传感器、执行器及接口原理与应用（原书第2版）（上册） [美] 内森·艾达_[美]内森·艾达（NathanIda）_9787111774358

完全版（即英文原版）共12章，首先揭示了感知和驱动的一般性和问题，并根据检测领域详细介绍了七大类传感器、执行器的感知和执行原理，同时涵盖微机电系统、智能传感器的相关内容，以及接口和接口所需的电路，最后重点介绍了作为通用控制器的微处理器。中文版将完全版分为上、下册出版，上册对应完全版第1~7章，下册对应第8~12章。本书为上册，主要涵盖绪论、传感器和执行器的性能特征、温度传感器和热执行器、光学传感器和执行器、电磁传感器和执行器、机械传感器和执行器以及声学传感器和执行器的相关内容，并提供完整的附录和对应章节习题的参考答案等。

前　　言
完全版的主题是感知和驱动。乍一看，似乎没有什么比这更简单了我们可能认为自己知道什么是传感器，也理所当然地知道什么是执行器。但我们是否会自认为对它们了如指掌，以至于实际生活中忽视了它的存在？实际上，我们周围有成千上万的设备属于这两大类。在第1章中，仅在汽车一个例子中就列出了许多传感器和执行器，大约是200个，并且这仅仅是部分列表！此处采用的方法是将所有设备分为三类：传感器、执行器和处理器（接口）。传感器是为系统提供输入的设备，执行器是作为输出的设备。在它们之间，处理器起到连接、接口、处理和驱动的作用。换句话说，完全版主张的观点是一种普遍的感知和驱动。从这个意义上讲，墙上的开关是一个传感器（力传感器），而由其打开的灯泡是一个执行器（它进行了操作）。在两者之间，有一个处理器导线束，或者，如果使用调光器，那么处理器就会作为一个实际的电子电路它解释输入数据并对其进行处理。在这种情况下，处理器可能仅仅是导线束，而在其他情况下，它可能是微处理器或整个计算机系统。
挑战
感知和驱动过程贯穿了整个科学和工程领域。感知和驱动的原理来源于人类知识所涉及的各个方面，有时除了最专业的专家外，其他人对此都不了解，并且感知与驱动的原理是相融合的。一个传感器跨越两个或更多学科的情况并不少见。以红外传感器为例，它的制造方法可能多种多样，其中一种方法是测量红外辐射产生的温升。因此，生产红外传感器需要制造多个半导体热电偶，并测量它们相对于参考温度的温升。这不是一个特别复杂的传感器，但如果要完全理解它，人们至少需要借助传热学、光学和半导体的理论。此外，还必须考虑使其工作所需的电子设备与控制器（例如微处理器）的接口。因此，想要详尽地涵盖所有原理和理论是十分困难的。所以我们以一种务实的方法介绍传感器和执行器的应用，并适时地对某些问题给出适当的解释。也就是说，我们常常将设备视为具有输入和输出的黑盒，并对其输入和输出进行操作，而不关注黑盒内部的物理结构和详细操作。然而，完全忽略黑盒也不行：用户必须足够详细地了解其所涉及的原理、所使用的材料以及传感器和执行器的结构。完全版足够详细，可以使读者对原理有适度的了解。
为了弥合传感器和执行器理论与其应用之间的鸿沟，并深入了解感知和驱动的设计，我们注意到大多数传感器都有电输出，而大多数执行器都有电输入。实际上，传感器和执行器中的所有接口问题本质上都是电气问题。这意味着要理解和使用这些设备，尤其是要将它们连接起来并集成到一个系统中，需要电气工程方面的知识。相反，感知量涉及工程的各个方面，电气工程师会发现机械、生物和化学工程问题必须与电气工程问题一起考虑。完全版是为所有工程师和所有对感知和驱动感兴趣的人编写的。每个学科领域的读者都会在其中找到熟悉的内容和其他需要学习的内容。实际上，当今的工程师必须吸收各种学科知识或进行团队合作以完成跨学科的任务。然而，并不是所有的传感器或执行器都是电动的，有些是与电无关的。测定肉内层温度的温度计能够感测温度（传感器）并显示温度（执行器），但不涉及任何电信号。双金属片的膨胀使表盘抵住弹簧，因此整个过程是机械式的。类似地，汽车中的真空电动机能够以完全机械的方式打开空调通风口。
