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智能傳感是將傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)進(jìn)行綜合集成和應(yīng)用的一門學(xué)科，體現(xiàn)了多學(xué)科的交叉，融合和延拓，其應(yīng)用范圍遍布國民經(jīng)濟(jì)的諸多方面。隨著新材料，新技術(shù)的廣泛應(yīng)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(duì)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(shì)，新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要方向。本書在內(nèi)容安排上以傳感技術(shù)基本原理為基礎(chǔ)，結(jié)合智能傳感技術(shù)的新發(fā)展，以應(yīng)用為核心，重點(diǎn)介紹了智能傳感技術(shù)的基本原理和工程實(shí)現(xiàn)方法，體現(xiàn)了理論和實(shí)踐并重的宗旨。

內(nèi)容簡介

《智能傳感器技術(shù)》是一部全面介紹當(dāng)今智能傳感器及其數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的著作,分為兩大部分。第一部分主要介紹各類傳感器,如電感、電容、壓電等傳感器,并增加了新型傳感器技術(shù),如激光傳感器、量子與傳感技術(shù)等。內(nèi)容涉及與傳感器相關(guān)的數(shù)學(xué)、物理、電路等基礎(chǔ)理論以及性能指 標(biāo)、性能選擇等。以更多的實(shí)用案例,講述了先進(jìn)的傳感器技術(shù)、分析建模、實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)研究情況。第二部分主要介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用,包括相關(guān)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)以及涉及的核心技術(shù)。系統(tǒng)地介紹了物聯(lián)網(wǎng)的原理體系結(jié)構(gòu)、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)安全,以及傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的工程實(shí)例等內(nèi)容。

作者簡介

陳雯柏，教授，博士生導(dǎo)師，北京市中青年骨干教師、青年拔尖人才，中國人工智能學(xué)會(huì)理事、杰出會(huì)員，北京人工智能學(xué)會(huì)監(jiān)事，中國教育發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)會(huì)人工智能與機(jī)器人教育專委會(huì)常務(wù)理事，北京信息科技大學(xué)青年教學(xué)名師、勤信學(xué)者、智能檢測(cè)與模式識(shí)別研究所所長、智能檢測(cè)國防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人，獲北京高等學(xué)校優(yōu)秀專業(yè)課（基礎(chǔ)課）主講教師、北京市教學(xué)成果獎(jiǎng)、中國指揮與控制學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、吳文俊人工智能科技進(jìn)步獎(jiǎng)。主要研究方向是機(jī)器感知與模式識(shí)別、人工智能與機(jī)器人。

李鄧化，教授，博士生導(dǎo)師，享受國務(wù)院特殊津貼，首都勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者，北京市三八紅旗手，北京市優(yōu)秀教師，北京市教學(xué)名師，北京市師德標(biāo)兵。主要研究方向是智能檢測(cè)與傳感器。

何斌，高級(jí)工程師，某研究院計(jì)量測(cè)試中心副總工程師，長期從事測(cè)試計(jì)量技術(shù)研究及儀器研發(fā)。

蘇明燈，北京走向智能科技創(chuàng)新中心主任，國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所課題專家，長期致力于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)業(yè)智能化研究。

劉輝翔，博士，副教授，主要從事智能感知、機(jī)器學(xué)習(xí)方面的教學(xué)和科研工作，參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目等多項(xiàng)縱向科研項(xiàng)目，發(fā)表SCI論文十余篇。

目錄

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(guān)鍵技術(shù)00

0.2智能制造發(fā)展與應(yīng)用0

0.2.1智能制造發(fā)展0

0.2.2智能制造應(yīng)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(cè)技術(shù)基礎(chǔ)0

1.1傳感器與智能檢測(cè)0

1.1.1傳感器與智能檢測(cè)概述0

1.1.2傳感器的基本特性0

1.1.3傳感器校準(zhǔn)與標(biāo)定方法0

1.2測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)0

1.2.1測(cè)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(jī)誤差及其估算0

1.2.4測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理0

1.3智能檢測(cè)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(chǔ)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(jī)器學(xué)習(xí)0

