The Electrical Engineering Handbook, 3rd Edition: Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, Instruments

• Tác giả: Richard C. Dorf
• Trường học: University of California, Davis
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: The Electrical Engineering Handbook, Third Edition: Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, and Instruments
• Loại tài liệu: Sổ tay
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Boca Raton

Tóm tắt

I. Tổng quan về cuốn sách Richard C

The Electrical Engineering Handbook Third Edition là bộ cẩm nang kỹ thuật điện toàn diện do Richard C. Dorf biên soạn và xuất bản năm 2006 bởi CRC Press. Cuốn sách thuộc series The Electrical Engineering Handbook Series, bao gồm nhiều tập chuyên sâu về các lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật điện tử. Tập thứ ba tập trung vào Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, và Instruments. Richard C. Dorf là giáo sư tại Đại học California, Davis, đồng thời là biên tập viên của nhiều ấn phẩm kỹ thuật uy tín. Cuốn sách này là tài liệu tham khảo quan trọng cho kỹ sư, nhà nghiên cứu và sinh viên. Nội dung bao gồm các chủ đề như cảm biến điện hóa, xử lý tín hiệu đa cảm biến, kỹ thuật nano và thiết bị y sinh. Ấn bản thứ ba cập nhật những tiến bộ công nghệ mới nhất, phản ánh sự phát triển nhanh chóng của ngành kỹ thuật điện tử hiện đại.

1.1. Tiểu sử và đóng góp của Richard C. Dorf

Richard C. Dorf là giáo sư danh dự tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, Đại học California, Davis. Ông là tác giả và biên tập viên của hơn 30 cuốn sách kỹ thuật được quốc tế công nhận. Dorf nổi tiếng với vai trò biên tập series The Electrical Engineering Handbook Series của CRC Press. Các tác phẩm của ông bao gồm The Engineering Handbook, CRC Handbook of Engineering Tables và Technology Management Handbook. Ông đã nhận nhiều giải thưởng về giảng dạy và nghiên cứu. Sự nghiệp của Dorf kéo dài hơn bốn thập kỷ, đóng góp lớn vào việc chuẩn hóa kiến thức kỹ thuật điện tử cho thế hệ kỹ sư toàn cầu.

1.2. Cấu trúc và phạm vi nội dung ấn bản thứ ba

Ấn bản thứ ba của The Electrical Engineering Handbook được chia thành nhiều tập chuyên đề. Các tập bao gồm Circuits, Signals, Speech and Image Processing; Electronics, Power Electronics, Optoelectronics; Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering; Broadcasting and Optical Communication; Computers, Software Engineering, Digital Devices; và Systems, Controls, Embedded Systems. Mỗi tập chứa hàng chục chương do các chuyên gia đầu ngành biên soạn. Cấu trúc模块化 giúp người đọc dễ dàng tìm kiếm thông tin theo lĩnh vực cụ thể. Nội dung được cập nhật đến năm 2006, phản ánh công nghệ đương thời như cảm biến sinh học và kỹ thuật nano ứng dụng.

II. Phân tích nội dung cảm biến và ứng dụng trong handbook

Phần nội dung về cảm biến trong Electrical Engineering Handbook Third Edition trình bày chi tiết về cảm biến điện hóa và các loại cảm biến hiện đại. Cảm biến điện hóa được đánh giá cao nhờ đặc tính nhỏ gọn, chi phí thấp, vận hành đơn giản và độ tin cậy cao. Chúng hoạt động tốt trong dải nhiệt độ từ -50°C đến +50°C mà không cần gia nhiệt bên ngoài. Điều này khiến chúng lý tưởng cho thiết bị di động sử dụng pin. Cuốn sách cũng đề cập đến cảm biến trạng thái rắn và thiết bị pellistor dùng trong phát hiện hydrocarbon. Ngoài ra, nội dung về multisensor data fusion trình bày các mô hình quy trình, phân loại thuật toán và hướng dẫn kỹ thuật thiết kế hệ thống. Các ứng dụng quân sự như Joint Vision 2020 và network centric warfare cũng được phân tích chi tiết.

