智能传感器与电子测量技术(英文注释版)

传感器作为现代科技的前沿技术，与通信、计算机并称为现代信息技术的三大支柱和物联网基础。传感器技术应用涉及国民经济及国防科研的各个领域，是国民经济基础性、战略性产业之一。传感器技术对国家建设、科技发展、工农业生产以及民生等领域都有非常重要的影响。与传感器密切相关的电子测量技术也随着电子技术、信息技术及传感器技术的发展而快速发展。
传感器技术发展经历了三个历史阶段：第一代是结构化传感器，第二代是20世纪70年代初发展起来的固体传感器，到70年代后期出现了集成传感器，第三代是20世纪80年代发展起来的智能传感器，相应的电子测量技术也得到了快速发展。20世纪80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微计算机、存储器及接口集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能。20世纪90年代智能化测量技术有了进一步提高，在传感器一级实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信等功能。
本书介绍了智能传感器与电子测量技术概况、测量误差基本理论、智能仪器，分析了传感器接口与信号处理电路、无线传感器和传感器网络、无线传感器网络软件设计流程，最后阐述了智能传感器与电子测量技术新进展。同时，本书对重点段落、重点词汇、定义和基本工作原理、重要电路等进行了英文注释，英文中更重视语义的表达，而不是与中文一一对照。在每章后均附有中英文对照的习题，书末附有参考答案。
特别感谢青岛科技大学自动化与电子工程学院曹梦龙副院长在书籍编写过程中给予的指导和帮助，李佩佩参与了本书第1、3、5章的编写，高越参与了第2、4、6、7章的编写。笔者进行了全书的统稿、翻译和审查工作。
传感器种类繁多，电子测量技术发展迅速，涉及面广，鉴于笔者才疏学浅，书中难以覆盖智能传感器和电子测量技术全貌，不足之处在所难免，恳请读者不吝赐教，以便修改完善。

李莺歌
2022年8月于青岛

本书共7章，内容包括：智能传感器与电子测量技术概述、测量误差基本理论、智能仪器简介、传感器接口与信号处理电路、无线传感器和传感器网络、无线传感器网络软件设计、智能传感器与电子测量技术新进展。本书在选材上具有系统先进性和实用性的特点。为便于读者学习和理解，每章均附有本章的小结、思考题与习题，并且，随书附电子课件、习题参考答案，视频讲解，重点词汇、定义和原理给出了英文注释。
本书可供从事电子技术工作的科技人员参考，也可作为高等学校理工科本科、专科电子信息类专业的教材或参考书，还可作为低年级研究生的参考书。

第1章 智能传感器与电子测量技术概述	001
Chapter 1 Overview of Intelligent Sensors and Electronic Measurement Technology	001
1.1 电子测量系统简介Introduction to Electronic Measurement System	001
1.1.1 电子测量技术Electronic measurement technology	001
1.1.2 电子测量技术的特点Characteristics of electronic measurement technology	006
1.1.3 电子测量技术的发展现状Development status of electronic measurement technology	007
1.1.4 传感器简介Introduction to sensor	008
1.2 智能传感器简介Introduction to Intelligent Sensor	011
1.2.1 智能传感器的特点Characteristics of intelligent sensor	013
1.2.2 智能传感器的性能指标Performance index of intelligent sensor	013
1.2.3 智能传感器的实现The form of inplementation of the intelligent sensor	014
1.2.4 智能传感器的应用Applications of intelligent sensor	016
1.2.5 智能传感器的设计思想Design ideas for intelligent sensor	018
1.3 本章小结Chapter Summary	021
参考文献References	021
习题Exercises	021

