本书是 “十四五”普通高等教育本科国家级规划教材，“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，国家级一流课程配套教材，强化深度学习、交叉融合、数智赋能融媒体教材，获机械工业教育教学优秀教材一等奖。本书针对智慧教育时代传感器与检测技术系统性领域知识构建、素质提升和能力发展的现实需求，将价值观、方法论与知识点融会贯通，系统介绍传感器与检测技术的基础概念、基本原理、典型应用和技术发展。传感器原理、检测技术与检测系统三大模块涵盖：概述、传感器的基本特性、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器、辐射与波式传感器、化学传感器、生物传感器、新型传感器；参数检测、微弱信号检测、软测量、多传感器数据融合、误差理论与数据处理基础；虚拟仪器、智能检测系统。

　　本书知识体系精练、内容新颖、重点突出、工程性强、资源丰富、适教利学；形式上追求贯穿学习过程的深学善思、质疑批判和工程实践；内容上注重经典知识、前沿技术和交叉融合；目标上强调激发学生科技报国的家国情怀、使命担当，着力培养卓越工程人才。

　　本书体现了以学生为中心、聚焦能力提升、“学贵有疑”、赋能卓越创新、适应最新发展的写作定位，可作为高等院校测控技术与仪器、自动化、电气工程及其自动化、智能感知工程、机器人工程、物联网工程、智能车辆工程、邮政工程等专业本科生教材，也可供从事传感器与检测技术相关领域应用和设计开发的研究人员、工程技术人员参考。