多学科方法
在每一章中，都会给出一些不同领域的示例，以强调所讨论的问题。许多示例是基于实际实验的，有些是基于仿真的，有些是处理理论问题的。在每一章的结尾都有一系列习题，进一步扩展该章的内容，并探讨与主题相关的细节和应用。我已尽力使示例和习题真实、适用且相关，同时仍然保持每个习题的重点和独立。由于该学科的独特性，即涉及多学科内容，学生将可能使用自己不熟悉的单位。为了缓解这种困难，我在第1章中用一节的篇幅来介绍单位。一些包含陌生单位的章节也会对这些单位及其之间的转换进行定义。通常的规则是使用国际单位制，但有时也会定义和使用常用单位（如PSI或电子伏特），因为它们也被广泛使用着。
内容结构
完全版首先揭示了感知和驱动的一般特性和问题。然后，将七大类传感器按检测领域进行分组。例如，将那些基于声波的传感器和执行器从音频麦克风到声表面波（SAW），包括超声波设备组合在一起。同样，将基于温度和热量的传感器和执行器组合在一起，这种分组方案不代表任何排他性。虽然光学传感器可以很好地使用热电偶进行感知，但是它被归类为光学传感器，并与光学传感器一起讨论。类似地，辐射传感器可以使用半导体进行感知，但其功能是检测辐射，因此将它按这种方式进行分类和讨论。之后介绍微机电系统（MEMS）和智能传感器的内容。最后则专门讨论接口和接口所需的电路，重点介绍作为通用控制器的微处理器。下面是各章的详细内容介绍。
完全版共12章。第1章是绪论。在简短地回顾历史之后，定义各种术语，包括传感器、换能器和执行器。然后，介绍传感器的分类问题，并简要讨论感知和驱动策略以及接口的一般要求。
第2章讨论传感器和执行器的性能特征。我们将讨论传递函数、量程、灵敏度和灵敏度分析、误差、非线性以及频率响应、精度和其他特性，包括可靠性、响应、动态范围和迟滞问题。在这一点上，讨论是具有一般性的，尽管给出的示例依赖于实际的传感器和执行器。
第3~9章介绍各种设备，从第3章中的温度传感器和热执行器开始讨论。首先介绍热阻式传感器，包括金属电阻温度检测器、硅电阻传感器和热敏电阻。接下来是热电式传感器和执行器。我们将讨论金属结、半导体热电偶以及佩尔捷电池，它们既是传感器又是执行器。然后介绍PN结温度传感器和热机械器件，以及热执行器。温度传感器的一个有趣的方面是，在许多常见的应用中，传感器和执行器是同一个，尽管这种二元性并不局限于热设备。所有的双金属传感器都是这种类型的，其应用在恒温器、温度计和MEMS中，这一主题将在第10章中进行扩展。
第4章的主题是光学传感中的重要问题。首先通过光导效应以及硅基传感器（包括光电二极管、晶体管和光伏传感器）对热传感器和基于量子的传感器进行讨论。光电池、光电倍增管和电荷耦合器件（CCD）传感器是第二个重要的类别，其次是基于热量的光学传感器，包括热电堆、红外传感器、热释电传感器和辐射热计。虽然人们很少想到光学执行器，但它们确实存在，在本章的最后将介绍光学执行器。
在第5章中，我们将介绍电磁传感器和执行器。很多设备都属于这一类，因此，本章涉及的内容相当广泛。首先将介绍电和电容设备，然后介绍磁性设备。我们将在这里讨论各种传感器和执行器，包括位置、接近度和位移传感器，以及磁力计、速度和流量传感器。所涉及的原理包括霍尔效应和磁致伸缩效应，并将其与更常见的效应一起讨论。本章对电动机和螺线管的讨论相当广泛，涵盖许多磁驱动原理，同时也讨论了电容执行器。
第6章专门介绍机械传感器和执行器。经典应变计是一种通用设备，用于检测力以及应变和应力的相关量，但它也用于加速度计、称重单元和压力传感器。加速度计、力传感器、压力传感器和惯性传感器占据了本章的大部分篇幅。机械执行器的例子有波登管、波纹管和真空电动机等。