第2章 测量误差基本理论	022
Chapter 2 Basic Principle of Measurement Error	022
2.1 误差的概念与表示方法The Concept of Error and Representation Method	022
2.1.1 测量误差Measurement error	022
2.1.2 误差的表示方法Expression method of error	025
2.1.3 误差的性质与分类The characteristics and classification of error	029
2.1.4 基本术语Basic terms	033
2.2 粗大误差Gross Error	036
2.2.1 莱特准则检验法Method of Wright criterion test	036
2.2.2 格拉布斯检验法Method of Grubbs test	037
2.2.3 中位数检验法Method of median test	037
2.2.4 应用举例Application examples	038
2.3 随机误差Random Error	040
2.3.1 随机误差的统计处理Statistical treatment of random errors	040
2.3.2 有限次测量值的算术平均值和标准差Arithmetic mean and standard deviation of a finite number of measured    values	043
2.3.3 测量结果的置信度The confidence level of the measured result	045
2.3.4 非等精度测量Unequal-precision measurement	047
2.4 系统误差Systematic Error	049
2.4.1 系统误差产生的原因Causes of systematic errors	050
2.4.2 系统误差的检查和判别Inspection and discrimination of systematic errors	050
2.4.3 削弱系统误差的方法Methods to weaken systematic errors	054
2.4.4 重复性测量结果的数据处理Data processing of repetitive measurement results	055
2.5 误差的合成与分配Synthesis and Distribution of Error	056
2.5.1 测量误差的合成Synthesis of measurement error	056
2.5.2 测量误差的分配Distribution of measurement error	059
2.5.3 最佳测量方案的选择Selection of the best solution	060
2.6 测量不确定度Measurement Uncertainty	062
2.6.1 测量不确定度概述Overview of measurement uncertainty	062
2.6.2 标准不确定度的评定Evaluation of standard uncertainty	066
2.6.3 测量不确定度的合成The combination of measurement uncertainty	069
2.6.4 扩展不确定度Expanded uncertainty	070
2.6.5 不确定度的报告Reporting of uncertainty	071
2.6.6 测量不确定度的应用Application of measurement uncertainty	073
2.7 测量数据的处理Processing of Measurement Data	079
2.7.1 有效数字的处理Handling of significant digits	080
2.7.2 等精度测量结果的处理Processing of equal-precision measurement result	081
参考文献References	083
习题Exercises	083

第3章 智能仪器	084
Chapter 3 Intelligent Instruments	084
3.1 自动测试系统的组成和发展概况Composition and Development of Automatic Test System	084
3.1.1 自动测试系统的发展概况Development of automatic test systems	085
3.1.2 自动测试系统的基本组成Basic components of automatic test system	087
3.2 智能仪器概述Overview of Intelligent Instrument	089
3.2.1 智能仪器的组成Composition of intelligent instrument	090
3.2.2 智能仪器的硬件结构Hardware structure of intelligent instrument	091
3.2.3 智能仪器的软件组成Software composition of intelligent instrument	093
3.2.4 智能仪器的特点Characteristics of intelligent instrument	094
3.2.5 智能仪器的典型功能Typical functions of intelligent instrument	096
3.3 虚拟仪器的特点和结构The Characteristics and Structure of Virtual Instrument	101
3.3.1 虚拟仪器的特点The characteristics of virtual instrument	103
3.3.2 虚拟仪器的结构The structure of virtual instrument	106
3.4 网络化仪器与远程测控技术Networked Instrument and Remote Measurement and Control Technology	108
参考文献References	112
习题Exercises	112

第4章 传感器接口与信号处理电路	113
Chapter 4 Sensor Interface and Signal Processing Circuit	113
4.1 传感器输出信号的处理方法Processing Method of Sensor Output Signal	114
4.2 对传感器接口电路的要求Requirements for Sensor Interface Circuits	116
4.3 传感器接口电路的形式Form of Sensor Interface Circuit	116
4.3.1 电平的处理Processing of voltage level	116
4.3.2 阻抗匹配器Impedance matcher	117
4.3.3 电桥电路Bridge circuit	120
4.3.4 放大与衰减Amplification or attenuation	125
4.3.5 噪声的抑制Noise suppression	127
4.4 信号转换电路Signal Conversion Circuit	139
4.4.1 电压-电流转换Voltage-to-current conversion	139
4.4.2 模拟-数字转换Analog-to-digital conversion	140
参考文献References	144
习题Exercises	144

