出的，它由机械制造技术发展而来。通常可以认为先进制造技术是将机械、电子、信息、材料、能源和管理等方面的技术，进行交叉、融合和集成，综合应用于产品全生命周期的制造全过程，包括市场需求、产品设计、工艺设计、加工装配、检测、销售、使用、维修、报废处理、回收利用等，以实现优质、敏捷、高效、低耗、清洁生产，快速响应市场的需求。因此，当前的先进制造技术以产品为中心，以光机电一体化的机械制造技术为主体，以广义制造为手段，具有先进性和时代感。

制造技术是一个永恒的主题，与社会发展密切相关，是设想、概念、科学技术物化的基础和手段，是所有工业的支柱，是国家经济与国防实力的体现，是国家工业化的关键。现代制造技术是当前世界各国研究和发展的主题，特别是在市场经济高度发展的今天，它更占有十分重要的地位。

信息技术的发展及其被引入到制造技术，使制造技术产生了革命性的变化，出现了制造系统和制造科学。制造系统由物质流、能量流和信息流组成，物质流是本质，能量流是动力，信息流是控制。制造技术与系统论、方法论、信息论、控制论和协同论相结合就形成了新的制造学科。

制造技术的覆盖面极广，涉及机械、电子、计算机、冶金、建筑、水利、电子、运载、农业以及化学、物理学、材料学、管理科学等领域。各个行业都需要制造业的支持，制造技术既有普遍性、基础性的一面，又有特殊性、专业性的一面；既有共性，又有个性。

我国的制造业涉及以下三大领域：

机械、电子制造业，包括机床、专用设备、交通运输工具、机械设备、电子通信设备、仪器等。

资源加工工业，包括石油化工、化学纤维、橡胶、塑料等。

轻纺工业，包括服装、纺织、皮革、印刷等。

目前世界先进制造技术沿着全球化、绿色化、高技术化、信息化、个性化和服务化、集群化六个方向发展，在加工技术上主要有超精密加工技术、纳米加工技术、数控加工技术、极限加工技术、绿色加工技术等，在制造模式上主要有自动化、集成化、柔性化、敏捷化、虚拟化、网络化、智能化、协作化和绿色化等。

二、图书交流源远流长

近年来，国际间的交流与合作对制造业领域的发展、技术进步及重大关键技术的突破起到了积极的促进作用，制造业科技人员需要及时了解国外相关技术领域的最新发展状况、成果取得情况及先进技术应用情况等。

必须看到，我国制造业与工业发达国家相比，仍存在较大差距。因此必须加强原始创新，在实践中继承和创新，学习国外的先进制造技术和经验、引进消化吸收创新，提高自主创新能力，形成自己的创新体系。

国家、地区间的学术、技术交流已有很长的历史，可以追溯到唐朝甚至更远一些，唐玄奘去印度取经可以说是一次典型的图书交流佳话。图书资料是一种传统、永恒、有效的学术、技术交流方式，早在20世纪初期，我国清代学者严复就翻译了英国学者赫胥黎所著的《天演论》，其后学者周建人翻译了英国学者达尔文所著的《物种起源》，对我国自然科学的发展起到了很大的推动作用。

图书是一种信息载体，图书是一个海洋。虽然现在已有网络、光盘、计算机等信息传输和储存手段，但图书更具有广泛性、适应性、系统性、持久性和经济性，看书总比在计算机上看资料要习惯，不同层次的要求可以用不同层次的图书来满足，不同职业的人员可以参考不同类型的技术图书，同时，图书具有比较长期的参考价值和收藏价值。当然，技术图书的交流具有时间上的滞后性，不够及时，翻译的质量也是个关键问题，需要及时、快速、高质量的出版工作支持。

机械工业出版社希望能够在先进制造技术的引进、消化、吸收、创新方面为广大读者做出贡献，为我国的制造业科技人员引进、纳新国外先进制造技术的出版资源，翻译出版国际上优秀的制造业先进技术著作，从而能够提升我国制造业的自主创新能力，引导和推进科研与实践水平的不断进步。

三、选译严谨质高面广

1） 精品重点高质。本套丛书作为我社的精品重点书，在内容、编辑、装帧设计等方面追求高质量，力求为读者奉献一套高品质的丛书。

2） 专家选译把关。本套丛书的选书、翻译工作均由国内相关专业的专家、教授、工程技术人员承担，充分保证了内容的先进性、适用性和翻译质量。

3） 引纳地区广泛。主要从制造业比较发达的国家引进一系列先进制造技术图书，组成一套“国际制造业先进技术译丛”。当然其他国家的优秀制造科技图书也在选择之内。

4） 内容先进丰富。在内容上应具有先进性、经典性、广泛性，应能代表相关专业的技术前沿，对生产实践有较强的指导、借鉴作用。本套丛书尽量涵盖制造业各行业，例如机械、材料、能源等，既包括对传统技术的改进，又包括新的设计方法、制造工艺等技术。

5） 读者层次面广。面对的读者对象主要是制造业企业、科研院所的专家、研究人员和工程技术人员，高等院校的教师和学生，可以按照不同层次和水平要求各取所需。

四、衷心感谢不吝赐教

首先要感谢积极热心支持出版“国际制造业先进技术译丛”的专家学者，积极推荐国外相关优秀图书，仔细评审外文原版书，推荐评审和翻译的知名专家，特别要感谢承担翻译工作的译者，对各位专家学者所付出的辛勤劳动表示深深的敬意。还要感谢国外各出版社版权工作人员的热心支持。

