傳感技術課件第1頁，課件共119頁，創作于2023年2月本章內容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規律與傳感器2.3傳感器的基礎效應2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件現代傳感器技術 <2/78>第2頁，課件共119頁，創作于2023年2月2.1.1信息獲取1．信息獲取的基本概念什么是信息人類獲取信息的方法信息理論概述2．傳感器的任務是信息感知傳感器的基本任務傳感器是獲取信息的工具傳感器應該滿足一些必需的條件現代傳感器技術 <3/121>第3頁，課件共119頁，創作于2023年2月2.1.2傳感器涉及的基礎理論1．傳感技術正在成為多學科交匯點2.自然規律是傳感技術的理論依據自然界普遍適用的自然規律；物質相互作用的效應原理；實現效應的功能材料；相關技術學科的前沿技術。3．傳感理論基礎自然界普遍適用的自然規律物質相互作用的效應原理及功能材料信息論、系統論與控制論非線性科學理論相關學科的定理、方法及其最新成果現代傳感器技術 <4/121>第4頁，課件共119頁，創作于2023年2月本章內容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規律與傳感器2.3傳感器的基礎效應2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件現代傳感器技術 <5/78>第5頁，課件共119頁，創作于2023年2月

2.2.1守恒定律伯努利方程（關于密封管路中無粘性流體流動的能量守恒定律）：流體在忽略粘性損失的流動中，流線上任意兩點的壓力勢能、動能與位勢能之和保持不變。現代傳感器技術 <6/121>第6頁，課件共119頁，創作于2023年2月

2.2.1守恒定律皮托管：1732年由法國工程師皮托首創，至今仍是測量流速的常用儀器。皮托管是用來測量運動流體內任一點流速的儀器。流速由動壓進行計算（總壓和靜壓差）現代傳感器技術 <7/121>第7頁，課件共119頁，創作于2023年2月2.2.2場的定律法拉第首先提出了磁力線、電力線的概念，在電磁感應、電化學、靜電感應的研究中進一步深化和發展了力線思想，并第一次提出場的思想，建立了電場、磁場的概念。其后，經典電磁場論（麥克斯韋、赫茲）得到確立。在經典電磁學的建立與發展過程中，形成了電磁場的概念。現代傳感器技術 <8/121>MichaelFaraday（1791—1867）JamesClerkMaxwell(1831-1879)第8頁，課件共119頁，創作于2023年2月2.2.2場的定律物理場:某一空間范圍及其各種事物分布狀況的總稱場的定律，都是關于物質作用的客觀規律。揭示的是物體在空間排列和分布狀態與某一時刻的作用有關的客觀規律，一般可用物理方程給出。這些方程就是某些傳感器工作的數學模型，而與這些定律有關的參數通常與具體物質的內部結構（如成分、材料）無關，與物質在空間的位置及分布狀態與某時刻的作用有關。現代傳感器技術 <9/121>第9頁，課件共119頁，創作于2023年2月電磁感應定律指出：導體回路中感應電動勢的大小與穿過回路的磁通量的變化率成正比。當線圈以速度v垂直于磁場運動時，由于切割磁力線，在線圈中產生與運動速度成正比的感應電動勢：自感式傳感器、互感式傳感器、感應同步器和電渦流式傳感器等，可用來測量位移、運動速度、振動等多種物理量。

2.2.2場的定律第10頁，課件共119頁，創作于2023年2月利用靜電場的有關定律制成電容傳感器。靜電場中兩平行電極板間的電容量C為：兩極板相對移動Δδ時，C的變化量：2.2.2場的定律第11頁，課件共119頁，創作于2023年2月波是場的一種運動形態，光波是一種廣泛存在的電磁波。利用光電磁場的基本定律，如光的直線傳播定律、光波之間的相互作用，如光的干涉、衍射、偏振現象、光的多普勒效應等，可以制成影像、干涉、衍射、偏振、光柵、光碼盤等各式各樣的傳感器和測量裝置。2.2.2場的定律

