传感器技术 侯劲 传感特性 智能传感 传感测量 传感电路 机械制造及自动化等专业开设的传感器与检测技术传感器技术等课程应

本书注重传感器技术的结构性和完整性，第1章和第2章介绍传感器的基本概念、现状和发展趋势以及传感器的特性；第3章～第11章主要介绍制造工程常用参数检测所涉及的传感器，如电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器，同时也系统地介绍了磁电式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、化学及生物传感器和辐射式传感器；第12章介绍智能传感器中的嵌入式技术和智能传感器的数据处理等；第13章根据设计选择和数据分析的需要，对误差理论和测量数据的处理也进行了详细介绍。
本书结构合理，逻辑清晰，可作为自动化、物联网工程、测控技术及仪器、电气工程及其自动化、电子信息工程、机械制造及自动化等专业所开设的“传感器与检测技术”“传感器技术”等课程的教材，亦可供相关专业的工程技术人员和研究人员参考。

无

第1章 绪论 1
本章思维导图 1
本章学习目标 2
1.1 传感器的定义 2
1.2 传感器的结构 2
1.3 传感器分类 3
1.4 现状与发展 4
1.4.1 研究现状 4
1.4.2 发展趋势 6
思考题与习题 7

第2章 传感器的特性 8
本章思维导图 8
本章学习目标 9
2.1 传感器的静态特性 9
2.1.1 线性度 9
2.1.2 迟滞 13
2.1.3 重复性 13
2.1.4 灵敏度与灵敏度误差 13
2.1.5 分辨力（率）与阈值 14
2.1.6 稳定性 14
2.1.7 静态误差 15
2.2 传感器的动态特性 15
2.2.1 数学模型与传递函数 16
2.2.2 传感器的动态响应 17
2.3 传感器的标定与选用 23
2.3.1 传感器的检定、标定与校准 23
2.3.2 传感器的选用 25
思考题与习题 26

第3章 电阻应变式传感器 28
本章思维导图 28
本章学习目标 29
3.1 电阻应变式传感器的工作原理 29
3.1.1 应变效应 29
3.1.2 电阻应变片的种类 31
3.1.3 电阻应变片的特性 33
3.1.4 温度误差及补偿 36
3.2 电阻应变片的测量电路 40
3.2.1 直流电桥 40
3.2.2 交流电桥 47
3.3 应变式传感器的典型应用 49
3.3.1 电阻应变式力传感器 49
3.3.2 其他方面的应用 52
思考题与习题 55

第4章 电容式传感器 56
本章思维导图 56
本章学习目标 57
4.1 工作原理与类型 57
4.1.1 变极距型电容式传感器 58
4.1.2 变面积型电容式传感器 61
4.1.3 变介电常数型电容式传感器 64
4.2 电容式传感器的转换电路 69
4.2.1 调频电路 70
4.2.2 运算放大器电路 71
4.2.3 变压器式交流电桥 71
4.2.4 二极管双T型电桥 73
4.2.5 脉冲宽度调制型电路 74
4.3 电容式传感器的特点及应用 76
4.3.1 电容式传感器的特点 76
4.3.2 电容式传感器的应用 77
思考题与习题 82

第5章 电感式传感器 84
本章思维导图 84
本章学习目标 85
5.1 自感式传感器 85
5.1.1 工作原理 85
5.1.2 灵敏度及非线性（输出特性） 86
5.1.3 等效电路和转换电路 90
5.1.4 零点残余电压 94
5.1.5 自感式传感器的应用 94
5.2 差动变压器式（互感式）传感器 95
5.2.1 工作原理 95
5.2.2 等效电路及其特性 97
5.2.3 零点残余电压的补偿 100
5.2.4 变压器式传感器的应用举例 102
5.3 电涡流式传感器 103
5.3.1 工作原理 103
5.3.2 转换电路 104
5.3.3 电涡流式传感器的特点及应用 105
思考题与习题 107