第7章讨论声学传感器和执行器。我们所说的声学传感器和执行器是指基于弹性的类声波的传感器和执行器，其中包括基于磁性、电容及压电原理的麦克风和水听器、经典扬声器、超声波传感器和执行器、压电执行器，以及SAW器件。因此，虽然声学可能意味着声波，但这里的频率范围是从接近零到几吉赫（GHz）。
化学传感器和执行器是最常见、最普遍的，遗憾的是，它们也是大多数工程师最不了解的设备。因此，第8章将详细讨论这些内容，重点对生物传感器进行介绍。本章对现有的化学传感器进行了详细介绍，包括电化学传感器、电位传感器、热化学传感器、光化学传感器和质量传感器。化学驱动比通常人们所想象的要普遍得多，因此不容忽视。执行器包括催化转化、电镀、阴极保护等。
第9章介绍辐射传感器。除了经典的电离传感器，我们还将进行更加广泛的讨论，包括非电离和微波辐射。本章，我们将讨论反射传感器、透射传感器和谐振传感器。因为任何天线都可以辐射能量，所以它可以作为执行器来影响特定的任务，如手术期间的烧灼、癌症或低体温症的低频治疗，以及微波烹饪和加热。
第10章的主题是MEMS传感器和执行器以及智能传感器和执行器。与前几章有所不同，本章除了讨论传感器类别以外，还将讨论传感器的生产方法。本章将首先给出一些传感器的生产方法，然后是一些常见类别的传感器和执行器，包括惯性与静电传感器和执行器、光学开关、阀门等。在智能传感器的背景下，本章强调与无线传输、调制、编码、传感器网络以及射频识别（RFID）方法相关的问题。本章还将介绍一些纳米传感器的基础知识，并对此类传感器的未来和预期发展进行展望。
第11章和第12章主要介绍接口的相关内容。第11章介绍许多适用于接口的常见电路。首先是运算放大器及其广泛的应用，然后是与执行器配合使用的功率放大器和脉宽调制电路，接着是关于数字电路的介绍，包括基本原理和一些有用的电路。在讨论电桥电路和数据传输方法之前，A/D和D/A转换的各种形式，包括电压到频率和频率到电压的转换器，都遵循这些原理。11.8节将讨论线性电源、开关电源、电流源、参考电压和振荡器。11.9节将介绍能量收集的思想和需求，能量收集是某些感知和驱动应用的核心。本章最后将讨论噪声和干扰。第12章介绍微处理器及其在连接传感器和执行器中的作用。虽然重点放在8位微处理器上，但所讨论的问题具有一般性，适用于所有微处理器。在这最后一章中，我们将讨论微处理器的架构、存储器和外围设备、接口的一般要求，以及信号、分辨率和误差的特性。
局限性
我们并没有过多地讨论系统，而是将传感器/执行器作为独立组件进行重点讨论，这些设备对于工程师来说是有用的基本构建模块。例如，磁共振成像是一种非常有用的系统，用于医疗诊断和化学分析，这类诊断和化学分析依赖于感知体内或溶液中分子（通常是氢）的进动。但是，该系统非常复杂，并且它的操作与这种复杂性有着十分内在的联系，以至于进动原理不能真正在低水平上使用。讨论这种类型的系统需要讨论辅助问题，包括超导性、均匀强磁场的产生、DC和脉冲、高频磁场之间的相互作用，以及原子级的激发和进动问题。所有这些都很有趣也很重要，但它们超出了本书的范围。另一个例子是雷达。一个无处不在的系统，但又需要许多额外的部件才能运行和使用，尽管在较低的层次上它与手电筒以及我们的眼睛没有什么不同，手电筒发出光束（执行器），眼睛接收反射（传感器）。我们将根据类似雷达的电磁波反射原理来讨论传感器，而无须讨论雷达如何工作。
总结
完全版已经出版多年，我收到了来自电气、机械、土木、化学和生物医学工程专业本科生和研究生的大量反馈。第1版的大部分文字是在2009年秋季、2010年夏季和2011年夏季期间每天往返于法国巴黎和里尔的火车（行程230km，速度超过300km/h）上完成的。第2版在第1版的基础上进行了扩展，例如，补充了仿真、RFID及其与感知的关系、生物传感器、适合于感知和驱动的能量收集、关于纳米传感器及其未来发展前景的讨论，以及许多其他内容。此外，增加了更多的示例和章末习题，并进行了大量修订以更好地反映各章的主题以及自第1版出版以来发生的变化。
