前言

若對現代科技三分天下，則信息技術有其一。在信息技術領域中，傳感器扮演著極其重要的角色。這是因為傳感器處在最前端，承擔著信息獲取的任務，而在信息獲取、傳輸、控制及應用的鏈路中，信息基本上是以串行的方式進行傳遞的。隨著傳遞環節的增加，有效信息的準確度會不斷降低。可以想象，倘若前端信息不準，就勢必會使傳遞到中游、下游的信息更加不可靠，也必然會給依賴于這些信息的產品或技術造成越來越大的損失。而解決這一問題的唯一途徑就在于讓傳感器在前端所獲得的信息更加準確。但無論采用何種信息轉換手段，無用信息都會如影隨形地存在于有用信息之中。也就是說，無論測量有多精確，都會存在誤差和不確定度。即使到了量子尺度，依然存在“測不準”的現象。“準”絕不僅僅是要求傳感器的靈敏度和分辨力高，還必須具有可靠的、盡可能短的溯源路徑，以保證其量值具有極好的“可控性”，這一點非常重要。所以，我們的任務就是從被測對象中把有用信息提取出來，或者找到減少或消除無用信息的途徑。與此同時，不斷探索基于新的物理、化學或生物效應的傳感機理也成為傳感器研究人員的永恒任務。

除了準確度之外，成本也是制約傳感器應用的重要因素，這成為評價傳感器的另一重要指標。降低成本無疑是擴大應用范圍的最佳途徑。例如，激光雷達被稱為自動駕駛汽車的“眼睛”，Velodyne公司于2018年初宣布，其最低端的16線激光雷達售價直接打對折降至3999美元，僅這個舉措就有力地推動了自動駕駛汽車的普及。

此外，能否在各種環境（甚至惡劣環境）下正常工作也是評價傳感器性能的重要指標。

因此，如果對傳感器的性能進行簡單評價就可以表達為：極、超、省、信、微、融、智、云。所謂“極”就是指能夠對極端參數進行測量，“超”是指具備超分辨本領，“省”是指功耗低，“信”是指可靠耐用，“微”是指體積小，“融”是指多功能融合，“智”是指具有一定的計算和推理功能，“云”是指具有網絡功能。由此可見，傳感器首要的功能是對人類的感官進行極度延伸。

涉及重要商業或軍事價值的高端傳感器，歷來都是國家間技術封鎖和貿易戰的對象，因此，對這類傳感器就必須走自主研發的路徑。“中國制造2025”的重要支撐技術之一就是廣泛采用各種在線、原位測量用傳感器。近年來，微傳感器突然間火爆起來，主要原因是因為它已發展成為智能感知器件，這也得益于工業互聯網及人工智能技術的發展。其產業化理論基礎來自于硅谷經濟學家杰弗里·摩爾在《跨越鴻溝》一書中所提出的所謂“新摩爾定律”。現在，就連最普通的手機中都裝有圖像、指紋識別及加速度等十幾種傳感器。在2014年的巴西世界杯上，29歲的高位截癱患者朱利亞諾·平托借助于安裝在3D打印頭盔中的腦電波傳感器和醫用外骨骼，完成了該屆世界杯的開球儀式。采用石墨烯材料的傳感器具有極好的柔軟性，可以和衣物完美融合，實時監測人體活動信息和生理信息。這樣的事情正在我們的身邊不斷出現。可以預見，隨著社會、科學和技術的不斷發展，傳感器在人類生活中發揮的作用會日益重要。

由于傳感器在現代社會中扮演著不可或缺的角色，關于傳感器技術的專著和教材已然是汗牛充棟。但由于篇幅、體例及側重點等方面的原因，在實際教學過程中，一線教師卻又經常苦于缺乏合適的教材。是以我們不揣淺陋，編寫本書，以期有助于初學傳感器技術的學子和社會人士，為促進我國傳感器技術的進步貢獻綿薄之力。

本書由中國計量大學郭天太任主編，李東升、薛生虎任副主編。本書各章的編寫人員和分工為：李東升（第一章、第三章第五節、第十一章第一、二節）、郭天太（第二章、第三章第一～四節、第五章第一、二節、第七章第一~四節、第九章、第十一章第三節）、郭風雷（第四章、第七章第五節）、黃詠梅（第五章第三節、第六章、第十章）、薛生虎（第八章）、鄭永軍（第十二章）、方波（第十三章）。

中國計量大學計量測試工程學院對本書的編寫工作給予了大力支持。我們的學生褚丹丹、張雪冰清、戚一搏等繪制了部分插圖。在此表示衷心的感謝！

機械工業出版社的時靜和尚晨編輯為本書的及早出版做了大量的工作，在此深表謝意！

受編者的水平和學識所限，本書難免存在缺點和不足之處，懇請廣大讀者批評指正。

編者