前言

上篇传感器原理

第1章概述

1.1课程简介

1.1.1本课程的地位和作用

1.1.2本课程的内容体系

1.1.3本课程的任务及目标

1.2传感器的定义与组成

1.3传感器的分类

1.4传感器技术的发展

1.4.1提高与改善传感器的性能

1.4.2开展基础理论研究

1.4.3传感器的无线化

1.4.4传感器的微型化

1.4.5传感器的集成化

1.4.6传感器的网络化

1.4.7传感器的智能化

1.4.8传感器的安全化

1.4.9传感器的虚拟化

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第2章传感器的基本特性

2.1传感器的静态特性

2.1.1线性度

2.1.2灵敏度

2.1.3分辨力

2.1.4阈值

2.1.5迟滞

2.1.6重复性

2.1.7漂移

2.1.8精度

2.2传感器的动态特性

2.2.1传感器的数学模型

2.2.2传递函数

2.2.3频率响应函数

2.2.4传感器的动态特性分析

2.3传感器的标定与校准

2.3.1静态标定

2.3.2动态标定

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第3章电阻式传感器

3.1工作原理

3.1.1应变效应

3.1.2电阻应变片种类

3.1.3电阻应变片温度误差及其补偿

3.2测量电路

3.2.1直流电桥

3.2.2交流电桥

3.3典型应用

3.3.1电阻式力传感器

3.3.2电阻式压力传感器

3.3.3电阻式差压传感器

3.3.4电阻式液体重量传感器

3.3.5电阻式加速度传感器

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探索与实践

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第4章电感式传感器

4.1变磁阻电感式传感器（自感式）

4.1.1工作原理

4.1.2输出特性

4.1.3测量电路

4.1.4变磁阻电感式传感器的应用

4.2差动变压器电感式传感器

（互感式）

4.2.1变隙式差动变压器

4.2.2螺线管式差动变压器

4.2.3差动变压器电感式传感器的

应用

4.3电涡流电感式传感器（互感式）

4.3.1工作原理

4.3.2等效电路

4.3.3测量电路

4.3.4电涡流电感式传感器的应用

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第5章电容式传感器

5.1工作原理

5.1.1变面积型

5.1.2变介质型

5.1.3变极距型

5.2测量电路

5.2.1调频电路

5.2.2运算放大器

5.2.3变压器式交流电桥

5.2.4二极管双T型交流电桥

5.2.5脉冲宽度调制电路

（PWM方式）

5.3典型应用

5.3.1电容式压力传感器

5.3.2电容式位移传感器

5.3.3电容式加速度传感器

5.3.4电容式厚度传感器

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探索与实践

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第6章压电式传感器

6.1工作原理

6.1.1压电效应

6.1.2压电材料

6.2测量电路

6.2.1等效电路

6.2.2测量电路

6.2.3压电元件的连接

6.3典型应用

6.3.1压电式力传感器

6.3.2压电式加速度传感器

6.3.3压电式交通检测

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第7章磁敏式传感器

7.1磁电感应式传感器

7.1.1工作原理

7.1.2测量电路

7.1.3磁电感应式传感器的应用

7.2霍尔式传感器

7.2.1工作原理

7.2.2测量电路

7.2.3霍尔式传感器的应用

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探索与实践

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第8章热电式传感器

8.1热电偶

8.1.1热电偶测温原理

8.1.2热电偶的结构与种类

8.1.3热电偶的冷端温度补偿

8.1.4热电偶的实用测温电路

8.1.5热电偶的选用与安装

8.1.6热电偶的应用

8.2热电阻

8.2.1铂热电阻

8.2.2铜热电阻

8.2.3热电阻的测量电路

8.2.4热电阻的应用

8.3热敏电阻

8.3.1热敏电阻的特性

8.3.2热敏电阻的应用

探索与实践

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第9章光电式传感器

9.1概述

9.1.1光电式传感器的类别

9.1.2光电式传感器的基本形式

9.2光电效应与光电器件

9.2.1外光电效应型光电器件

9.2.2内光电效应型光电器件

9.3CCD固体图像传感器

9.3.1CCD的工作原理

9.3.2CCD固体图像传感器的分类

9.3.3CCD图像传感器的特性参数

9.3.4CCD固体图像传感器的应用

9.4光纤传感器

9.4.1光纤

9.4.2光纤传感器

9.4.3光纤布拉格光栅

9.4.4光纤传感器的应用

9.5光电式编码器

9.5.1码盘式编码器

9.5.2脉冲盘式编码器

9.5.3光电式编码器的应用

9.6计量光栅

9.6.1计量光栅的结构和工作原理

9.6.2计量光栅的组成

9.6.3计量光栅的应用

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探索与实践

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第10章辐射与波式传感器

10.1红外传感器

10.1.1工作原理

10.1.2红外传感器的应用

10.2微波传感器

10.2.1工作原理

10.2.2微波传感器的应用

10.3超声波传感器

10.3.1工作原理

10.3.2超声波传感器的应用

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探索与实践

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第11章化学传感器

11.1气体传感器

11.1.1气体传感器概述

11.1.2半导体式气体传感器的工作

原理

11.1.3气体传感器的应用

11.2湿度传感器

11.2.1湿度传感器概述

11.2.2常用湿度传感器的基本原理

11.2.3湿度传感器测量电路

11.2.4湿度传感器的应用

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探索与实践

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第12章生物传感器

12.1概述

12.2工作原理

12.2.1生物分子特异性识别

12.2.2生物放大

12.2.3信号转换与处理

12.2.4几种主要的生物传感器

12.3生物芯片

12.4生物传感器的应用

12.4.1传统医学领域

12.4.2非传统医学领域

12.5生物传感器的发展

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探索与实践