我利用了各种各样的资源，但大部分材料，包括所有的示例、习题、电路和图片，都来自我自己和我的学生在传感器和执行器方面的工作。书中提及实验数据处，均已进行了实验，数据是专门为给定的示例或非常接近的问题而收集的。仿真是工程各个方面的重要课题，基于这个原因，一些示例和习题依赖于或假设了仿真配置，特别是在第11章中。在示例和习题中，我尽可能地从实际出发，而不是不必要地使问题复杂化，在某些情况下，还不得不采取简化措施。然而，许多示例和习题可以作为更复杂的开发的起点，甚至也可以作为在实验室或扩展项目中实施的起点。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Nathan Ida

译者序
前言
出版商致谢
第1章　绪论/1　　
　　1.1　引言/2
　　1.2　相关历史简录/3
　　1.3　定义/4
　　1.4　传感器和执行器的分类/12
　　1.5　接口的一般要求/15
　　1.6　单位/17
　　　1.6.1　基本SI单位/17
　　　1.6.2　派生单位/18
　　　1.6.3　补充单位/19
　　　1.6.4　常用单位/19
　　　1.6.5　前缀/20
　　　1.6.6　其他单位和度量/21
　　　1.6.7　单位使用惯例/23
　　1.7　习题/24
　　参考文献/26
第2章　传感器和执行器的性能特征/27　　
　　2.1　引言/27
　　2.2　输入/输出特性/28
　　　2.2.1　传递函数/28
　　　2.2.2　阻抗和阻抗匹配/30
　　　2.2.3　范围、量程、输入和输出满量程、分辨率，以及动态范围/33
　　　2.2.4　准确度、误差和重复性/36
　　　2.2.5　灵敏度和灵敏度分析/38
　　　2.2.6　迟滞、非线性和饱和度/44
　　　2.2.7　频率响应、响应时间和带宽/48
　　　2.2.8　校准/50
　　　2.2.9　激励/51
　　　2.2.10　死区/51
　　　2.2.11　可靠性/51
　　2.3　仿真/52
　　2.4　习题/53
第3章　温度传感器和热执行器/60　　
　　3.1　引言/60
　　3.2　热阻式传感器/62
　　　3.2.1　电阻温度探测器/62
　　　3.2.2　硅电阻传感器/71
　　　3.2.3　热敏电阻/73
　　3.3　热电式传感器/76
　　　3.3.1　实际考虑/82
　　　3.3.2　半导体热电偶/87
　　　3.3.3　热电堆和热传导发电机/88
　　3.4　PN结温度传感器/90
　　3.5　其他温度传感器/93
　　　3.5.1　光学和声学传感器/93
　　　3.5.2　热机械传感器和执行器/94
　　3.6　习题/101
第4章　光学传感器和执行器/111　　
　　4.1　引言/112
　　4.2　光学单位/113
　　4.3　材料/114
　　4.4　光辐射的影响/114
　　　4.4.1　热效应/114
　　　4.4.2　量子效应/114
　　4.5　基于量子的光学传感器/118
　　　4.5.1　光导传感器/119
　　　4.5.2　光电二极管/123
　　　4.5.3　光伏二极管/127
　　　4.5.4　光电晶体管/130
　　4.6　光电传感器/132
　　　4.6.1　光电传感器原理/132
　　　4.6.2　光电倍增管/132
　　4.7　电荷耦合传感器和探测器/134
　　4.8　基于热量的光学传感器/137
　　4.9　有源远红外传感器/143
　　4.10　光学执行器/144