第12頁，課件共119頁，創作于2023年2月利用場的定律構成的傳感器，其性能由定律決定，與使用材料無關。這類傳感器的形狀、尺寸等參數決定了傳感器的量程、靈敏度等性能，因此這類傳感器統稱為結構型傳感器。它們具有設計的自由度較大、選擇材料的限制較小等優點，但體積一般較大，并且不易集成。2.2.2場的定律第13頁，課件共119頁，創作于2023年2月物質定律:各種物質本身內在性質的定律、法則、規律等。它們通常以固有的物理常數加以描述。如胡克定律，歐姆定律等。這些定律都含有物質所固有的常數，即定律是定義各種物理常數的公式。利用各種物質定律構成的傳感器統稱為物性型傳感器。這些傳感器的主要性能在很大程度上受相應的物理常數或化學、生物特性所決定，也即與物質的材料密切相關。2.2.3物質定律第14頁，課件共119頁，創作于2023年2月利用半導體物質具有的壓阻、熱阻、光阻、濕阻和霍爾等效應，可以分別制成力、壓力、溫度、光強、濕度和磁場等傳感器；利用壓電材料所具有的壓電效應可制成壓電式、聲表面波和超聲波等傳感器；利用生物、化學敏感特性制成的生物、化學傳感器等。

2.2.3物質定律第15頁，課件共119頁，創作于2023年2月霍爾（Hall）效應當電流垂直于外磁場的方向通過導體或半導體薄片時，在薄片垂直于電流和磁場方向的兩側表面之間產生電位差的現象，稱為霍爾效應。現代傳感器技術 <16/121>第16頁，課件共119頁，創作于2023年2月＋＋－NUH－＋R1R2R1R2U0φ1霍爾效應檢測直流電流第17頁，課件共119頁，創作于2023年2月I1U1U2BP·T霍爾效應測量功率第18頁，課件共119頁，創作于2023年2月由于利用物質定律的物性型傳感器具有構造簡單、體積小、無可動部件、反應快、靈敏度高、穩定性好、易集成等特點，因此是當代傳感技術領域中具有廣闊發展前景的傳感器。與物質所固有的物理常數有關的各種現象可分為三大類：熱平衡現象傳輸現象量子現象2.2.3物質定律

第19頁，課件共119頁，創作于2023年2月一個系統在沒有外界影響的條件下，即外界對系統既不作功，又不傳熱的情況下，系統各個部分之間的能量以熱量的形式而不是以功的形式進行交換，經過一定的時間后，系統各部分將達到一種宏觀性質不隨時間變化的狀態，這種現象就稱為熱平衡。一、熱平衡現象第20頁，課件共119頁，創作于2023年2月描述熱平衡狀態系統的物理量稱為狀態量。若把這個系統分割成若干個小系統，則狀態量可分為兩種①與分割方法無關，其性質由其量的大小來決定的狀態量。稱為強度型狀態量，簡稱示強變量。如溫度、壓力、電場強度、磁場強度。②具有與系統的大小（體積、面積等）成正比性質的狀態量，稱為容量型狀態量，簡稱示容變量，又叫容量量或廣延量。如能量、熵、位移等。一、熱平衡現象第21頁，課件共119頁，創作于2023年2月設示容變量為xi，對應的示強變量為Xi，則能量為：當若干個xi有微小的變化，則系統能量變化為：xj表示除xi外的容量狀態量保持固定條件，某個強度量對應容量狀態量的關系。麥克斯韋關系式第22頁，課件共119頁，創作于2023年2月根據熱力學原理（熱力學第一定律）：系統由能量U的平衡狀態變化到的U+dU平衡狀態時，其變化與所取得微分途徑無關。麥克斯韋關系式第23頁，課件共119頁，創作于2023年2月同理：如果有若干個示強變量發生微小變化，使系統能量變化時，但系統在能量變化前和變化后均處于熱平衡狀態，則麥克斯韋關系式可寫成：k表示除Xi，Xj以外的強度量保持固定不變。因為示強變量易測量，大小也易調整（溫度、壓力、磁場強度等），所以實踐中通常以示強變量作為獨立變量予以測量。麥克斯韋關系式第24頁，課件共119頁，創作于2023年2月麥克斯韋關系式說明不同種類能量所對應的強度型狀態量與容量型狀態（或相反）微分之比為定值，具有這種關系的效應稱為熱平衡一次效應。一次效應是可逆的。熱平衡一次效應第25頁，課件共119頁，創作于2023年2月當某些電介質沿一定方向受外力作用時，在其一定的兩個表面上產生異號電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態其中電荷大小與外力大小成正比，極性取決于受力方向，即變形是壓縮還是伸長；比例系數為壓電常數，它與形變方向有關，固定材料的確定方向上為常量。