2.1. Cảm biến điện hóa và ưu điểm kỹ thuật

Cảm biến điện hóa sở hữu nhiều đặc điểm kỹ thuật vượt trội so với các loại cảm biến khác. Chúng phát hiện và giám sát các chất phân tích trong cả pha khí và pha lỏng. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và cơ chế vận hành đơn giản giúp chúng được ứng dụng rộng rãi. Một ưu điểm lớn là khả năng hoạt động tự cấp nguồn, chỉ cần năng lượng bổ sung cho các chức năng như cảnh báo và ghi dữ liệu. Trong ứng dụng cố định, cảm biến điện hóa đứng ở vị trí trung gian giữa thiết bị bán dẫn giá rẻ và các kỹ thuật phân tích phức tạp như quang phổ khối và sắc ký.

2.2. Công nghệ đa cảm biến và hợp nhất dữ liệu

Hợp nhất dữ liệu đa cảm biến là lĩnh vực nghiên cứu then chốt được trình bày trong handbook. Các mô hình quy trình bao gồm mô hình chức năng minh họa các hàm chính và cơ sở dữ liệu liên quan. Mô hình kiến trúc chỉ định thành phần phần cứng, phần mềm và giao diện bên ngoài. Mô hình toán học mô tả thuật toán và quy trình logic. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã tài trợ nghiên cứu sâu về chủ đề này, tạo ra phân loại thuật toán, từ điển thuật ngữ và hướng dẫn kỹ thuật. Các hệ thống nguyên mẫu và môi trường thử nghiệm đã được phát triển phục vụ ứng dụng quân sự và dân sự.

III. Giải pháp và phương pháp tiếp cận trong sách kỹ thuật điện

Handbook cung cấp nhiều giải pháp kỹ thuật thực tiễn cho các vấn đề phức tạp trong kỹ thuật điện. Về cảm biến, sách đề xuất phương pháp lựa chọn thiết bị dựa trên yêu cầu ứng dụng cụ thể. Đối với ứng dụng di động, cảm biến điện hóa được ưu tiên nhờ yêu cầu năng lượng thấp. Trong ứng dụng cố định, lựa chọn phụ thuộc vào độ chọn lọc, độ lặp lại và chi phí. Về hợp nhất dữ liệu, sách trình bày các mô hình quy trình chuẩn hóa đã được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ phát triển và kiểm chứng. Các công cụ phần mềm, hệ thống nguyên mẫu và môi trường thử nghiệm cung cấp框架 thực hành cho kỹ sư. Phương pháp tiếp cận hệ thống giúp tích hợp nhiều nguồn dữ liệu cảm biến, nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của thông tin môi trường.

3.1. Phương pháp lựa chọn cảm biến theo ứng dụng

Việc lựa chọn cảm biến phù hợp đòi hỏi cân nhắc nhiều yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Sách hướng dẫn phân loại ứng dụng thành nhóm di động và nhóm cố định. Với ứng dụng di động, tiêu chí quan trọng nhất là kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí hợp lý. Cảm biến điện hóa đáp ứng tốt các tiêu chí này. Với ứng dụng cố định, yếu tố chọn lọc và độ lặp lại được ưu tiên hơn. Khi cảm biến điện hóa không đáp ứng được yêu cầu phát hiện, thiết bị bán dẫn trạng thái rắn hoặc pellistor sẽ được sử dụng thay thế.