2.2.1模式分類0

2.2.2回歸預(yù)測(cè)0

2.2.3聚類分析0

第3章熱敏元件、溫度傳感器及應(yīng)用0

3.1熱電偶0

3.1.1熱電效應(yīng)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(bǔ)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(shí)特性0

第4章應(yīng)變式電阻傳感器及應(yīng)用0

4.1應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理0

4.2測(cè)量電路0

4.2.1直流電橋0

4.2.2交流電橋0

4.3應(yīng)變式傳感器的溫度特性0

4.3.1使應(yīng)變片產(chǎn)生熱輸出的因素0

4.3.2電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法0

4.4應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用0

4.4.1幾種常見的彈性敏感元件的應(yīng)變值ε與外作用力F之間的關(guān)系0

4.4.2應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

第5章電感式傳感器及應(yīng)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(cè)量電路

5.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用

5.2差動(dòng)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(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路

5.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)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(yīng)用

第6章電容式傳感器及應(yīng)用

6.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

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(zhì)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(hào)調(diào)節(jié)電路

6.3.1運(yùn)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(yīng)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(yīng)用

7.1壓電效應(yīng)

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(yīng)

7.1.3壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

7.2壓電方程

7.2.1電場(chǎng)為零

7.2.2應(yīng)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(shí)際電荷放大器的運(yùn)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(yīng)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(yīng)用

8.1光電效應(yīng)

8.1.1外光電效應(yīng)

8.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

8.2光敏電阻

8.2.1光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)

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(fù)載的匹配

8.3光電池

8.3.1光電池的結(jié)構(gòu)原理

8.3.2基本特性

8.3.3光電池的轉(zhuǎn)換效率及最佳負(fù)載匹配

8.4光敏二極管和光敏三極管

8.4.1光敏管的結(jié)構(gòu)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(yīng)用

8.5.1光電傳感器的類型

8.5.2應(yīng)用

8.6光纖傳感器

8.6.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理

8.6.2光纖傳感器及其應(yīng)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(yīng)用

9.3.1超聲波測(cè)距

9.3.2超聲波測(cè)流速

9.3.3超聲波探傷

9.4激光傳感器的主要應(yīng)用

9.4.1激光測(cè)長

9.4.2激光測(cè)距

9.4.3激光測(cè)振

9.5紅外傳感器的主要應(yīng)用

9.5.1紅外測(cè)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(dǎo)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(xué)型氣體傳感器

10.2.5NDIR氣體傳感器

10.2.6光學(xué)式氣體傳感器

10.3氣體傳感器的應(yīng)用

10.3.1MQ2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(fù)性和可重用性

10.4.2電路集成和小型化

10.4.3實(shí)時(shí)傳感

第11章視覺傳感器

11.1視覺檢測(cè)技術(shù)

11.1.1機(jī)器視覺的發(fā)展

11.1.2視覺檢測(cè)的應(yīng)用分類

11.1.3視覺檢測(cè)的特點(diǎn)

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(xué)鏡頭

11.2.3攝像機(jī)

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(yīng)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(yīng)用

12.2典型生物傳感器

12.2.1酶?jìng)鞲衅?/p>

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(yīng)用案例

12.3.1血糖測(cè)試儀

12.3.2基因芯片

第13章MEMS傳感器技術(shù)

13.1MEMS傳感器概述

13.1.1MEMS技術(shù)及MEMS傳感器介紹

13.1.2智能制造對(duì)MEMS傳感器的需求

13.1.3MEMS傳感器的發(fā)展趨勢(shì)和展望

13.2MEMS傳感器的微型化技術(shù)和基本原理

13.2.1微尺度效應(yīng)

13.2.2物理效應(yīng)

13.2.3MEMS工藝的影響

13.3MEMS傳感器的設(shè)計(jì)