第6章 磁电式传感器 108
本章思维导图 108
本章学习目标 109
6.1 磁电感应式传感器 109
6.1.1 工作原理和结构类型 109
6.1.2 磁电感应式传感器的基本特性 111
6.1.3 磁电感应式传感器的测量电路 112
6.1.4 磁电感应式传感器应用 112
6.2 霍尔式传感器 114
6.2.1 工作原理 115
6.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 117
6.2.3 霍尔元件的主要特性参数 117
6.2.4 霍尔元件的误差及补偿 118
6.2.5 霍尔式传感器的应用 120
思考题与习题 122

第7章 压电式传感器 123
本章思维导图 123
本章学习目标 124
7.1 压电式传感器的工作原理 124
7.1.1 压电效应 124
7.1.2 压电材料 125
7.1.3 压电元件变形方式 129
7.2 等效电路和测量电路 129
7.2.1 压电式传感器的等效电路 129
7.2.2 压电式传感器的测量电路（前置放大器） 131
7.3 压电式传感器的应用 134
7.3.1 压电式加速度传感器 134
7.3.2 PVDF声发射传感器 134
7.3.3 纺织基柔性压电式触觉传感器 135
思考题与习题 135

第8章 热电式传感器 136
本章思维导图 136
本章学习目标 137
8.1 热电阻传感器 137
8.1.1 热电阻传感器的工作原理 137
8.1.2 铂电阻 138
8.1.3 铜电阻 140
8.1.4 热电阻的测量电路 140
8.2 热敏电阻传感器 142
8.3 热电偶传感器 143
8.3.1 热电效应 143
8.3.2 热电偶基本定律 149
8.3.3 热电偶材料及常用热电偶 150
8.3.4 热电偶测温线路 151
8.3.5 热电偶参考端温度 154
8.4 热电阻、热电偶传感器的应用 159
8.4.1 装配热电阻 159
8.4.2 铠装热电阻 160
8.4.3 装配热电偶 160
8.4.4 铠装热电偶 160
8.4.5 温度变送器 161
思考题与习题 162

第9章 光电式传感器 163
本章思维导图 163
本章学习目标 164
9.1 光的特性与光电效应 164
9.1.1 光的特性 164
9.1.2 光电效应 164
9.1.3 各种光电器件的参数 165
9.2 光电传感器件 166
9.2.1 光电管 166
9.2.2 光电倍增管 166
9.2.3 光敏电阻 167
9.2.4 光敏二极管和光敏晶体管 169
9.2.5 光电池 171
9.2.6 光电耦合器件 172
9.3 电荷耦合器件（CCD） 173
9.4 光纤传感器 175
9.5 光电式传感器的应用 178
思考题与习题 181

第10章 化学及生物传感器 183
本章思维导图 183
本章学习目标 184
10.1 化学传感器 184
10.1.1 气体传感器 184
10.1.2 湿度传感器 188
10.1.3 离子传感器 190
10.1.4 化学传感器的应用 190
10.2 生物传感器 192
10.2.1 生物传感器的概述 192
10.2.2 几种常用的生物传感器 196
10.3 生物传感器的应用 198
思考题与习题 200

第11章 辐射式传感器 202
本章思维导图 202
本章学习目标 203
11.1 红外传感器 203
11.1.1 红外传感器的工作原理 203
11.1.2 红外传感器的应用 206
11.2 核辐射传感器 208
11.2.1 核辐射及其防护 209
11.2.2 核辐射检测器 210
11.2.3 核辐射传感器的应用 211
思考题和习题 213

第12章 智能传感器 215
本章思维导图 215
本章学习目标 216
12.1 智能传感器的定义 216
12.2 智能传感器中的嵌入式技术 217
12.3 智能传感器中的数据处理 221
12.3.1 数据采集 221
12.3.2 数据滤波 223
12.3.3 特征提取 225
12.3.4 数据融合 226
12.4 智能传感器数据处理中的机器学习技术 227
12.4.1 机器学习技术对智能传感器的影响 227
12.4.2 机器学习的分类 228
12.4.3 主流监督学习算法简介 228
12.4.4 深度学习神经网络简介 230
12.4.5 典型的深层神经网络的结构 232
12.5 智能传感器的基本结构与应用实例 233
12.5.1 智能传感器的基本结构 233
12.5.2 智能传感器的应用实例 234
思考题与习题 238