3.2. Quy trình hợp nhất dữ liệu đa nguồn cảm biến

Quy trình hợp nhất dữ liệu trong handbook dựa trên nhiều mô hình đã được kiểm chứng. Mô hình chức năng xác định các bước xử lý từ thu thập dữ liệu thô đến tạo thông tin hoàn chỉnh. Mô hình kiến trúc định nghĩa cách triển khai phần cứng và phần mềm cụ thể. Mô hình toán học cung cấp công thức và thuật toán xử lý tín hiệu. Hướng dẫn kỹ thuật thiết kế bao gồm quy trình phát triển từ phân tích yêu cầu đến kiểm thử hệ thống. Các công cụ phần mềm hỗ trợ triển khai nhanh chóng và hiệu quả. Phương pháp này áp dụng được cho cả ứng dụng quân sự và dân sự.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của cuốn handbook

The Electrical Engineering Handbook Third Edition của Richard C. Dorf là tài liệu tham khảo không thể thiếu trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử. Cuốn sách tổng hợp kiến thức từ hàng trăm chuyên gia, cung cấp cái nhìn toàn diện về công nghệ cảm biến, kỹ thuật nano và kỹ thuật y sinh. Ứng dụng thực tiễn trải rộng từ thiết bị y tế, hệ thống giám sát môi trường đến công nghệ quốc phòng. Các mô hình hợp nhất dữ liệu đa cảm biến đã được áp dụng thành công trong nhiều hệ thống thực tế. Ấn bản năm 2006 đánh dấu bước phát triển quan trọng khi tích hợp các công nghệ mới nổi. Cuốn sách tiếp tục là nguồn tài liệu quý giá cho đào tạo kỹ sư và nghiên cứu khoa học. Giá trị của nó nằm ở tính toàn diện, độ chính xác và khả năng cập nhật công nghệ liên tục qua các phiên bản.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu

Cuốn handbook được sử dụng rộng rãi trong đào tạo kỹ thuật điện tử bậc đại học và sau đại học. Nội dung chi tiết và có hệ thống giúp sinh viên tiếp cận kiến thức từ cơ bản đến nâng cao. Các chương trình kỹ thuật y sinh, kỹ thuật nano và xử lý tín hiệu sử dụng sách như tài liệu tham khảo chính. Nhà nghiên cứu tìm thấy trong sách tổng quan toàn diện về trạng thái nghệ thuật của từng lĩnh vực. Danh mục tài liệu tham khảo phong phú hỗ trợ việc đào sâu nghiên cứu. Tính cập nhật của ấn bản 2006 đảm bảo nội dung phù hợp với thực tiễn công nghệ thời kỳ đó.

4.2. Ảnh hưởng đến ngành kỹ thuật điện tử hiện đại

Ảnh hưởng của cuốn handbook đến ngành kỹ thuật điện tử rất sâu rộng. Các tiêu chuẩn và phân loại thuật toán do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ phát triển đã trở thành nền tảng cho nhiều hệ thống thương mại. Công nghệ cảm biến điện hóa được mô tả trong sách hiện diện trong thiết bị giám sát chất lượng không khí, thiết bị y tế cầm tay và hệ thống cảnh báo công nghiệp. Khái niệm hợp nhất dữ liệu đa cảm biến là cơ sở cho phát triển Internet vạn vật và thành phố thông minh. Di sản nghiên cứu bao gồm mô hình quy trình, công cụ phần mềm và hướng dẫn kỹ thuật được áp dụng toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