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第13章新型传感器

13.1智能传感器

13.1.1智能传感器的概念

13.1.2智能传感器的核心要素

13.1.3智能传感器的特点

13.1.4智能传感器的作用

13.1.5智能传感器的发展趋势

13.1.6智能传感器的应用

13.2模糊传感器

13.2.1模糊传感器概述

13.2.2模糊传感器的结构

13.2.3模糊传感器举例

13.3微传感器

13.3.1MEMS与微加工

13.3.2微传感器的概念与特点

13.3.3微传感器的发展现状

13.3.4微传感器举例

13.4网络传感器

13.4.1网络传感器的概念

13.4.2网络传感器的基本结构

13.4.3网络传感器的类型

13.4.4基于IEEE 1451标准的网络

传感器

13.4.5网络化测控系统体系结构

13.4.6网络传感器的应用前景

13.5量子传感器

13.5.1量子测量概述

13.5.2量子传感器的定义与特性

13.5.3量子传感器的主要类别

13.5.4量子传感器的应用

13.5.5量子传感器的发展

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中篇检 测 技 术

第14章参数检测

14.1概述

14.1.1检测技术的地位和作用

14.1.2参数检测的基本概念

14.1.3工业检测的主要内容

14.2参数检测的一般方法

14.2.1过程参数检测

14.2.2机械量参数检测

14.2.3其他参数检测

14.3检测技术的发展

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探索与实践

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第15章微弱信号检测

15.1概述

15.2噪声

15.3微弱信号检测方法

15.3.1相关检测法

15.3.2同步积累法

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第16章软测量

16.1概述

16.2软测量的方法

16.2.1选择辅助变量

16.2.2处理输入数据

16.2.3建立软测量模型

16.2.4软测量模型的在线校正

16.3软测量的意义及适用条件

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第17章多传感器数据融合

17.1概述

17.2多传感器数据融合的基本原理

17.2.1数据融合的层次

17.2.2数据融合的处理形态

17.2.3数据融合模型

17.2.4数据融合的关键技术

17.3多传感器数据融合的方法

17.4多传感器数据融合系统的应用

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第18章误差理论与数据处理基础

18.1测量误差概述

18.2测量误差的处理

18.2.1随机误差的处理

18.2.2系统误差的处理

18.2.3粗大误差的处理

18.2.4间接测量误差的传递

18.2.5测量误差的合成

18.2.6测量误差的分配

18.3最小二乘法与回归分析及其智能化

算法

18.3.1最小二乘法

18.3.2一元线性拟合

18.3.3多元线性拟合

18.3.4曲线拟合

18.4工业大数据

18.4.1概述

18.4.2工业大数据分析与清洗

18.4.3工业大数据安全

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下篇检 测 系 统

第19章虚拟仪器

19.1概述

19.2虚拟仪器系统开发环境

19.2.1LabWindows/CVI

19.2.2LabVIEW

19.3虚拟仪器系统的数据采集实现

19.3.1基于LabWindows/CVI的数据

采集

19.3.2基于LabVIEW的数据采集

探索与实践

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第20章智能检测系统

20.1智能检测系统的组成

20.1.1数据采集系统

20.1.2输入输出通道

20.1.3智能检测系统的软件

20.2智能检测系统的基本设计方法

20.2.1智能检测系统需求分析

20.2.2智能检测系统总体设计

20.2.3采样速率的确定

20.2.4标度变换

20.2.5智能检测硬件设计

20.2.6智能检测软件设计

20.2.7智能检测系统的集成与维护

20.3典型智能检测系统举例

20.3.1智能温度测量系统

20.3.2无线传感器网络

20.3.3工业互联网

20.4智能检测系统的发展

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探索与实践

工程案例详解

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附录

附录A传感器样例

附录B部分习题参考答案（简略版）

附录C综合测试题及参考答案（120分钟）

参考文献

前言

　　本书是“十四五”普通高等教育本科国家级规划教材,“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材,国家级一流课程配套教材，强化深度学习、交叉融合、数智赋能融媒体教材，获机械工业教育教学优秀教材一等奖。

　　本书前4版被国内数百所不同层次和类别的高校选用，教学资源得到广泛共享；其内容体系持续优化更新源于“为党育人、为国育才”的使命担当，以及立德树人的价值追求、精益求精的质量追求、与时俱进的时效追求和培养卓越工程师的目标追求，并得益于教材-课程一体化创新实践等系统性教学建设、递进式教改研究成果应用推广和学习资源使用者意见反馈；以“AI融合、资源多元、强化思维、激发创新、多维赋能、求真求正”引人入胜。

　　在深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略时代背景下，人工智能等新兴科技快速进步和智能制造等产业高质量发展正前所未有地引领以价值创造为核心的技术迭代、工业转型、产业升级和新质生产力发展，数智化科技创新成为以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴的强大引擎，智能感知、网络化测控、量子传感、工业大数据等成为传感器与检测技术持续拓展进步、创新跃升的新内涵。

　　以融合创新、智能赋能为核心特征的智能经济与智能社会呼唤大量适应产业高质量发展需要的卓越创新人才，传感器与检测技术以其基础性和先导性被赋予“仪器强国”时代使命，便捷、可靠、智能、安全地采集和处理信息，推动建立人机网互联协同、跨界融合、共创共享的数字化智慧型社会发展新生态，重塑人类生产生活范式，促进生产力革命性跃迁和生产关系深层次变革，以进一步提高工作效率、提升工作质量、促进人的创造性劳动。我国政府高度重视仪器仪表产业发展，紧紧抓住第三次信息技术浪潮和第四次工业革命的历史机遇，力推智能仪器仪表、智能制造、大数据智能化等战略性新兴产业，一系列战略目标正在实现。智能经济的发展、产业的升级、技术的演进、应用的研发、仪器的使用与维护等需要大批高素质创新型人才，并对人才培养的内容和目标提出了以创新能力提升为导向的新要求，大模型与生成式人工智能的全面兴起正深刻改变高等教育格局，对知识传授、能力建构和价值塑造产生系统性影响，以“学生、场景、资源”为核心的学习革命势在必行。

