智能傳感器技術

本書主要介紹智能傳感器與通信、智能信息處理、無線傳感器網絡與工業物聯網等方面內容，詳細介紹了智能感知系統的原理、設計方案及關鍵技術。本書分為兩個部分，第一部分介紹傳感器相關知識，第二部介紹基於傳感器構建的物聯網系統及應用。智能傳感技術是智能製造和物聯網的先行技術，作為前端感知工具，具有非常重要的意義，既可以助推傳統產業的升級，又可以對創新應用進行推動。基於本書內容，學生可以學習一個完整的智能感知系統的設計與應用實例，並進行實踐與開發。



陳雯柏，教授，博士生導師，北京市中青年骨幹教師、青年拔尖人才，中國人工智能學會理事、傑出會員，北京人工智能學會監事，中國教育發展戰略學會人工智能與機器人教育專委會常務理事，北京信息科技大學青年教學名師、勤信學者、智能檢測與模式識別研究所所長、智能檢測國防科技創新團隊帶頭人，獲北京高等學校優秀專業課（基礎課）主講教師、北京市教學成果獎、中國指揮與控制學會科技進步獎、吳文俊人工智能科技進步獎。主要研究方向是機器感知與模式識別、人工智能與機器人。

李鄧化，教授，博士生導師，享受國務院特殊津貼，首都勞動獎章獲得者，北京市三八紅旗手，北京市優秀教師，北京市教學名師，北京市師德標兵。主要研究方向是智能檢測與傳感器。

何斌，高級工程師，某研究院計量測試中心副總工程師，長期從事測試計量技術研究及儀器研發。

蘇明燈，北京走向智能科技創新中心主任，國家發改委產業經濟與技術經濟研究所課題專家，長期致力於工業互聯網、產業智能化研究。

劉輝翔，博士，副教授，主要從事智能感知、機器學習方面的教學和科研工作，參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金委面上項目等多項縱向科研項目，發表SCI論文十余篇。

第0章緒論
0.1智慧製造簡介
0.1.1智慧製造的概念
0.1.2智慧製造關鍵技術
0.2智慧製造發展與應用
0.2.1智慧製造發展
0.2.2智慧製造應用
.3工業4.與中國製造225
0.3.1工業4.
0.3.2中國製造225
0.4智慧製造與智慧傳感

第1篇感測器與感測器系統
第1章檢測技術基礎
1.1感測器與智慧檢測
1.1.1感測器與智慧檢測概述
1.1.2感測器的基本特性
1.1.3感測器校準與標定方法
1.2測量誤差與資料處理基礎
1.2.1測量誤差及其分類
1.2.2系統誤差的消除方法
1.2.3隨機誤差及其估算
1.2.4測量結果的資料處理
1.3智慧檢測系統
1.3.1資料獲取
1.3.2輸入/輸出通道

第2章資料處理基礎
2.1特徵工程
2.1.1特徵選擇
2.1.2特徵提取
2.2資料分析與機器學習
2.2.1模式分類
2.2.2回歸預測
2.2.3聚類分析
 
第3章熱敏元件、溫度感測器及應用
3.1熱電偶
3.1.1熱電效應
3.1.2熱電偶的基本法則
3.1.3熱電偶冷端溫度及其補償
3.2熱電阻
3.2.1鉑電阻
3.2.2銅熱電阻
3.2.3其他熱電阻
3.3熱敏電阻
3.3.1NTC熱敏電阻的溫度特性
3.3.2NTC熱敏電阻的溫度係數
3.3.3NTC熱敏電阻的伏安特性
3.3.4NTC熱敏電阻的安時特性

第4章應變式電阻感測器及應用
4.1應變式電阻感測器的工作原理
4.2測量電路
4.2.1直流電橋
4.2.2交流電橋
4.3應變式感測器的溫度特性
4.3.1使應變片產生熱輸出的因素
4.3.2電阻應變片的溫度補償方法
4.4應變式電阻感測器的應用
4.4.1幾種常見的彈性敏感元件的應變值ε與外作用力F之間的關係
4.4.2應變式電阻感測器的應用