The Electrical Engineering Handbook Third Edition Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, and Instruments The Electrical Engineering Handbook Series Series Editor Richard C. Dorf University of California, Davis Titles Included in the Series The Handbook of Ad Hoc Wireless Networks, Mohammad Ilyas The Avionics Handbook, Cary R. Spitzer The Biomedical Engineering Handbook, Third Edition, Joseph D. Bronzino The Circuits and Filters Handbook, Second Edition, Wai-Kai Chen The Communications Handbook, Second Edition, Jerry Gibson The Computer Engineering Handbook, Vojin G. Oklobdzija The Control Handbook, William S. Levine The CRC Handbook of Engineering Tables, Richard C. Dorf The Digital Signal Processing Handbook, Vijay K. Madisetti and Douglas Williams The Electrical Engineering Handbook, Third Edition, Richard C. Dorf The Electric Power Engineering Handbook, Leo L. Grigsby The Electronics Handbook, Second Edition, Jerry C. Whitaker The Engineering Handbook, Third Edition, Richard C. Dorf The Handbook of Formulas and Tables for Signal Processing, Alexander D. Poularikas The Handbook of Nanoscience, Engineering, and Technology, William A. Goddard, III, Donald W. Lyshevski, and Gerald J. Iafrate The Handbook of Optical Communication Networks, Mohammad Ilyas and Hussein T. Mouftah The Industrial Electronics Handbook, J. David Irwin The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, John G. Webster The Mechanical Systems Design Handbook, Osita D. Nwokah and Yidirim Hurmuzlu The Mechatronics Handbook, Robert H. Bishop The Mobile Communications Handbook, Second Edition, Jerry D. Gibson The Ocean Engineering Handbook, Ferial El-Hawary The RF and Microwave Handbook, Mike Golio The Technology Management Handbook, Richard C. Dorf The Transforms and Applications Handbook, Second Edition, Alexander D. Poularikas The VLSI Handbook, Wai-Kai Chen The Electrical Engineering Handbook Third Edition Edited by Richard C. Dorf Circuits, Signals, and Speech and Image Processing Electronics, Power Electronics, Optoelectronics, Microwaves, Electromagnetics, and Radar Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, and Instruments Broadcasting and Optical Communication Technology Computers, Software Engineering, and Digital Devices Systems, Controls, Embedded Systems, Energy, and Machines The Electrical Engineering Handbook Third Edition Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, and Instruments Edited by Richard C. Dorf University of California Davis, California, U. Boca Raton London New York A CRC title, part of the Taylor & Francis imprint, a member of the Taylor & Francis Group, the academic division of T&F Informa plc. Published in 2006 by CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL 33487-2742 © 2006 by Taylor & Francis Group, LLC CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group No claim to original U. Government works Printed in the United States of America on acid-free paper 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 International Standard Book Number-10: 0-8493-7346-8 (Hardcover) International Standard Book Number-13: 978-0-8493-7346-6 (Hardcover) Library of Congress Card Number 2005054343 This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reprinted material is quoted with permission, and sources are indicated. A wide variety of references are listed. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and the publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or for the consequences of their use. No part of this book may be reprinted, reproduced, transmitted, or utilized in any form by any electronic, mechanical, or other means, now known or hereafter invented, including photocopying, microfilming, and recording, or in any information storage or retrieval system, without written permission from the publishers. For permission to photocopy or use material electronically from this work, please access www.com (http://www.com/) or contact the Copyright Clearance Center, Inc. (CCC) 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 978-750-8400. CCC is a not-for-profit organization that provides licenses and registration for a variety of users. For organizations that have been granted a photocopy license by the CCC, a separate system of payment has been arranged. Trademark Notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation without intent to infringe. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Sensors, nanoscience, biomedical engineering and instruments / edited by Richard C. Includes bibliographical references and index.28--dc22 2005054343 Visit the Taylor & Francis Web site at http://www.com Taylor & Francis Group and the CRC Press Web site at is the Academic Division of Informa plc.com Preface Purpose The purpose of The Electrical Engineering Handbook, 3rd Edition is to provide a ready reference for the practicing engineer in industry, government, and academia, as well as aid students of engineering. The third edition has a new look and comprises six volumes including: Circuits, Signals, and Speech and Image Processing Electronics, Power Electronics, Optoelectronics, Microwaves, Electromagnetics, and Radar Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, and Instruments Broadcasting and Optical Communication Technology Computers, Software Engineering, and Digital Devices Systems, Controls, Embedded Systems, Energy, and Machines Each volume is edited by Richard C. Dorf, and is a comprehensive format that encompasses the many aspects of electrical engineering with articles from internationally recognized contributors. The goal is to provide the most up-to-date information in the classical fields of circuits, signal processing, electronics, electromagnetic fields, energy devices, systems, and electrical effects and devices, while covering the emerging fields of communications, nanotechnology, biometrics, digital devices, computer engineering, systems, and biomedical engineering. In addition, a complete compendium of information regarding physical, chemical, and materials data, as well as widely inclusive information on mathematics is included in each volume. Many articles from this volume and the other five volumes have been completely revised or updated to fit the needs of today and many new chapters have been added. The purpose of this volume (Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, and Instruments) is to provide a ready reference to subjects in the fields of sensors, materials and nanoscience, instruments and measurements, and biomedical systems and devices. Here we provide the basic information for understanding these fields. We also provide information about the emerging fields of sensors, nanotechnologies, and biological effects. Organization The information is organized into three sections. The first two sections encompass 10 chapters and the last section summarizes the applicable mathematics, symbols, and physical constants. Most articles include three important and useful categories: defining terms, references, and further information. Defining terms are key definitions and the first occurrence of each term defined is indicated in boldface in the text. The definitions of these terms are summarized as a list at the end of each chapter or article. The references provide a list of useful books and articles for follow-up reading. Finally, further information provides some general and useful sources of additional information on the topic. Locating Your Topic Numerous avenues of access to information are provided. A complete table of contents is presented at the front of the book. In addition, an individual table of contents precedes each section. Finally, each chapter begins with its own table of contents. The reader should look over these tables of contents to become familiar with the structure, organization, and content of the book. For example, see Section II: Biomedical Systems, then Chapter 7: Bioelectricity, and then Chapter 7. This tree-and-branch table of contents enables the reader to move up the tree to locate information on the topic of interest. Two indexes have been compiled to provide multiple means of accessing information: subject index and index of contributing authors. The subject index can also be used to locate key definitions. The page on which the definition appears for each key (defining) term is clearly identified in the subject index. The Electrical Engineering Handbook, 3rd Edition is designed to provide answers to most inquiries and direct the inquirer to further sources and references. We hope that this handbook will be referred to often and that informational requirements will be satisfied effectively. Acknowledgments This handbook is testimony to the dedication of the Board of Advisors, the publishers, and my editorial associates. I particularly wish to acknowledge at Taylor & Francis Nora Konopka, Publisher; Helena Redshaw, Editorial Project Development Manager; and Susan Fox, Project Editor. Finally, I am indebted to the support of Elizabeth Spangenberger, Editorial Assistant. Dorf Editor-in-Chief Editor-in-Chief Richard C. Dorf, Professor of Electrical and Computer Engineering at the University of California, Davis, teaches graduate and undergraduate courses in electrical engineering in the fields of circuits and control systems. He earned a Ph. in electrical engineering from the U. Naval Postgraduate School, an M. from the University