第5章 无线传感器和传感器网络	145
Chapter 5 Wireless Sensor and Sensor Network	145
5.1 无线传感器和无线传感器网络概述Overview of Wireless Sensor and Wireless Sensor Network	147
5.1.1 无线传感器和无线传感器网络简介Introduction of wireless sensor and wireless sensor network	147
5.1.2 无线传感器网络的特点Characteristics of wireless sensor network	149
5.1.3 通信标准Communication standard	151
5.2 无线传感器网络的系统组成System Composition and Structure of Wireless Sensor Network	159
5.2.1 无线传感器网络系统框图Systematic diagram of wireless sensor network	159
5.2.2 无线传感器网络组网结构Network structure of WSN	161
5.2.3 无线传感器网络设计的约束因素Constraints on wireless sensor network design	163
5.2.4 WSN与传统网络对比Comparison between WSN and traditional sensor network	166
5.3 无线传感器网络的关键技术Key Technologies for Wireless Sensor Network	170
5.3.1 无线传感器网络软件体系结构Wireless sensor network software architecture	183
5.3.2 无线传感器网络的协议栈The protocol stack for the wireless sensor network	186
5.3.3 无线传感器网络通信体系结构Wireless sensor network communication architecture	188
5.4 无线传感器网络的应用Application of Wireless Sensor Network	191
参考文献References	195
习题Exercises	195

第6章 无线传感器网络软件设计	196
Chapter 6 Software Design in WSN	196
6.1 ZigBee技术简介Introduction to ZigBee Technology	196
6.1.1 ZigBee技术的特点Features of ZigBee technology	199
6.1.2 ZigBee 2007协议简介Introduction to ZigBee 2007 protocol	201
6.1.3 ZigBee无线网络通信信道分析ZigBee wireless network communication channel analysis	202
6.1.4 ZigBee无线网络拓扑结构ZigBee wireless network topological structure	203
6.1.5 ZigBee技术的应用领域Application fields of ZigBee technology	204
6.1.6 CC2530芯片概述Overview of CC2530 chip	205
6.2 设置网络的步骤Procedure of Network Set-up	207
6.2.1 ZigBee协议栈ZigBee protocol stack	208
6.2.2 ZigBee协议栈的使用The use of ZigBee protocol stack	209
6.3 协调节点程序设计Program Design for Coordinator	214
6.4 终端节点程序设计Program Design for Terminal Node	220
参考文献References	224
习题Exercises	224

第7章 智能传感器与电子测量技术新进展	225
Chapter 7 New Progress of Intelligent Sensor and Electronic Measurement Technology	225
7.1 智能传感器研究进展Research Progress of Intelligent Sensor	225
7.1.1 智能传感器新的研究方向New research direction of intelligent sensor	225
7.1.2 智能信息输入器件与设备新发展New development of intelligent information input devices and equipment	    228
7.2 智能传感器产品与应用Intelligent Sensor Products and Applications	234
7.3 电子测量领域技术新进展New Technological Progress in The Field of Electronic Measurement	237
7.3.1 传感器接口电路新进展New development of sensor interface circuit	237
7.3.2 传感器输出信号处理器研究与应用新进展New progress in research and application of sensor output signal    processor	238
7.3.3 智能测量技术Intelligent measurement technology	240
7.3.4 软测量技术Soft sensing technology	242
参考文献References	247
习题Exercises	247

习题参考答案	249
第1章 习题参考答案	249
第2章 习题参考答案	251
第3章 习题参考答案	251
第4章 习题参考答案	254
第5章 习题参考答案	256
第6章 习题参考答案	262
第7章 习题参考答案	264

附录A 正态分布在对称区间的积分表	268
Appendix A Integral table of normal distribution in symmetric interval	268

附录B t分布在对称区间的积分表	270
Appendix B Integral table of t distribution in symmetric interval	270