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(yè)物聯(lián)網等方面內容，詳細介紹了智能感知系統(tǒng)的原理、設計方案及關鍵技術。本書分為兩個部分，部分介紹傳感器相關知識，第二部介紹基于傳感器構建的物聯(lián)網系統(tǒng)及應用。智能傳感技術是智能制造和物聯(lián)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(tǒng)產業(yè)的升級，又可以對創(chuàng)新應用進行推動�；诒緯鴥热荩瑢W生可以學習一個完整的智能感知系統(tǒng)的設計與應用實例，并進行實踐與開發(fā)。
智能傳感是將傳統(tǒng)學科和新技術進行綜合集成和應用的一門學科，體現(xiàn)了多學科的交叉，融合和延拓，其應用范圍遍布國民經濟的諸多方面。隨著新材料，新技術的廣泛應用，基于各種功能材料的新型傳感器件得到快速發(fā)展，其對制造的影響愈加顯著。未來，智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高靈敏度、高可靠性將是新型傳感器件的發(fā)展趨勢，新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術發(fā)展的重要方向。本書在內容安排上以傳感技術基本原理為基礎，結合智能傳感技術的最新發(fā)展，以應用為核心，重點介紹了智能傳感技術的基本原理和工程實現(xiàn)方法，體現(xiàn)了理論和實踐并重的宗旨。
近
年來，科技的進步、人工智能的發(fā)展，不斷地在改變著人們生活的方方面面。作為智能時代發(fā)展的基礎技術之一，智能傳感扮演著不可或缺的角色。2017年以來，我國政府出臺了多項戰(zhàn)略性、指導性政策文件，包括《智能傳感器產業(yè)三年行動指南(20172019年)》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《中國制造2025》等，推動著我國傳感器產業(yè)向著融合化、創(chuàng)新化、生態(tài)化、集群化方向快速發(fā)展。
在當前智能時代的推動下，高性能、高可靠性的多功能復雜自動測控系統(tǒng)以及基于射頻識別技術的物聯(lián)網的興起與發(fā)展，越發(fā)凸顯了具有感知、認知能力的智能傳感器的重要性及其快速發(fā)展的迫切性。傳感器技術是實現(xiàn)智能制造的基石，智能傳感技術是伴隨著自動化技術、計算機技術、檢測技術和智能技術的深入發(fā)展而產生和形成的新的研究領域，是未來檢測技術的主要發(fā)展方向。智能傳感是將傳統(tǒng)學科和新技術進行綜合集成與應用的一門學科，體現(xiàn)了多學科的交叉、融合和延拓，其應用范圍遍布國民經濟的諸多方面。隨著新材料、新技術的廣泛應用，基于各種功能材料的新型傳感器件得到快速發(fā)展，其對制造的影響愈加顯著。未來，智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高靈敏度、高可靠性將是新型傳感器件的發(fā)展趨勢，新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術發(fā)展的重要方向。
本書是編著者在多年教學實踐的基礎上，結合現(xiàn)有的教學講義和最新技術發(fā)展編寫而成的，書中融入了編著者多年來大量的科研工作成果。本書在內容安排上以傳感技術基本原理為基礎，結合智能傳感技術的最新發(fā)展，以應用為核心，重點介紹了智能傳感技術的基本原理和工程實現(xiàn)方法，體現(xiàn)了理論和實踐并重的宗旨。全書共分為19章，主要介紹智能傳感技術的基本原理、最新進展及典型應用。其中，第0章（緒論）以及第3、8、9、11、12、15章由陳雯柏編寫，第1、4～7章由李鄧化編寫，第13、14章由何斌編寫，第2、10、16、17章由劉輝翔編寫，第18章由蘇明燈編寫。
感謝北京信息科技大學勤信學者培育計劃（QXTCP A202102）、北京市自然科學基金(4202026)對本書涉及的科研內容提供的資助。清華大學出版社的編輯們?yōu)楸緯某霭娓冻隽诵燎诘膭趧�，在此對他（她）們表示衷心的感謝。
由于編著者水平有限，書中難免有錯誤和不足之處，誠懇歡迎各位讀者指正。
編著者2021年5月
陳雯柏，博士，教授，北京信息科技大學自動化學院副院長，主要從事智能科學與技術方面的教學和科研工作。中國人工智能學會理事，中國教育發(fā)展戰(zhàn)略學會人工智能與機器人專業(yè)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，吳文俊人工智能科學技術三等獎。主編教材獲2019北京高校優(yōu)質本科教材、主講課程獲推2020北京高校優(yōu)質本科課程。主持并完成多項省部級科研項目，發(fā)表EI檢索論文10余篇。