熱平衡一次效應：壓電效應第26頁，課件共119頁，創作于2023年2月正壓電效應當對壓電材料施以外力（壓力）時，材料體內的電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這一變化會在材料表面產生正負電荷，以保持原狀。現代傳感器技術 <27/121>第27頁，課件共119頁，創作于2023年2月當在電介質的極化方向施加電場，某些電介質在一定方向上將產生機械變形或機械應力，當外電場撤去后，變形或應力也隨之消失。其應變的大小與電場強度的大小成正比，方向隨電場方向變化而變化。當對壓電材料表面電場（電壓），因電場作用時材料體內的電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗這一變化會沿電場方向拉伸。逆壓電效應第28頁，課件共119頁，創作于2023年2月機械能（輸入）：力F—強度型狀態

V0Σ—引起變形體積變化電能（輸出）：電荷Q—容量型狀態量電場強度E—強度型狀態量其中：F、E為不同種類強度量；V0Σ、Q為不同種類的容量量。根據麥氏關系式：熱平衡一次效應第29頁，課件共119頁，創作于2023年2月利用壓磁元件測量力時，在外力F作用下，壓磁元件材料發生形變，體積隨之變化V0Σ，產生應力，使其磁導率μ改變，從而引起磁感應強度B的變化；而當壓磁元件置于磁場強度為H的磁場中，則其產生機械變形V0Σ，因此：熱平衡一次效應第30頁，課件共119頁，創作于2023年2月同一種類能量的強度型狀態量與容量型狀態量微分之比，或同一種類能量的示容變量與示強變量微分之比，是不能直接構成傳感器的。膜盒或膜片等彈性敏感元件在力F(或壓力)作用下產生形變l，剛度系數：電場電勢U作用于電容器導電極板產生電荷Q，電容系數：溫度T產生熱量Q，熱容量：熱平衡二次效應第31頁，課件共119頁，創作于2023年2月利用彈性元件受力產生變形，其應變與應變片電阻值的關系可制成電阻應變式力(壓力)傳感器。上述這種變換稱為二次效應，二次效應沒有逆效應。熱平衡二次效應第32頁，課件共119頁，創作于2023年2月當系統中存在有強度量的差或梯度時，相應的廣延量就隨時間而變化，即廣延量的流動，這種現象稱為傳輸現象。導體兩端有電位差時，就有電流流動；物體有溫度差時，就有熱流流動；電容兩端有電位差時，就有電荷積累等。這種使相應廣延量流動的強度量的差或梯度可視為一種力，稱之為親和力或親和勢。二、傳輸現象第33頁，課件共119頁，創作于2023年2月由兩種導體或半導體閉合構成的熱電偶，當其兩結點有溫度差時，就有熱流在兩結點間流動，由于塞貝克效應（又稱熱電效應），則在兩結點間產生電動勢，回路中就有電流。接觸電動勢溫差電動勢塞貝克效應第34頁，課件共119頁，創作于2023年2月兩種導體的接觸電動勢玻耳茲曼常數塞貝克效應第35頁，課件共119頁，創作于2023年2月單一導體的溫差電動勢塞貝克效應第36頁，課件共119頁，創作于2023年2月塞貝克效應第37頁，課件共119頁，創作于2023年2月金屬的塞貝克系數α約為0～80μv/k，溫差電效應較小，可制成熱電偶，用于測溫等。兩種不同半導體聯接回路兩端保持不同溫度，其α約為50～100μv/k，可制成溫差發電器。塞貝克效應第38頁，課件共119頁，創作于2023年2月如果熱電偶處于某一環境溫度下，并在其回路中通入電流，由于珀耳帖效應（塞貝克效應的逆效應），則在兩結點處分別放出和吸收與電流成正比關系的熱量，其通入的電流是由電位差產生的，輸出的熱量是由溫度差產生的。珀耳帖效應第39頁，課件共119頁，創作于2023年2月由此可知，塞貝克效應是因溫度差而產生電流，珀耳帖效應是由電位差而產生熱流，他們是可逆的。把這種不同種類的親和力和流之間的效應稱為一次效應，利用一次效應可以直接制成各種傳感器。同一種類的親和力和流之間的關系不能直接用于傳感器中，但是利用它們與其他狀態量的關系，仍可制成各種傳感器，這種現象稱為傳輸現象的二次效應。