第5章電感式感測器及應用
5.1變磁阻式感測器
5.1.1工作原理
5.1.2輸出特性
5.1.3測量電路
5.1.4變磁阻式感測器的應用
5.2差動變壓器式感測器
5.2.1工作原理
5.2.2基本特性
5.2.3差動變壓器式感測器測量電路
5.2.4差動變壓器式感測器的應用
5.3電渦流式感測器
5.3.1工作原理
5.3.2基本特性
5.3.3電渦流形成範圍
5.3.4電渦流式感測器的應用

第6章電容式感測器及應用
6.1電容式感測器的工作原理和結構
6.1.1變極距型電容式感測器
6.1.2變面積型電容式感測器
6.1.3變介質型電容式感測器
6.2電容式感測器的靈敏度和非線性
6.3電容式感測器的信號調節電路
6.3.1運算放大器式電路
6.3.2電橋電路
6.4電容器式感測器的應用
6.4.1電容式位移感測器
6.4.2電容式荷重感測器
6.4.3電容式壓力感測器

第7章壓電式感測器及應用
7.1壓電效應 
7.1.1壓電材料的主要特性參數
7.1.2壓電晶體的壓電效應
7.1.3壓電陶瓷的壓電效應
7.2壓電方程
7.2.1電場為零
7.2.2應力為零
7.3電荷放大器
7.3.1電荷放大器的輸出電壓
7.3.2實際電荷放大器的運算誤差
7.3.3電荷放大器的下限截止頻率
7.3.4電荷放大器的雜訊及漂移特性
7.4壓電式感測器的應用
7.4.1壓電式加速度感測器
7.4.2壓電式壓力感測器

第8章光電與光纖傳感器及應用
8.1光電效應
8.1.1外光電效應
8.1.2內光電效應
8.2光敏電阻
8.2.1光敏電阻的原理和結構
8.2.2光敏電阻的主要參數和基本特性
8.2.3光敏電阻與負載的匹配
8.3光電池
8.3.1光電池的結構原理
8.3.2基本特性
8.3.3光電池的轉換效率及最佳負載匹配
8.4光敏二極體和光敏三極管
8.4.1光敏管的結構和工作原理
8.4.2光敏管的基本特性
8.4.3光敏晶體電路的分析方法
8.5光電感測器的類型及應用
8.5.1光電感測器的類型
8.5.2應用 
8.6光纖傳感器
8.6.1光導纖維導光的基本原理
8.6.2光纖傳感器及其應用

第9章超聲波/鐳射/紅外感測器
9.1超聲波感測器的工作原理
9.1.1超聲波的激發
9.1.2超聲波的接收
9.1.3超聲波的特性
9.2鐳射/紅外感測器
9.2.1鐳射感測器的基本概念
9.2.2紅外感測器的基本概念
9.3超聲波感測器的應用
9.3.1超聲波測距
9.3.2超聲波測流速
9.3.3超聲波探傷
9.4鐳射感測器的主要應用
9.4.1鐳射測長
9.4.2鐳射測距
9.4.3鐳射測振
9.5紅外感測器的主要應用
9.5.1紅外測溫儀
9.5.2紅外線氣體分析儀

第10章氣體感測器
10.1氣體感測器概述
10.2氣體感測器分類
10.2.1氣敏材料及其感測器陣列
10.2.2半導體氣體感測器
10.2.3催化燃燒式氣體感測器
10.2.4電化學型氣體感測器
10.2.5NDIR氣體感測器
10.2.6光學式氣體感測器
10.3氣體感測器的應用
10.3.1MQ2煙霧感測器
10.3.2TGS262氣體感測器
10.3.3定電位電解式氣體感測器
10.4智慧氣體傳感面臨的挑戰及其解決方案
10.4.1可重複性和再使用性
10.4.2電路集成和小型化
10.4.3即時傳感

第11章視覺感測器
11.1視覺檢測技術
11.1.1機器視覺的發展
11.1.2視覺檢測的應用分類
11.1.3視覺檢測的特點
11.2視覺感測器的硬體組成
11.2.1照明系統
11.2.2光學鏡頭
11.2.3攝像機
11.2.4影像處理器
11.3視覺感測器的工作原理
11.3.1視覺傳感的成像模型
11.3.2視覺傳感的影像處理
11.4視覺感測器的應用
11.4.1單目視覺傳感系統
11.4.2雙目視覺傳感系統