　　“注重依托优化的知识体系、优质学习资源、深度学习模式，以数智赋能、培根铸魂、启智增慧，培养学生创新性思维和智能感知与仪器工程领域的专业能力”是本书的基本遵循。

　　本书以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，落实立德树人根本任务，服务国家发展战略和自主知识体系构建，探索教育大变革和教育强国背景下适应智慧教育和卓越创新人才培养需要的传感器与检测技术教材改革与建设，顺应与信息技术深度融合的智能检测技术与仪器发展趋势，针对智慧教育时代传感器与检测技术系统性领域知识构建、素质提升和能力发展的现实需求，将价值观、方法论与知识点融会贯通，系统介绍传感器与检测技术基础概念、基本原理、典型应用与技术发展。传感器原理、检测技术与检测系统三大模块涵盖：概述、传感器的基本特性、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器、辐射与波式传感器、化学传感器、生物传感器、新型传感器；参数检测、微弱信号检测、软测量、多传感器数据融合、误差理论与数据处理基础；虚拟仪器、智能检测系统。

　　本书知识体系精练、内容新颖、重点突出、工程性强、资源丰富、适教利学；形式上追求贯穿学习过程的深学善思、质疑批判和工程实践；内容上注重经典知识、前沿技术和交叉融合；目标上强调激发学生科技报国的家国情怀、使命担当，着力培养卓越工程人才。

　　本书体现了以学生为中心、聚焦能力提升、“学贵有疑”、赋能卓越创新、适应最新发展的写作定位，以编写国内一流的传感器与检测技术特色教材为目标，助力打造以创新思维与能力提升为重点的传感器与检测技术核心知识库，探索构建“价值观、方法论、知识点”+AI的学思践悟深度学习模式。在第4版基础上融入创新驱动发展战略、新发展理念、质量强国建设要求和传统文化等内容，丰富数智内涵，紧跟领域前沿，增强学生交叉联想、高阶思维和复杂工程问题实践能力；依托价值观、方法论、知识点和文化自信，厚植学生爱国为民情怀，涵养强国励志、求真力行的优良学风，提升可持续发展能力，探求技术赋能与人文守护兼容平衡，服务学生全面发展；每章开篇设置导学内容，强化学习引导、激发学习兴趣，引领深度学习。本书有丰富的学习资源支持，配有PPT课件、系列交互式动画、短视频、习题库、试题库、课后习题参考答案(完全版)、虚拟仿真实验和在线课网站等。

　　本书可作为高等院校测控技术与仪器、自动化、电气工程及其自动化、智能感知工程、机器人工程、物联网工程、智能车辆工程、邮政工程等专业本科生教材，也可供从事传感器与检测技术相关领域应用和设计开发的研究人员、工程技术人员参考。

　　本书由胡向东、徐洋、耿道渠、刘琳编著，集成产教融合、科教融汇成果；研究生刘晓鑫、陈佳辉、张志伟、杨展凯、马芮、江晋、但一真、张芷菡等参与资料整理。曾周末教授主审；胡向东负责全书的统稿。特别感谢天津大学曾周末教授，清华大学王俊杰教授，合肥工业大学张辉教授，北京理工大学陈祥光教授，北京航空航天大学樊尚春、钱政教授，上海交通大学颜国正教授，电子科技大学童玲教授，重庆大学王代华、刘京诚教授，东南大学宋爱国教授，燕山大学侯培国教授，山东大学朱文兴、王静教授，昆明理工大学李川教授，上海理工大学刘一教授，东北大学王琦教授，青岛科技大学樊春玲教授，北京交通大学曾国宏教授，西南石油大学梁海波教授，重庆理工大学刘小康、余成波教授，湖南大学何赟泽教授，上海自动化仪表有限公司高正明教授级高工，江南大学刘子尚同学等在课程和教材建设与改革过程中给予的指导、支持或反馈，以及包括但不限于参考文献所列作者的贡献。本书受到重庆市级人才计划项目（cstc2024ycjh-bgzxm0088）、重庆市高等教育教学改革研究重大课题(241022)等资助。

　　传感器与检测技术持续发展、内容丰富、应用广泛；本书的再版彰显我们的使命担当，弘扬教育家精神，汇聚本领域的智慧与代表性成果，以创新之举，铸新理念之魂，传播智慧教育和智能感知新内涵，其间融入了“躬耕教坛、强国有我”的职业情怀。始终坚持开放、共建、共享理念，限于自身的水平和学识，书中难免存在疏漏和错误之处，诚望读者不吝赐教，以利修正，铸精品、育英才。编著者电子邮箱：huxd@cqupt.edu.cn。

　　编著者2025年9月于重庆南山