新型传感技术与应用

第 1章 绪论 1 1.1 测量的基本概念与意义 1 1.1.1 测量的基本定义 1 1.1.2 测量的作用 2 1.1.3 测量和计量 3 1.1.4 量值传递与量子测量 4 1.2 测量方式 8 1.2.1 直接和间接测量 8 1.2.2 开环与闭环测量 8 1.2.3 能量变换型与能量控制型测量 9 1.2.4 接触式与非接触式测量 9 1.2.5 静态与动态测量 9 1.3 测量与传感器的关系 10 1.3.1 传感测量系统 10 1.3.2 传感器的校准与标定 10 1.4传感器测量系统概述 11 1.4.1基本组成与选用原则 11 1.4.2主要评价指标 12 1.4.3主要发展趋势 13 1.5传感器的概述 14 1.5.1作用与功能 14 1.5.2分类形式 14 1.5.3技术特点 15 1.5.4发展方向 16 习题 17 第 2章 传感器的静态与动态特性 18 2.1传感器的静态标定 18 2.1.1 静态响应模型 18 2.1.2 静态标定条件 19 2.1.3 传感器的静态特性 20 2.2 传感器的主要静态性能指标 21 2.2.1 测量范围与量程 21 2.2.2 静态灵敏度 21 2.2.3 分辨力与分辨率 21 2.2.4 时漂与温漂 21 2.2.5 线性度 22 2.2.6 符合度 23 2.2.7 迟滞与非线性迟滞 24 2.2.8 重复性 25 2.2.9 综合误差 26 2.3传感器输入输出特性的动态模型 27 2.3.1 微分方程 27 2.3.2 传递函数 28 2.3.3 状态方程 28 2.4传感器的主要动态性能指标 29 2.4.1 频域动态性能指标 29 2.4.2 时域动态性能指标 32 习题 34 第3章 传感器敏感材料 35 3.1 敏感材料的定义与分类 35 3.2典型的敏感材料 36 3.2.1 半导体材料 36 3.2.2 巨磁阻材料 43 3.2.3 聚合物薄膜 45 3.2.4 压电材料 48 3.2.5 柔性材料 51 3.2.6 二维材料 55 3.2.7 量子材料 58 习题 59 第4章 石墨烯传感器 60 4.1 石墨烯传感器的分类与发展趋势 60 4.1.1 石墨烯传感器的分类 60 4.1.2 石墨烯传感器的发展趋势 61 4.2 石墨烯的基本性质 62 4.2.1 力学性质 62 4.2.2 光学性质 63 4.2.3 热学性质 64 4.2.4 电学性质 64 4.2.5 石墨烯用于传感器的材料优势 65 4.3 石墨烯柔性力敏传感器 66 4.3.1概述 66 4.3.2 石墨烯柔性力敏传感器的结构 66 4.3.3 石墨烯柔性力敏传感器的应用 68 4.4石墨烯膜光纤F-P声压传感器 71 4.4.1 声压敏感模型 71 4.4.2 石墨烯膜F-P声压探头制作 72 4.4.3声压传感测试 74 4.5 氧化石墨烯光纤F-P湿度传感器 75 4.5.1 氧化石墨烯的湿敏性质 75 4.5.2 氧化石墨烯膜F-P探头的制备 75 4.5.3 湿度敏感实验与分析 77 习题 80 第5章 织物传感器 81 5.1 织物传感器的概述 81 5.1.1 织物传感器的定义与分类 81 5.1.2 织物传感器的应用特点 82 5.1.3 织物传感器的发展趋势 83 5.2 织物传感器的敏感材料 84 5.2.1 本征导电材料基纺织品 86 5.2.2 导电聚合物纤维 86 5.2.3 纳米碳基导电材料 89 5.2.4 高导电复合材料 90 5.3 织物传感器的结构制作 91 5.3.1 织物传感器的结构形式 91 5.3.2 织物传感器的设计制作 92 5.4 典型的织物传感器 93 5.4.1 力敏织物传感器 93 5.4.2 光敏织物传感器 97 5.4.3 湿敏织物传感器 99 5.4.4温敏织物传感器 102 习题 104 第6章 谐振式传感器 105 6.1谐振式传感器概述 105 6.1.1谐振式传感器的定义 105 6.1.2谐振式传感器的特点 107 6.1.3谐振式传感器的发展趋势 107 6.2谐振敏感元件的激励方式 108 6.2.1静电激励 108 6.2.2压电激励 109 6.2.3电磁激励 111 6.2.4热激励 113 6.3谐振式传感器检测方式 113 6.3.1压阻检测 114 6.3.2压电检测 114 6.3.3电容检测 115 6.3.4光检测 116 6.4典型的谐振式传感器 117 6.4.1谐振梁式加速度传感器 117 6.4.2谐振筒式压力传感器 118 6.4.3硅微角速率传感器 120 6.4.4谐振式质量流量传感器 122 6.4.5声表面波气体传感器 123 6.4.6 石墨烯光纤谐振式压力传感器 125 思考题与习题 126 第7章 无线传感器网络 127 7.1 无线传感器网络概述 127 7.2 无线传感器和传感器网络 129 7.2.1 无线传感器网络架构和设计 129 7.2.2 无线传感器网络的体系结构 131 7.2.3 无线集成网络传感器 133 7.2.4 无线传感器网络的安全技术 134 7.3 分布式传感器网络技术 136 7.3.1 分布式传感器网络的特点 136 7.3.2 分布式传感器网络的体系结构 138 7.4 多传感器信息融合技术 139 7.4.1 多传感器信息融合技术的发展 139 7.4.2 多传感器信息融合的结构形式 140 7.4.3 多传感器信息融合的算法 142 7.4.4 多传感器信息融合的新技术与发展方向 144 7.5 无线传感器网络的典型应用 146 7.5.1 无线传感器网络在健康监护中的应用 146 7.5.2 无线传感监测网络在煤矿安全监测的应用 148 7.6 无线传感器网络的发展趋势 149 思考题与习题 149 第8章 传感信号的数据采集技术 151 8.1 数据采集的基本知识 151 8.1.1 数据采集的基本概念与系统组成 151 8.1.2 采样定理与混频现象 153 8.1.3 采样方式的分类 157 8.1.4量化与量化误差 158 8.1.5 编码 161 8.2 数据采集的输入通道设计 162 8.2.1 集成运算放大器 162 8.2.2 有源滤波器 164 8.2.3 测量放大器 166 8.2.4 模拟多路开关 167 8.2.5 采样保持器 169 8.2.6 模/数转换器 171 8.3 典型的数据采集技术 172 8.3.1 基于PCI总线的数据采集 172 8.3.2 基于USB总线的数据采集 176 8.3.3 基于LabVIEW的数据采集 179 8.3.4 基于ZigBee无线传感网络的数据采集 182 思考题与习题 185 第9章 测量数据的误差与不确定度评价 186 9.1 测量误差概述 186 9.1.1 测量误差的定义 186 9.1.2误差的分类 187 9.1.3 误差的来源 191 9.2 测量结果的评价处理 192 9.2.1 测量结果的评价 192 9.2.2 测量结果的数据处理 194 9.3 测量结果的不确定度评价 195 9.3.1 测量不确定度的评定方法 195 9.3.2 测量结果的不确定度报告 200