第12章生物感測器
12.1概述
12.1.1生物感測器的工作原理
12.1.2生物感測器的類型
12.1.3生物感測器的應用
12.2典型生物感測器
12.2.1酶感測器
12.2.2免疫感測器
12.2.3微生物感測器
12.3生物感測器的應用案例
12.3.1血糖測試儀
12.3.2基因晶片

第13章MEMS感測器技術
13.1MEMS感測器概述
13.1.1MEMS技術及MEMS感測器介紹
13.1.2智慧製造對MEMS感測器的需求
13.1.3MEMS感測器的發展趨勢和展望
13.2MEMS感測器的微型化技術和基本原理
13.2.1微尺度效應
13.2.2物理效應
13.2.3MEMS工藝的影響
13.3MEMS感測器的設計
13.3.1MEMS感測器的設計方法和過程
13.3.2電腦輔助設計及CoventorWare設計軟體介紹
13.4MEMS技術的應用

第14章量子測量及傳感技術
14.1概述
14.1.1量子傳感技術簡介
14.1.2量子感測器與智慧製造
14.2量子物理學基本知識
14.2.1波粒二象性
14.2.2原子結構理論
14.2.3冷原子物理
14.3晶片化量子感測器
14.3.1晶片化量子感測器動態
14.3.2基於微型鹼金屬原子氣室的量子傳感技術
14.3.3基於微腔的量子傳感技術
14.4量子測量技術的應用
14.4.1量子測量技術的應用領域及優勢
14.4.2量子測量技術的研究發展趨勢

第15章感測器網路
15.1感測器的網路化
15.1.1感測器網路的概念
15.1.2感測器網路的發展
15.2多感測器資訊融合
15.2.1多感測器資訊融合的必要性
15.2.2多感測器資訊融合的層次模型
15.2.3多感測器資訊融合的結構模型
15.2.4多感測器資訊融合方法
15.3無線感測器網路
15.3.1無線感測器網路的體系結構
15.3.2無線感測器網路的特點
15.3.3無線感測器網路關鍵技術
15.3.4無線感測器網路的應用
 
第2篇工業物聯網
第16章物聯網基礎
16.1概述
16.1.1物聯網
16.1.2傳感網
16.1.3工業互聯網
16.2物聯網構成
16.2.1物聯網的工作原理
16.2.2物聯網硬體系統結構
16.2.3物聯網軟體系統結構
16.3物聯網特徵
16.3.1物聯網平臺
16.3.2物聯網資料庫
16.3.3邊緣計算
16.3.4物聯網應用舉例
16.4物聯網倫理
16.5總結與展望

第17章物聯網核心技術
17.1物聯網感知層
17.1.1感測器技術
17.1.2RFID技術
17.1.3標識與編碼
17.1.4資料採擷與融合技術
17.2物聯網網路層
17.2.1藍牙技術
17.2.2ZigBee
17.2.3LoRa
17.2.4NBIoT
17.2.54G/5G
17.3物聯網應用層
17.3.1物聯網中介軟體
17.3.2物聯網應用
17.3.3雲計算
17.4物聯網安全
17.4.1感知層安全問題
17.4.2網路層安全問題
17.4.3應用層安全問題

第18章物聯網工程案例
18.1物聯網與智慧生活
18.1.1物聯網與智能家居
18.1.2物聯網與智慧醫療
18.2物聯網與智慧工業
18.2.1物聯網與智能電網
18.2.2物聯網與智慧物流
18.3物聯網與智慧農業
18.3.1農業物聯網平臺
18.3.2農產品溯源管理
18.4物聯網與人類社會發展
參考文獻

陳雯柏，博士，教授，北京資訊科技大學自動化學院副院長，主要從事智慧科學與技術方面的教學和科研工作。中國人工智慧學會理事，中國教育發展戰略學會人工智慧與機器人專業委員會理事。獲北京市教學成果獎、中國指揮與控制學會科技進步二等獎，吳文俊人工智慧科學技術三等獎。主編教材獲2019北京高校優質本科教材、主講課程獲推2020北京高校優質本科課程。主持並完成多項省部級科研專案，發表EI檢索論文10餘篇。