二、傳輸現象第40頁，課件共119頁，創作于2023年2月電阻率是電場強度與其所引起的電流密度之比，是電導率的倒數，若利用它與變形、壓力、溫度等的關系，則可構成電阻應變式、壓敏電阻、熱敏電阻等傳感器。電介質的介電常數是其電容率與真空電容率之比，不能直接構成傳感器，但若利用介電常數與溫度、濕度、容量等的關系，則可制成電容式溫度傳感器、電容式濕度傳感器、電容式液位傳感器等。二、傳輸現象第41頁，課件共119頁，創作于2023年2月量子現象：分子、原子、電子、光子、中子等微觀客體遵循的物理學規律是微觀規律，它所具有的各種現象，如物質分子和原子的能量是離散跳躍的、核磁共振、隧道效應、核輻射等。量子尺寸效應、光電效應核磁共振、約瑟夫遜效應三、量子現象第42頁，課件共119頁，創作于2023年2月量子尺寸效應：即指當粒子尺寸下降到某一數值時，費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級或者能隙變寬的現象。當能級的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時，導致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導特性與常規材料有顯著的不同。量子尺寸效應第43頁，課件共119頁，創作于2023年2月光電效應外光電效應：在光的照射下，物質內部的電子受到光子的作用，吸收光子能量而從表面釋放出來的現象，稱為外光電效應，被釋放的電子稱為光電子，所以又稱光電子發射效應。它是在1887年由德國人赫茲首先發現的。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。現代傳感器技術 <44/121>第44頁，課件共119頁，創作于2023年2月光電效應內光電效應：在光的照射下，物質吸收入射光子的能量，在物質內部激發載流子，但這些載流子仍留在物質內部，從而增加物體的導電性或產生電動勢、或產生光電流的現象，稱為內光電效應。內光電效又可分為光電導效應和光生伏特效應兩類。現代傳感器技術 <45/121>第45頁，課件共119頁，創作于2023年2月光電效應光電導效應：某些物體（一般為半導體）受到光照時，其內部原子釋放的電子留在內部而使物體的導電性增加、電阻值下降的現象稱為光電導效應。絕大多數的高電阻率半導體都具有光電導效應。基于光電導效應的光電器件有光敏電阻等。現代傳感器技術 <46/121>第46頁，課件共119頁，創作于2023年2月光電效應光生伏特效應：物體(一般指半導體)在光的照射下能產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管和半導體位置敏感器件等。現代傳感器技術 <47/121>第47頁，課件共119頁，創作于2023年2月光電效應光生伏特效應側向光生伏特效應:半導體位置敏感器件現代傳感器技術 <48/121>硅光電池硒光電池第48頁，課件共119頁，創作于2023年2月磁共振量子現象不僅發生于光電傳感器材料，在磁電、熱電等各種傳感器材料中也比比皆是。對原子、分子施加磁場影響就會加劇材料內部電子的熱振，改變了材料原來的能量狀態。所以如果使磁場以某一特定頻率變化，使之產生共振現象，這種現象稱作磁共振，是調整材料內部能量狀態的一種重要手段。由于共振頻率取決于磁場強度，所以這種量子效應也能用于磁場傳感器。現代傳感器技術 <49/121>第49頁，課件共119頁，創作于2023年2月約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應是超導體的一種量子干涉效應。在兩塊超導體之間放置厚度約為10-9m的極薄的絕緣層，組成約瑟夫結或稱超導隧道結。由于絕緣層厚度遠比超導電子相干長度（可達10-6m）小得多，所以絕緣層兩側超導電子間就會發生耦合，呈現出超導電流的量子干涉現象，即約瑟夫遜效應。現代傳感器技術 <50/121>第50頁，課件共119頁，創作于2023年2月約瑟夫遜效應隧道效應第51頁，課件共119頁，創作于2023年2月直流約瑟夫遜效應：約瑟夫遜結在不外加電壓或磁場時，有直流電流通過絕緣層，即超導電流能無電阻地通過極薄的絕緣層；當約瑟夫遜結外加平行于結平面的磁場時，超導電流的相位受到磁場明顯的調制作用，因而超導電流和磁場的關系出現類似夫瑯和菲衍射圖樣。