传感器原理与应用

前言 教学建议 第1章传感器基础 1 1.1传感器的概念 1 1.1.1传感器的定义 1 1.1.2传感器技术的特点 2 1.1.3传感器技术的发展趋势 3 1.2传感器的组成 5 1.2.1传感器的一般组成 5 1.2.2敏感元件 5 1.2.3转换元件 6 1.2.4转换电路 6 1.3传感器的分类 7 1.3.1传感器的分类依据 7 1.3.2传感器的分类方法 7 1.4传感器的工作原理 8 1.4.1物理型传感器的工作原理 8 1.4.2化学型传感器的工作原理 9 1.4.3生物型传感器的工作原理 10 1.4.4能量控制型传感器的工作原理 11 1.4.5能量转换型传感器的工作原理 11 1.5传感器的应用 11 1.5.1传感器的应用领域 11 1.5.2传感器的应用举例 13 习题16 参考文献 16 第2章无线传感器及无线传感器网络 17 2.1无线传感器节点的硬件组成 17 2.2无线传感器节点的能耗控制 18 2.2.1无线传感器节点能耗控制的原理 18 2.2.2无线传感器节点能耗控制的方法 20 2.3无线传感器操作系统TinyOS 21 2.3.1TinyOS的特点和体系结构 21 2.3.2TinyOS的编程语言nesC 21 2.3.3TinyOS传感器应用程序示例 22 2.4无线传感器数据库TinyDB 24 2.4.1TinyDB的原理及组成 24 2.4.2TinyDB的特征 26 2.4.3使用TinyDB进行数据处理 27 2.5无线传感器实例——Mica系列 29 2.5.1Mica 29 2.5.2Mica2 29 2.5.3Micaz 30 2.6无线传感器网络 30 2.6.1无线传感器网络的原理、组成及应用 30 2.6.2无线传感器网络的特点 31 2.6.3无线传感器网络的协议 33 习题2 35 参考文献 35 第3章光纤传感器 36 3.1光纤传感器的定义与分类 36 3.1.1光纤传感器的定义 36 3.1.2光纤传感器的分类 37 3.2光纤传感器的原理 38 3.2.1光纤的工作原理和结构 38 3.2.2光纤传感器的工作原理 40 3.2.3光纤传感器的特性 41 3.3典型光纤传感器 42 3.3.1光纤加速度传感器 42 3.3.2光纤速度传感器 43 3.3.3光纤压力传感器 44 3.3.4光纤温度传感器 44 3.3.5光纤声音传感器 45 3.3.6光纤光电传感器 46 3.3.7光纤图像传感器 46 3.4分布式光纤传感器 47 3.4.1分布式光纤传感器的概念 47 3.4.2时域分布式光纤传感器的原理 47 3.4.3分布式光纤传感器的类型 48 3.4.4分布式光纤传感器的应用 50 3.5MEMS传感器 50 3.5.1MEMS传感器的分类 50 3.5.2MEMS传感器的原理和结构 51 3.5.3MEMS传感器的特性 58 3.5.4MEMS传感器的应用 59 3.6光纤传感器的封装 59 3.6.1光纤传感器的封装技术 59 3.6.2光纤光栅应变传感器的封装 61 3.6.3光纤光栅温度传感器的封装 64 习题3 67 参考文献 68 第4章成像传感器 69 4.1成像传感器的物理基础 69 4.1.1成像传感器简介 69 4.1.2光导摄像管的物理基础 70 4.1.3固态摄像器件的物理基础 71 4.1.4热红外成像的物理基础 71 4.2成像传感器的原理 73 4.2.1MOS电容器 73 4.2.2CCD的基本机构和原理 74 4.2.3热红外成像原理 76 4.3成像传感器器件 79 4.3.1电荷耦合器件 79 4.3.2电荷注入器件 80 4.3.3CMOS摄像器件 81 4.3.4线列CCD成像传感器 82 4.3.5面阵CCD成像传感器 83 4.3.6CCD成像传感器的主要特性参数 84 4.3.7CCD成像传感器的应用 85 4.3.8微光CCD成像传感器 88 4.3.9特殊CCD的发展 89 习题4 90 参考文献 90 第5章其他传感器 91 5.1化学传感器 91 5.1.1化学传感器的基本概念和原理 91 5.1.2化学传感器的主要类型 92 5.1.3化学传感器的特点 94 5.1.4化学传感器的发展趋势 95 5.1.5化学传感器的应用 96 5.2压电式传感器 96 5.2.1压电效应和压电材料 96 5.2.2压电式传感器的特点 100 5.2.3压电式传感器的应用 100 5.3磁敏感传感器 101 5.3.1霍尔传感器 101 5.3.2磁敏二极管和磁敏三极管 105 5.3.3磁敏感传感器的应用 107 5.4生物传感器 108 5.4.1生物传感器的原理、特点及分类 108 5.4.2几种生物传感器及其分类 110 5.4.3生物传感器的应用 114 习题5 115 参考文献 115 第6章传感器的信号处理 116 6.1信号处理概述 116 6.1.1信号的引出 116 6.1.2补偿电路 117 6.1.3放大电路 119 6.2传感器信号引出 119 6.2.1电荷放大器 119 6.2.2射极跟随器 122 6.2.3电桥放大器 124 6.3信号补偿电路 127 6.3.1非线性补偿 127 6.3.2温度补偿 131 习题6 132 参考文献 133 第7章传感器的数据处理 134 7.1nesC语言 134 7.1.1nesC简介 134 7.1.2接口 135 7.1.3组件 136 7.1.4模块 137 7.1.5配件 138 7.1.6并发操作 139 7.1.7nesC应用程序的分析 139 7.2数据融合 141 7.2.1数据融合的概念 141 7.2.2数据融合的原理 141 7.2.3通用数据融合方法 142 习题7 144 参考文献 145 第8章传感器的数据通信 146 8.1通信模块的组成 146 8.1.1通信模块的组成原理 146 8.1.2通信模块的主要功能 147 8.1.3常用传感器通信模块 148 8.2主要通信协议 163 8.2.1ZigBee 163 8.2.2UWB 167 8.2.3蓝牙 172 8.2.4近场通信 175 习题8 180 参考文献 180 第9章传感器的应用 182 9.1基于无线传感器的网络协同智能交通系统 182 9.1.1数据融合技术在体域医学无线传感器网络中的应用 183 9.1.2协同信息处理技术在智能交通车车无线通信中的应用 184 9.1.3协同信息处理技术在智能交通车路无线通信中的应用 184 9.2建筑物健康监测无线传感器网络系统及信息处理技术 185 9.2.1建筑物无线传感器健康监测概述 185 9.2.2信息处理技术在无线传感器健康监测网络中的应用 186 9.3基于RVM的多功能自确认水质检测传感器 187 9.3.1RVM原理介绍 187 9.3.2基于RVM的传感器故障诊断和数据恢复 187 习题9 189 参考文献 190 附录“传感器原理与应用”课程实验教学大纲 19