　　4.11　习题/145
第5章　电磁传感器和执行器/153　　
　　5.1　引言/153
　　5.2　单位/154
　　5.3　电场：电容传感器和执行器/156
　　　5.3.1　电容式位置、接近度和位移传感器/158
　　　5.3.2　电容式液位传感器/162
　　　5.3.3　电容执行器/164
　　5.4　磁场：传感器和执行器/168
　　　5.4.1　电感传感器/173
　　　5.4.2　霍尔效应传感器/182
　　5.5　磁流体力学传感器和执行器/188
　　　5.5.1　磁流体力学发生器或传感器/188
　　　5.5.2　磁流体力学泵或执行器/189
　　5.6　磁阻效应和磁阻传感器/191
　　5.7　磁阻传感器和磁致伸缩执行器/193
　　5.8　磁力计/198
　　　5.8.1　线圈磁力计/198
　　　5.8.2　磁通门磁力计/200
　　　5.8.3　超导量子干涉仪/202
　　5.9　磁执行器/203
　　　5.9.1　音圈执行器/204
　　　5.9.2　作为执行器的电动机/207
　　　5.9.3　磁螺线管执行器和电磁阀/222
　　5.10　电压和电流传感器/224
　　　5.10.1　电压检测/225
　　　5.10.2　电流检测/227
　　　5.10.3　电阻传感器/230
　　5.11　习题/232
第6章　机械传感器和执行器/247　　
　　6.1　引言/247
　　6.2　一些定义和单位/248
　　6.3　力传感器/249
　　　6.3.1　应变计/249
　　　6.3.2　半导体应变计/252
　　　6.3.3　其他应变计/257
　　　6.3.4　力和触觉传感器/257
　　6.4　加速度计/262
　　　6.4.1　电容式加速度计/262
　　　6.4.2　应变计加速度计/264
　　　6.4.3　电磁加速度计/264
　　　6.4.4　其他加速度计/266
　　6.5　压力传感器/268
　　　6.5.1　机械压力传感器/268
　　　6.5.2　压阻式压力传感器/272
　　　6.5.3　电容式压力传感器/275
　　　6.5.4　电磁压力传感器/275
　　6.6　速度感知/276
　　6.7　惯性传感器：陀螺仪/280
　　　6.7.1　机械或转子陀螺仪/280
　　　6.7.2　光学陀螺仪/282
　　6.8　习题/284
第7章　声学传感器和执行器/295　　
　　7.1　引言/295
　　7.2　单位和定义/296
　　7.3　弹性波及其性质/299
　　　7.3.1　纵波/300
　　　7.3.2　剪切波/306
　　　7.3.3　表面波/306
　　　7.3.4　兰姆波/307
　　7.4　麦克风/307
　　　7.4.1　碳麦克风/307　　　
　　　7.4.2　磁性麦克风/308
　　　7.4.3　带状麦克风/309
　　　7.4.4　电容式麦克风/310
　　7.5　压电效应/312
　　　7.5.1　电致伸缩/315
　　　7.5.2　压电传感器/315
　　7.6　声学执行器/317
　　　7.6.1　扬声器/317
　　　7.6.2　耳机和蜂鸣器/321
　　7.7　超声波传感器和执行器：换能器/324
　　　7.7.1　脉冲回波操作/327
　　　7.7.2　磁致伸缩换能器/330
　　7.8　压电执行器/330
　　7.9　压电谐振器和声表面波器件/334
　　7.10　习题/338
附录　/347　　
　　附录A　最小二乘多项式与数据拟合/347
　　附录B　热电参考表/350
　　附录C　微处理器上的计算/365参考答案/373
元素周期表/382

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