希望本套丛书能对广大读者的工作提供切实的帮助，欢迎广大读者不吝赐教，提出宝贵意见和建议。

机械工业出版社

译丛序言

译者序

前言

第1章　数据获取 1

　1.1　传感器、信号和系统 1

　1.2　传感器的分类 6

　1.3　测量的单位 8

　参考文献 10

第2章　传递函数 11

　2.1　数学模型 11

　　2.1.1　概念 12

　　2.1.2　函数逼近 12

　　2.1.3　线性回归 15

　　2.1.4　多项式逼近 15

　　2.1.5　灵敏度 16

　　2.1.6　线性分段逼近 16

　　2.1.7　样条插值 17

　　2.1.8　多维传递函数 18

　2.2　校准 18

　2.3　参数计算 20

　2.4　激励的计算 22

　　2.4.1　利用解析式 23

　　2.4.2　使用线性分段逼近法 23

　　2.4.3　激励的迭代计算（牛顿法） 25

　参考文献 27

第3章　传感器特性 28

　3.1　用于移动通信设备中的传感器 28

　　3.1.1　MCD传感器的需求 29

　　3.1.2　集成 30

　3.2　量程（满量程输入） 31

　3.3　满量程输出 31

　3.4　精度 32

　3.5　校准误差 34

　3.6　迟滞 35

　3.7　非线性度 36

　3.8　饱和度 37

　3.9　重复性 37

　3.10　死区 38

　3.11　分辨率 38

　3.12　特殊性质 39

　3.13　输出阻抗 39

　3.14　输出格式 39

　3.15　激励 40

　3.16　动态特性 40

　3.17　传感器元件的动态模型 44

　　3.17.1　力学元件 44

　　3.17.2　热学元件 45

　　3.17.3　电学元件 46

　　3.17.4　类比 47

　3.18　环境因素 47

　3.19　可靠性 49

　　3.19.1　MTTF  49

　　3.19.2　极限测试 50

　　3.19.3　加速寿命测试 50

　3.20　应用特性 52

　3.21　不确定性 52

　参考文献 55

第4章　感知的物理原理 56

　4.1　电荷、电场和电势 56

　4.2　电容 62

　　4.2.1　电容器 63

　　4.2.2　介电常数 64

　4.3　磁性 67

　　4.3.1　法拉第定律 69

　　4.3.2　永磁体 71

　　4.3.3　线圈和螺线管 72

　4.4　电磁感应 72

　　4.4.1　楞次定律 76

　　4.4.2　电涡流 76

　4.5　电阻 77

　　4.5.1　电阻率 79

　　4.5.2　电阻的温度灵敏度 80

　　4.5.3　电阻的应变灵敏度 82

　　4.5.4　电阻的湿度灵敏度 84

　4.6　压电效应 84

　　4.6.1　压电陶瓷材料 87

　　4.6.2　高分子压电薄膜 90

　4.7　热释电效应 91

　4.8　霍尔效应 96

　4.9　热电效应 98

　　4.9.1　泽贝克效应 98

　　4.9.2　佩尔捷效应 102

　4.10　声波 103

　4.11　材料的温度和热性质 105

　　4.11.1　温标 106

　　4.11.2　热膨胀 107

　　4.11.3　热容 108

　4.12　热传递 109

　　4.12.1　热传导 110

　　4.12.2　热对流 112

　　4.12.3　热辐射 112

　参考文献 120

第5章　传感器的光学元件 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　几何光学 126

　5.4　辐射测量 127

　5.5　光度测量 131

　5.6　窗口 133

　5.7　反射镜 134

　　5.7.1　涂层反射镜 135

　　5.7.2　棱镜 136

　5.8　透镜 136

　　5.8.1　曲面透镜 137

　　5.8.2　菲涅耳透镜 138

　　5.8.3　平面纳米透镜 140

　5.9　光纤光学和波导 141

　5.10　光学效率 144

　　5.10.1　透镜效应 144

　　5.10.2　集中器 145

　　5.10.3　吸热涂层 146

　　5.10.4　抗反射涂层 147

　参考文献 148

第6 章　接口电路 149

　6.1　信号调节器 150

　　6.1.1　输入特性 151

　　6.1.2　放大器 155

　　6.1.3　运算放大器 155

　　6.1.4　电压跟随器 157

　　6.1.5　电荷-电压转换器和电流-电压转换器 157

　　6.1.6　光-电压转换器 159

　　6.1.7　电容-电压转换器 160

　　6.1.8　闭环电容-电压转换器 162

　6.2　传感器的连接 164

　　6.2.1　比例电路 164

　　6.2.2　差分电路 166

　　6.2.3　惠斯通电桥 167

　　6.2.4　零点平衡电桥 169

　　6.2.5　电桥放大器 170

　6.3　激励电路 171

　　6.3.1　电流发生器 172

　　6.3.2　电压发生器 174

　　6.3.3　基准电压源 176

　　6.3.4　振荡器 176

　6.4　A-D转换器 177

　　6.4.1　基本概念 177

　　6.4.2　V-F转换器 179

　　6.4.3　PWM转换器 182

　　6.4.4　R-F转换器 183

　　6.4.5　逐次逼近转换器 184

　　6.4.6　分辨率扩展 185

　　6.4.7　A-D转换器接口 187

　6.5　集成接口 188

　　6.5.1　电压处理器 189

　　6.5.2　电感处理器 189