約瑟夫遜效應第52頁，課件共119頁，創作于2023年2月交流約瑟夫遜效應：約瑟夫遜結能夠吸收和發射電磁波的現象。1.加以直流電壓輻射電磁波給約瑟夫遜結加以直流電壓時，約瑟夫遜結會產生頻率與所加電壓U成正比的高頻超導電流，并向外輻射電磁波，電磁波頻率為：約瑟夫遜效應第53頁，課件共119頁，創作于2023年2月2.加以直流和交流電壓輸出直流電流（壓）給約瑟夫遜結加以直流電壓，同時施加一交流射頻電壓或用一定頻率的電磁波作用于結上，則當由直流電壓引起的高頻電流頻率與外加交流射頻電壓頻率相等，或與外加電磁波頻率相等，或者是它們的整數倍時，將有直流成分的超導電流流過絕緣層，輸出直流電壓：約瑟夫遜效應第54頁，課件共119頁，創作于2023年2月熱平衡與傳輸現象等熱力學規律是熱現象的宏觀理論，統計物理學是從物質的微觀結構出發，即從組成它們的原子、分子等微觀粒子的運動及其相互作用出發，去研究宏觀物體熱性質的科學。統計物理學認為：所有宏觀上可觀測的物理量都是相應微觀量的統計平均值，許多看似雜亂無章的微觀運動表現出統計規律性。2.2.4統計物理學法則第55頁，課件共119頁，創作于2023年2月奈奎斯特定理：由統計物理可知，電子熱運動的漲落，在電阻R的兩端產生熱噪聲的電位波動，電阻R兩端的熱噪聲電壓Un的方均值為：熱噪聲型熱敏電阻：測溫精度高（0.1～0.5％），測量1500℃以下的溫度，可在惡劣環境下使用；輸出電壓極小，例如當T＝300K，R＝100Ω，△f＝100kHz時，輸出電壓只有4×10-7V。2.2.4統計物理學法則第56頁，課件共119頁，創作于2023年2月UrUnSRr(Tr)R(Tx)U2∫Δ由于熱噪聲的頻帶寬度不易正確測定，因此目前多采用與基準噪聲電壓相比較的方法來測量溫度。2.2.4統計物理學法則第57頁，課件共119頁，創作于2023年2月近年來由于超導量子干涉器件的問世，使熱噪聲溫度測量已成為可能。它是利用熱噪聲對約瑟夫遜效應的擾動測量溫度。由于約瑟夫遜結輻射的頻率與通過結的電壓有關，因此當被測溫度使結的正常電阻兩端產生噪聲電壓時，此電壓的漲落將使結輸出的微波頻率變化，但其輻射帶寬是有限的，因而可以很精確地測量出，而測量噪聲電壓的精度也可以很高。2.2.4統計物理學法則第58頁，課件共119頁，創作于2023年2月本章內容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規律與傳感器2.3傳感器的基礎效應2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件現代傳感器技術 <59/78>第59頁，課件共119頁，創作于2023年2月物質效應與物性型傳感器光電效應電光效應磁光效應磁電效應熱電效應和熱釋電效應壓電、壓阻和磁致伸縮效應約瑟夫遜效應與核磁共振光的多普勒效應和薩古納克效應聲音的多普勒效應及聲電、聲光效應與化學有關的效應納米效應2.3傳感器的基礎效應第60頁，課件共119頁，創作于2023年2月物質的光學特性（如折射率）受外電場的影響而發生變化的現象統稱為電光效應。泡克耳斯（Pockels）效應克爾效應光彈效應電致發光效應電致變色效應2.3.3電光效應第61頁，課件共119頁，創作于2023年2月1893年德國物理學家泡克耳斯首先發現，一些晶體在縱向電場（電場方向與光的傳播方向一致）作用下會改變其各向異性性質，產生附加的雙折射現象，稱為電致雙折射。泡克耳斯從實驗證實壓電晶體的兩個主折射率主之差為：線性電光效應泡克耳斯效應第62頁，課件共119頁，創作于2023年2月1875年英國物理學家克爾發現，光照射具有各向同性的透明物質，在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發生雙折射。因兩個主折射率之差正比于電場強度的平方，故這種效應又稱作平方電光效應。