第0章緒論00
0.1智能制造簡介00
0.1.1智能制造的概念00
0.1.2智能制造關鍵技術00
0.2智能制造發(fā)展與應用0
0.2.1智能制造發(fā)展0
0.2.2智能制造應用0
0.3工業(yè)4.0與中國制造20250
0.3.1工業(yè)4.00
0.3.2中國制造20250
0.4智能制造與智能傳感0
第1篇傳感器與傳感器系統(tǒng)
第1章檢測技術基礎0
1.1傳感器與智能檢測0
1.1.1傳感器與智能檢測概述0
1.1.2傳感器的基本特性0
1.1.3傳感器校準與標定方法0
1.2測量誤差與數(shù)據(jù)處理基礎0
1.2.1測量誤差及其分類0
1.2.2系統(tǒng)誤差的消除方法0
1.2.3隨機誤差及其估算0
1.2.4測量結果的數(shù)據(jù)處理0
1.3智能檢測系統(tǒng)0
1.3.1數(shù)據(jù)采集0
1.3.2輸入/輸出通道0
第2章數(shù)據(jù)處理基礎0
2.1特征工程0
2.1.1特征選擇0
2.1.2特征提取0
2.2數(shù)據(jù)分析與機器學習0
2.2.1模式分類0
2.2.2回歸預測0
2.2.3聚類分析0
第3章熱敏元件、溫度傳感器及應用0
3.1熱電偶0
3.1.1熱電效應0
3.1.2熱電偶的基本法則0
3.1.3熱電偶冷端溫度及其補償0
3.2熱電阻0
3.2.1鉑電阻0
3.2.2銅熱電阻0
3.2.3其他熱電阻0
3.3熱敏電阻0
3.3.1NTC熱敏電阻的溫度特性0
3.3.2NTC熱敏電阻的溫度系數(shù)0
3.3.3NTC熱敏電阻的伏安特性0
3.3.4NTC熱敏電阻的安時特性0
第4章應變式電阻傳感器及應用0
4.1應變式電阻傳感器的工作原理0
4.2測量電路0
4.2.1直流電橋0
4.2.2交流電橋0
4.3應變式傳感器的溫度特性0
4.3.1使應變片產生熱輸出的因素0
4.3.2電阻應變片的溫度補償方法0
4.4應變式電阻傳感器的應用0
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之間的關系0
4.4.2應變式電阻傳感器的應用
第5章電感式傳感器及應用
5.1變磁阻式傳感器
5.1.1工作原理
5.1.2輸出特性
5.1.3測量電路
5.1.4變磁阻式傳感器的應用
5.2差動變壓器式傳感器
5.2.1工作原理
5.2.2基本特性
5.2.3差動變壓器式傳感器測量電路
5.2.4差動變壓器式傳感器的應用
5.3電渦流式傳感器
5.3.1工作原理
5.3.2基本特性
5.3.3電渦流形成范圍
5.3.4電渦流式傳感器的應用
第6章電容式傳感器及應用
6.1電容式傳感器的工作原理和結構
6.1.1變極距型電容式傳感器
6.1.2變面積型電容式傳感器
6.1.3變介質型電容式傳感器
6.2電容式傳感器的靈敏度和非線性
6.3電容式傳感器的信號調節(jié)電路
6.3.1運算放大器式電路
6.3.2電橋電路
6.4電容器式傳感器的應用
6.4.1電容式位移傳感器
6.4.2電容式荷重傳感器
6.4.3電容式壓力傳感器
第7章壓電式傳感器及應用
7.1壓電效應
7.1.1壓電材料的主要特性參數(shù)
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電荷放大器的噪聲及漂移特性
7.4壓電式傳感器的應用
7.4.1壓電式加速度傳感器
7.4.2壓電式壓力傳感器
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(shù)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光敏二極管和光敏三極管
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光電傳感器的類型及應用
8.5.1光電傳感器的類型
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/激光/紅外傳感器
9.1超聲波傳感器的工作原理
9.1.1超聲波的激發(fā)
9.1.2超聲波的接收
9.1.3超聲波的特性
9.2激光/紅外傳感器
9.2.1激光傳感器的基本概念
9.2.2紅外傳感器的基本概念
9.3超聲波傳感器的應用
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激光傳感器的主要應用
9.4.1激光測長
9.4.2激光測距
9.4.3激光測振
9.5紅外傳感器的主要應用
9.5.1紅外測溫儀
9.5.2紅外線氣體分析儀
第10章氣體傳感器
10.1氣體傳感器概述
10.2氣體傳感器分類
10.2.1氣敏材料及其傳感器陣列
10.2.2半導體氣體傳感器
10.2.3催化燃燒式氣體傳感器
10.2.4電化學型氣體傳感器