第13章 测量误差与数据处理 239
本章思维导图 239
本章学习目标 240
13.1 精度与误差 240
13.1.1 精度 240
13.1.2 误差 240
13.2 误差与精度的表示 241
13.2.1 误差的表示 241
13.2.2 精度的表示 242
13.3 测量数据的处理 243
13.3.1 系统误差的处理 243
13.3.2 随机误差的处理 245
13.3.3 粗大误差的处理 249
13.4 间接测量中误差的传递 251
13.5 回归分析法 252
13.5.1 单回归分析 253
13.5.2 多关联参数的基本处理方法 253
13.5.3 一般线性回归分析 256
13.6 不确定度和有效数字 257
13.6.1 不确定度 257
13.6.2 有效数字 259
思考题与习题 260

参考文献 262

党的二十大报告指出，要建设现代化产业体系，坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。实施产业基础再造工程和重大技术装备攻关工程，支持专精特新企业发展，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。其中，制造强国、高端装备等重点工作都与智能制造相关，可以说，智能制造是我国从制造大国转向制造强国、构建中国制造业全球优势的主要路径。
制造业是一个国家的立国之本、强国之基，历来是世界各主要工业国高度重视和发展的重要领域。改革开放以来，我国综合国力得到稳步提升，到2011年中国工业总产值全球第一，分别是美国、德国、日本的120%、346%和235%。党的十八大以来，我国进入了新时代，发展的格局更为宏大，“一带一路”倡议和制造强国战略使我国工业正在实现从大到强的转变。我国不但建立了全球最为齐全的工业体系，而且在许多重大装备领域取得突破，特别是在三代核电、特高压输电、特大型水电站、大型炼化工、油气长输管线、大型矿山采掘与炼矿综采重点工程建设项目、重大成套装备、高端装备、航空航天等领域取得了丰硕成果，补齐了短板，打破了国外垄断，解决了许多“卡脖子”难题，为推动重大技术装备高质量发展，实现我国高水平科技自立自强奠定了坚实基础。进入新时代的十年，制造业增加值从2012年的16.98万亿元增加到2021年的31.4万亿元，占全球比重从20%左右提高到近30%；500种主要工业产品中，我国有四成以上产量位居世界第一；建成全球规模最大、技术领先的网络基础设施……一个个亮眼的数据，一项项提气的成就，勾勒出十年间大国制造的非凡足迹，标志着我国迎来从“制造大国”“网络大国”向“制造强国”“网络强国”的历史性跨越。
最早提出智能制造概念的是美国人P.K.Wright，他在其1988年出版的专著Manufacturing Intelligence（《制造智能》）中，把智能制造定义为“通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产”。当然，因为智能制造仍处在发展阶段，各种定义层出不穷，国内外有不同专家给出了不同的定义，但智能机器、智能传感、智能算法、智能设计、解决制造过程中不确定问题的智能方法、智能维护是智能制造的核心关键词。
从人才培养的角度而言，实现智能制造还任重道远，人才紧缺的局面很难在短时间内扭转，相关高校师资力量也不足。据不完全统计，近五年来，全国有300多所高校开办了智能制造专业，其中既有双一流高校，也有许多地方院校和民办高校，人才培养定位、课程体系、教材建设、实践环节都面临一系列问题，严重制约着我国智能制造业未来的长远发展。在此情况下，如何培养出适应不同行业、不同岗位要求的智能制造专业人才，是许多开设该专业的高校面临的首要难题。