克爾效應第63頁，課件共119頁，創作于2023年2月某些非晶體物質（如塑料、玻璃）在機械力的作用下，彈性體的折射率發生變化，呈現雙折射性質的效應。這稱作應力致雙折射或光彈效應。光彈效應的雙折射是暫時的，應力解除后即消失。光彈性效應可用于研究機械零件、建筑構件等物體內部應力的情況。利用光彈效應可制成壓力、振動、聲響傳感器。光彈效應第64頁，課件共119頁，創作于2023年2月電致發光效應：某些固態晶體如高純度鍺、硅和砷化鎵等化合物半導體在光和外加電場作用下發出冷光（指熒光和磷光）的現象，以及某些固態晶體如磷化鎵、磷化銦等無需外加激發光而在外加電場作用下即可發光的現象。電致發光是將電能直接轉換為光能的過程。基于電致發光效應的器件有發光二極管、半導體激光器等。電致發光效應第65頁，課件共119頁，創作于2023年2月這種在電流或電場的作用下,材料發生可逆變色的現象，稱為電致變色效應。基于致變色效應的主要器件有信息顯示器件、電致變色靈巧窗、無眩反光鏡、電色儲存器件等。電致變色效應第66頁，課件共119頁，創作于2023年2月置于外磁場的物體，在光和外磁場的作用下，其光學特性（如吸光特性、折射率等）發生變化的現象稱為磁光效應。法拉第效應磁光克爾效應科頓-穆頓效應塞曼效應光磁效應2.3.4磁光效應第67頁，課件共119頁，創作于2023年2月當線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度與外磁場強度和光穿越介質的長度的乘積成正比，即：式中：V—磁光效應常數或費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關，可正可負；He—外磁場強度。法拉第效應第68頁，課件共119頁，創作于2023年2月磁光調制器法拉第效應第69頁，課件共119頁，創作于2023年2月平面偏振光垂直入射于拋光的強電磁鐵的磁極表面，所產生的反射光是一束橢圓偏振光，且偏振面的偏轉角度隨磁場強度而變化，這種現象叫磁光克爾效應。克爾磁光效應的最重要應用是觀察鐵磁體的磁疇。磁光克爾效應第70頁，課件共119頁，創作于2023年2月磁疇是指磁性材料內部的一個個小區域，每個區域內部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。不同的磁疇有不同的自發磁化方向，引起反射光振動面的不同旋轉，通過偏振片觀察反射光時，將觀察到與各磁疇對應的明暗不同的區域。用此方法還可對磁疇變化作動態觀察。磁光克爾效應克爾顯微鏡下的NdFeB顆粒中的磁疇第71頁，課件共119頁，創作于2023年2月科頓和穆頓于1907年發現光從處在橫向磁場內的液體中通過時，產生雙折射現象，稱為科頓-穆頓效應，或磁致雙折射效應。實驗證實，處在外磁場內的媒質的二主折射率之差正比于磁感應強度H的平方：式中，C’為科頓-穆頓常數，它與光波波長λ和溫度有關，與磁場強度無關。科頓-穆頓效應磁致伸縮傳感器：利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號來準確地測量位置。第72頁，課件共119頁，創作于2023年2月原子在磁場中能級和光譜發生分裂的現象。塞曼效應是研究原子結構的重要途徑之一。在天體物理中，塞曼效應被用來測量天體磁場及星際磁場。因變化量極小，難用于傳感器，但可用于激光穩頻，制成雙頻激光器。塞曼效應從太陽黑子譜線觀測到的塞曼效應塞曼效應第73頁，課件共119頁，創作于2023年2月光的多普勒效應：當光源或觀察者（光接收器）相對于介質（或散射體、反射器）運動時，觀察者所接收到的光波頻率不同于光波源的頻率。由于多普勒效應而引起的頻率變化數值稱為多普勒頻移。利用多普勒效應可以進行速度、流速、流量等測量，例如光纖式血液流速測量，激光多普勒超低速(1cm/h)、超音速測量等。2.3.9光的多普勒效應和薩古納克效應第74頁，課件共119頁，創作于2023年2月同一光源同一光路，兩束對向傳播光之間的光程差或相位差與其光學系統相對于慣性空間旋轉的角速度成正比的現象，稱為薩古納克效應。