13.3.1MEMS傳感器的設(shè)計(jì)方法和過程

13.3.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及CoventorWare設(shè)計(jì)軟件介紹

13.4MEMS技術(shù)的應(yīng)用

第14章量子測(cè)量及傳感技術(shù)

14.1概述

14.1.1量子傳感技術(shù)簡介

14.1.2量子傳感器與智能制造

14.2量子物理學(xué)基本知識(shí)

14.2.1波粒二象性

14.2.2原子結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)

14.3.2基于微型堿金屬原子氣室的量子傳感技術(shù)

14.3.3基于微腔的量子傳感技術(shù)

14.4量子測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

14.4.1量子測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢(shì)

14.4.2量子測(cè)量技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)

第15章傳感器網(wǎng)絡(luò)

15.1傳感器的網(wǎng)絡(luò)化

15.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

15.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)模型

15.2.4多傳感器信息融合方法

15.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

15.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

15.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

15.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

15.3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

第2篇工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

第16章物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)

16.1概述

16.1.1物聯(lián)網(wǎng)

16.1.2傳感網(wǎng)

16.1.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

16.2物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成

16.2.1物聯(lián)網(wǎng)的工作原理

16.2.2物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

16.2.3物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

16.3物聯(lián)網(wǎng)特征

16.3.1物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

16.3.2物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫

16.3.3邊緣計(jì)算

16.3.4物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用舉例

16.4物聯(lián)網(wǎng)倫理

16.5總結(jié)與展望

第17章物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)

17.1物聯(lián)網(wǎng)感知層

17.1.1傳感器技術(shù)

17.1.2RFID技術(shù)

17.1.3標(biāo)識(shí)與編碼

17.1.4數(shù)據(jù)挖掘與融合技術(shù)

17.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層

17.2.1藍(lán)牙技術(shù)

17.2.2ZigBee

17.2.3LoRa

17.2.4NBIoT

17.2.54G/5G

17.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層

17.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件

17.3.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

17.3.3云計(jì)算

17.4物聯(lián)網(wǎng)安全

17.4.1感知層安全問題

17.4.2網(wǎng)絡(luò)層安全問題

17.4.3應(yīng)用層安全問題

第18章物聯(lián)網(wǎng)工程案例

18.1物聯(lián)網(wǎng)與智慧生活

18.1.1物聯(lián)網(wǎng)與智能家居

18.1.2物聯(lián)網(wǎng)與智慧醫(yī)療

18.2物聯(lián)網(wǎng)與智慧工業(yè)

18.2.1物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)

18.2.2物聯(lián)網(wǎng)與智慧物流

18.3物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)

18.3.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

18.3.2農(nóng)產(chǎn)品溯源管理

18.4物聯(lián)網(wǎng)與人類社會(huì)發(fā)展

參考文獻(xiàn)

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前言/序言

近年來，科技的進(jìn)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(shí)代發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)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(tái)了多項(xiàng)戰(zhàn)略性、指導(dǎo)性政策文件，包括《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南(2017—2019年)》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《中國制造2025》等，推動(dòng)著我國傳感器產(chǎn)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(dāng)前智能時(shí)代的推動(dòng)下，高性能、高可靠性的多功能復(fù)雜自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)以及基于射頻識(shí)別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，越發(fā)凸顯了具有感知、認(rèn)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(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的基石，智能傳感技術(shù)是伴隨著自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和智能技術(shù)的深入發(fā)展而產(chǎn)生和形成的新的研究領(lǐng)域，是未來檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向。智能傳感是將傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)進(jìn)行綜合集成與應(yīng)用的一門學(xué)科，體現(xiàn)了多學(xué)科的交叉、融合和延拓，其應(yīng)用范圍遍布國民經(jīng)濟(jì)的諸多方面。隨著新材料、新技術(shù)的廣泛應(yīng)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(duì)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(shì)，新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要方向。