智能制造的特点决定了其人才培养模式区别于其他传统工科：首先，智能制造是跨专业的，其所涉及的知识几乎与所有工科门类有关；其次，智能制造是跨行业的，其核心技术不仅覆盖所有制造行业，也适用于某些非制造行业。因此，智能制造人才培养既要考虑本校专业特色，又不能脱离社会对智能制造人才的需求，既要遵循教育的基本规律，又要创新教育体系和教学方法。在课程设置中要充分考虑以下因素：
* 考虑不同类型学校的定位和特色；
* 考虑学生已有知识基础和结构；
* 考虑适应某些行业需求，如流程制造、离散制造、混合制造等；
* 考虑适应不同生产模式，如多品种小批量生产、大批量生产等；
* 考虑让学生了解智能制造相关前沿技术；
* 考虑兼顾应用型、技能型、研究型岗位需求等。
改革开放40多年来，我国的高等教育突飞猛进，高等教育的毛入学率从1978年的1.55%提高到2021年的57.8%，进入了普及化教育阶段，这就意味着高等教育担负的历史使命、受教育的对象都发生了深刻的变化。面对地方应用型高校生源差异化大的现状，因材施教，做好智能制造应用型人才培养，满足高校智能制造应用型人才培养的教材需求就是本系列教材的使命和定位。
要解决好这个问题，首先要有一个好的定位，有一个明确的认识，这套教材定位于智能制造应用型人才培养需求，就是要解决应用型人才培养的知识体系如何构造，智能制造应用型人才的课程内容如何搭建。我们知道，应用型高校学生培养的主要目的是为应用型学科专业的学生打牢一定的理论功底，为培养德才兼备、五育并举的应用型人才服务，因此在课程体系、基础课程、专业教育、实践能力培养上与传统综合性大学和“双一流”学校比较应有不同的侧重，应更着眼于学生的实用性需求，应满足社会对应用技术人才的需求，满足社会实际生产和社会实际发展的需求，更要考虑这些学校学生的实际，也就是要面向社会发展需求，为社会各行各业培养“适销对路”的专业人才。因此，在人才培养的过程中，对实践环节的要求更高，要非常注重理论和实践相结合。据此，在应用型人才培养模式的构建上，从培养方案、课程体系、教学内容、教学方式、教材建设上都应注重应用型人才培养的规律，这正是我们编写这套智能制造相关专业教材的目的。
这套教材的突出特色有以下几点：
① 定位于应用型。这套教材不仅有适应智能制造应用型人才培养的专业主干课程和选修课程教材，还有基于机械类专业向智能制造转型的专业基础课教材，专业基础课教材的编写中以应用为导向，突出理论的应用价值。在编写中引入现代教学方法和手段，结合教学软件和工业仿真软件，使理论教学更为生动化、具象化，努力实现理论课程通向专业教学的桥梁作用。例如，在制图课程中较多地使用工业界成熟设计软件，使学生掌握比较扎实的软件设计能力；在工程力学教学中引入有限元软件，实现设计计算的有限元化；在机械设计中引入模块化设计的概念；在控制工程中引入MATLAB仿真和计算机编程内容，实现基础教学内容的更新和对专业教育的支撑，凸显应用型人才培养模式的特点。
② 专业教材突出实用性、模块化、柔性化。智能制造技术是利用先进的制造技术，以及数字化、网络化、智能化等知识和控制理论来解决制造过程中不确定和非固定模式的问题，使得制造过程具有智能的技术，它的特点是综合性和知识内涵的丰富性以及知识本身的创新性。因此，在教材建设上与以前传统的知识技术技能模式应有大的区别，更应注重对学生理念、意识、认知、思维方式和系统解决问题能力的培养。同时考虑到各行业、各地和各校发展阶段和实际办学水平的不同，希望这套教材尽可能为各校合理选择教学内容提供一个模块化、积木式结构，并在实际编写中尽量提供项目化案例，以便学校根据具体情况做柔性化选择。
③ 本系列教材注重数字资源建设，更多地采用多媒体的互动方式，如配套课件、教学视频、测试题等，使教材呈现形式多样化，数字内容更为丰富。
由于编写时间紧张，智能制造技术日新月异，编写人员专业水平有限，书中难免有不当之处，敬请读者及时批评指正。

高等院校智能制造人才培养系列教材建设委员会