2.3.9光的多普勒效應和薩古納克效應第75頁，課件共119頁，創作于2023年2月本章內容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規律與傳感器2.3傳感器的基礎效應2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件現代傳感器技術 <76/78>第76頁，課件共119頁，創作于2023年2月敏感元件是傳感器的核心器件，它的作用是通過敏感材料的固有特性及相應的物理、化學、生物效應，將被測量轉換為便于利用的物理量。傳感器的敏感機理是自然規律中各種定律、法則和效應，而傳感器的具體實現則是依靠一些能有效表現這些規律、現象的各種功能材料以及它們的裝置。傳感器的進步更依賴于新材料、新裝置、新工藝的不斷推陳出新。2.4.1敏感材料的工作機理第77頁，課件共119頁，創作于2023年2月按結晶狀態可分為：單晶、多晶、非晶和微晶等。按電子結構和化學鍵可分為：金屬、陶瓷和聚合物三大類。按物理性質又可分為：超導體、導電體、半導體、介電體、鐵電體、壓電體、鐵磁體、鐵彈體、磁彈體等幾種。按形態分有：摻雜、微粉、薄膜、塊狀(帶、片)、纖維等形態。2.4.2敏感材料的類型與特性第78頁，課件共119頁，創作于2023年2月按功能不同可分為：力敏、壓敏、光敏、色敏、聲敏、磁敏、氣敏、濕敏、味敏、化學敏、生物敏、射線敏等十幾類。按材料功能分有：導電材料、壓電材料、熱電材料、光電材料、磁性材料、透光和導光材料、發光材料、激光材料、非線性光學材料、光調制用材料、紅外材料、隱身材料、梯度功能材料、機敏材料和智能材料、納米材料、仿生材料等。按材料成分：金屬材料、無機和有機。2.4.2敏感材料的類型與特性第79頁，課件共119頁，創作于2023年2月功能⑴感知功能：能夠檢測并且可以識別外界（或者內部）的刺激強度。⑵響應功能：能夠根據外界環境和內部條件變化，適時動態地作出相應的反應，并且反應靈敏、及時和恰當。⑶信息識別與積累功能：能夠識別傳感網絡得到的各類信息并將其積累起來。⑷恢復功能：當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態。⑸智能功能：部分材料還具有自診斷、自修復、自調節等智能功能。2.4.2敏感材料的類型與特性第80頁，課件共119頁，創作于2023年2月特性⑴敏感性好：包括靈敏系數高、響應速度快、適用范圍寬、檢測精度高、動態特性好、輸出特性易于調整和補償、選擇性好等。⑵可靠性好：包括耐熱、耐磨損、耐腐蝕、耐振動、耐過載等。⑶加工性好：包括易成型、批量生產實現集成化、尺寸穩定、互換性好等。⑷經濟性好：包括成本低、成品率高、性能/價格比高等。2.4.2敏感材料的類型與特性第81頁，課件共119頁，創作于2023年2月2.4.3新型敏感材料第82頁，課件共119頁，創作于2023年2月1.半導體敏感材料：元素半導體主要有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等；50年代，鍺在半導體中占主導地位，但其耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅材料取代；用硅制造的半導體器件，耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件；因此，硅已成為應用最多的一種半導體材料，目前的集成電路大多數是用硅材料制造的。2.4.3新型敏感材料第83頁，課件共119頁，創作于2023年2月硅單晶硅的組成原子均按照一定的規則，周期性的排列。（效率高、性能穩定）多晶硅的硅原子堆積方式不只一種，它是由多種不同排列方向的單晶所組成。（制作簡單、成本較低）非晶硅是指硅原子的排列非常紊亂，沒有規則可循。（對光的吸收性強，但穩定性較差，在強烈光線照射下會產生缺陷而導致電流下降，發生供電不穩定的問題）2.4.3新型敏感材料第84頁，課件共119頁，創作于2023年2月化合物半導體由兩種或兩種以上的元素化合而成。它的種類很多，重要的有砷化鎵、磷化銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。砷化鎵是制造微波器件和集成電路的重要材料