of Colorado, and a B. from Clarkson University. Highly concerned with the discipline of electrical engineering and its wide value to social and economic needs, he has written and lectured internationally on the contributions and advances in electrical engineering. Professor Dorf has extensive experience with education and industry and is professionally active in the fields of robotics, automation, electric circuits, and communications. He has served as a visiting professor at the University of Edinburgh, Scotland; the Massachusetts Institute of Technology; Stanford University; and the University of California, Berkeley. Professor Dorf is a Fellow of The Institute of Electrical and Electronics Engineers and a Fellow of the American Society for Engineering Education. Dorf is widely known to the profession for his Modern Control Systems, 10th Edition (Addison-Wesley, 2004) and The International Encyclopedia of Robotics (Wiley, 1988). Dorf is also the co-author of Circuits, Devices and Systems (with Ralph Smith), 5th Edition (Wiley, 1992), and Electric Circuits, 7th Edition (Wiley, 2006). He is also the author of Technology Ventures (McGraw- Hill, 2005) and The Engineering Handbook, 2nd Edition (CRC Press, 2005). Advisory Board Frank Barnes William Kersting Richard S. Sandige University of Colorado New Mexico State University California Polytechnic Boulder, Colorado Las Cruces, New Mexico State University San Luis Obispo, California Joseph Bronzino Trinity College Vojin Oklobdzia Hartford, Connecticut University of California, Davis Leonard Shaw Davis, California Polytechnic University Wai-Kai Chen Brooklyn, New York University of Illinois Chicago, Illinois John V. Oldfield John W. Steadman Syracuse University Delores Etter University of South Alabama Syracuse, New York United States Naval Academy Mobile, Alabama Annapolis, Maryland Lyle Feisel Banmali Rawat R. Lal Tummala State University of New York University of Nevada Michigan State University Binghamton, New York Reno, Nevada East Lansing, Michigan Contributors Ronald Arif David L. Hall Yuan Pu Lehigh University The Pennsylvania State University of California Bethlehem, Pennsylvania University Irvine, California University Park, Pennsylvania Frank Barnes Christopher G. Relf University of Colorado Bryan Stewart Hobbs National Instruments Certified Boulder, Colorado City Technology Limited LabVIEW Developer Portsmouth, England New South Wales, Australia R. Barr Duke University Durham, North Carolina Bonnie Keillor Slaten Zhian Jin University of Colorado Lehigh University Edward J. Berbari Boulder, Colorado Bethlehem, Pennsylvania Indiana University/Purdue University Indianapolis, Indiana Rosemary L. Khalilieh University of Maine Robert A. Bond Tyco Infrastructure Services Orono, Maine MIT Lincoln Laboratory Grand Rapids, Michigan Lexington, Massachusetts Ronald J. Tallarida James Llinas Temple University Joseph D. Bronzino State University of New York Philadelphia, Pennsylvania Trinity College at Buffalo Hartford, Connecticut Williamsville, New York Nelson Tansu B. Dhillon Lehigh University University of Ottawa Sergey Edward Lyshevski Bethlehem, Pennsylvania Ottawa, Ontario, Canada Rochester Institute of Technology Rochester, New York Charles W. Dorval II Naval Postgraduate School Boston University Monterey, California Boston, Massachusetts David R. Martinez MIT Lincoln Laboratory Lexington, Massachusetts M. Michael Vai Halit Eren MIT Lincoln Laboratory Curtin University of Technology Lexington, Massachusetts Bentley, Western Australia, Australia M. Meyyappan NASA Ames Research Center Joseph Watson Martin D. Fox Moffett Field, California University of Wales University of Connecticut Swansea, United Kingdom Storrs, Connecticut Michael R. Neuman Michigan Technological John A. Geddes University Purdue University Boston University Houghton, Michigan Boston, Massachusetts Lafayette, Indiana Victor Giurgiutiu John Pelesko David Young University of South Carolina University of Delaware Rockwell Semiconductor Systems Columbia, South Carolina Newark, Delaware Newport Beach, California Contents SECTION I Sensors, Nanoscience, and Instruments 1 Sensors 1.2 Electrochemical Sensors Bryan Stewart Hobbs .3 The Stannic Oxide Semiconductor Gas Sensor Joseph Watson . 1-18 2 An Introduction to Multi-Sensor Data Fusion David L. Hall and James Llinas . 2-1 3 Magneto-optics David Young and Yuan Pu . 3-1 4 Materials and Nanoscience 4.2 Modeling MEMS and NEMS John Pelesko .3 Micromechatronics Victor Giurgiutiu and Sergey Edward Lyshevski .4 Nanocomputers, Nano-Architectronics, and Nano-ICs Sergey Edward Lyshevski .5 Semiconductor Nano-Electronics and Nano-Optoelectronics Nelson Tansu, Ronald Arif, and Zhian Jin .