10.2.5NDIR氣體傳感器
10.2.6光學式氣體傳感器
10.3氣體傳感器的應用
10.3.1MQ2煙霧傳感器
10.3.2TGS2602氣體傳感器
10.3.3定電位電解式氣體傳感器
10.4智能氣體傳感面臨的挑戰(zhàn)及其解決方案
10.4.1可重復性和可重用性
10.4.2電路集成和小型化
10.4.3實時傳感
第11章視覺傳感器
11.1視覺檢測技術
11.1.1機器視覺的發(fā)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視覺傳感器的硬件組成
11.2.1照明系統(tǒng)
11.2.2光學鏡頭
11.2.3攝像機
11.2.4圖像處理器
11.3視覺傳感器的工作原理
11.3.1視覺傳感的成像模型
11.3.2視覺傳感的圖像處理
11.4視覺傳感器的應用
11.4.1單目視覺傳感系統(tǒng)
11.4.2雙目視覺傳感系統(tǒng)
第12章生物傳感器
12.1概述
12.1.1生物傳感器的工作原理
12.1.2生物傳感器的類型
12.1.3生物傳感器的應用
12.2典型生物傳感器
12.2.1酶傳感器
12.2.2免疫傳感器
12.2.3微生物傳感器
12.3生物傳感器的應用案例
12.3.1血糖測試儀
12.3.2基因芯片
第13章MEMS傳感器技術
13.1MEMS傳感器概述
13.1.1MEMS技術及MEMS傳感器介紹
13.1.2智能制造對MEMS傳感器的需求
13.1.3MEMS傳感器的發(fā)展趨勢和展望
13.2MEMS傳感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傳感器的設計
13.3.1MEMS傳感器的設計方法和過程
13.3.2計算機輔助設計及CoventorWare設計軟件介紹
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量子傳感器與智能制造
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芯片化量子傳感器
14.3.1芯片化量子傳感器動態(tài)
14.3.2基于微型堿金屬原子氣室的量子傳感技術
14.3.3基于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(yōu)勢
14.4.2量子測量技術的研究發(fā)展趨勢
第15章傳感器網絡
15.1傳感器的網絡化
15.1.1傳感器網絡的概念
15.1.2傳感器網絡的發(fā)展
15.2多傳感器信息融合
15.2.1多傳感器信息融合的必要性
15.2.2多傳感器信息融合的層次模型
15.2.3多傳感器信息融合的結構模型
15.2.4多傳感器信息融合方法
15.3無線傳感器網絡
15.3.1無線傳感器網絡的體系結構
15.3.2無線傳感器網絡的特點
15.3.3無線傳感器網絡關鍵技術
15.3.4無線傳感器網絡的應用
第2篇工業(yè)物聯(lián)網
第16章物聯(lián)網基礎
16.1概述
16.1.1物聯(lián)網
16.1.2傳感網
16.1.3工業(yè)互聯(lián)網
16.2物聯(lián)網構成
16.2.1物聯(lián)網的工作原理
16.2.2物聯(lián)網硬件系統(tǒng)結構
16.2.3物聯(lián)網軟件系統(tǒng)結構
16.3物聯(lián)網特征
16.3.1物聯(lián)網平臺
16.3.2物聯(lián)網數(shù)據(jù)庫
16.3.3邊緣計算
16.3.4物聯(lián)網應用舉例
16.4物聯(lián)網倫理
16.5總結與展望
第17章物聯(lián)網核心技術
17.1物聯(lián)網感知層
17.1.1傳感器技術
17.1.2RFID技術
17.1.3標識與編碼
17.1.4數(shù)據(jù)挖掘與融合技術
17.2物聯(lián)網網絡層
17.2.1藍牙技術
17.2.2ZigBee
17.2.3LoRa
17.2.4NBIoT
17.2.54G/5G
17.3物聯(lián)網應用層
17.3.1物聯(lián)網中間件
17.3.2物聯(lián)網應用
17.3.3云計算
17.4物聯(lián)網安全
17.4.1感知層安全問題
17.4.2網絡層安全問題
17.4.3應用層安全問題
第18章物聯(lián)網工程案例
18.1物聯(lián)網與智慧生活
18.1.1物聯(lián)網與智能家居
18.1.2物聯(lián)網與智慧醫(yī)療
18.2物聯(lián)網與智慧工業(yè)
18.2.1物聯(lián)網與智能電網
18.2.2物聯(lián)網與智慧物流
18.3物聯(lián)網與智慧農業(yè)
18.3.1農業(yè)物聯(lián)網平臺
18.3.2農產品溯源管理
18.4物聯(lián)網與人類社會發(fā)展
參考文獻
書單推薦