。碳化硅由于其抗輻射能力強、耐高溫和化學穩定性好，在航天技術領域等有著廣泛的應用。2.4.3新型敏感材料磷化銦銻化銦紅外探測器件砷化鎵太陽能電池第85頁，課件共119頁，創作于2023年2月無定形半導體用作半導體的玻璃是一種非晶體無定形半導體材料，分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。這類材料具有良好的開關和記憶特性和很強的抗輻射能力，主要用來制造閾值開關、記憶開關和固體顯示器件。2.4.3新型敏感材料氧化鉺氧化銩不同通電情況下，氧化玻璃顯示不同第86頁，課件共119頁，創作于2023年2月有機半導體已知的有機半導體材料有幾十種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等。有機半導體材料和器件的應用研究與產業化正在蓬勃進行中，有可能在有機電致發光、有機光電轉化、有機場效應管、太陽能電池以及信息存貯器件等領域得到廣泛應用

。2.4.3新型敏感材料塑料芯片導電塑料第87頁，課件共119頁，創作于2023年2月新型復合材料，是繼天然材料、人造材料、精細材料之后的第四代功能材料。具有感知內外環境刺激，對之進行分析、處理、判斷、并采取一定的措施進行適度響應的智能特征的材料。將高技術傳感器或敏感元件與傳統的結構材料和功能材料結合在一起，賦予材料嶄新的性能，兼具傳感、調節驅動、處理執行的功能，能隨著環境的變化而改變性能或形狀，使自身功能處于最佳狀態。智能材料是傳感技術與材料科學、信息處理與控制相融合的產物。智能材料振動音箱使用記憶合金的機械蝙蝠智能背心記憶材料第88頁，課件共119頁，創作于2023年2月特征⑴傳感功能：能夠感知外界或自身所處的環境條件，如負載、應力、應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射等的強度及其變化。⑵反饋功能：可通過傳感網絡，對系統輸入與輸出信息進行對比，并將其結果提供給控制系統。⑶信息識別與積累功能：能夠識別傳感網絡得到的各類信息并將其積累起來。⑷思考功能和預見功能：能在過去經驗的基礎上，對來自傳感網絡的各種信息進行分析，并可預見未來將出現的情況。智能材料第89頁，課件共119頁，創作于2023年2月⑸響應功能：能夠根據外界環境和內部條件變化，適時動態地作出相應的反應，并采取必要行動。⑹自診斷能力：能通過分析比較系統目前的狀況與過去的情況，對諸如系統故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正。⑺自修復能力：能通過自繁殖、自生長、原位復合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞。⑻自調節能力：對不斷變化的外部環境和條件，能及時地自動調整自身結構和功能，并相應地改變自己的狀態和行為，從而使材料系統始終以一種優化方式對外界變化做出恰如其分的響應。智能材料第90頁，課件共119頁，創作于2023年2月構成⑴基體材料：擔負著承載的作用，一般宜選用輕質材料。高分子材料（重量輕、耐腐蝕），金屬材料（輕質有色合金為）。⑵敏感材料：擔負著傳感的任務，其主要作用是感知環境變化。形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。⑶驅動材料：因為在一定條件下驅動材料可產生較大的應變和應力，所以它擔負著響應和控制的任務。常用有效驅動材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。智能材料第91頁，課件共119頁，創作于2023年2月分類按功能：光導纖維、形狀記憶、壓電、電流變體、電（磁）致伸縮材料等。按來源：金屬（形狀記憶合金、形狀記憶復合材料）、無機非金屬（電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料）、高分子（凝膠、膜材、粘合劑）。

智能材料光導纖維形狀記憶壓電陶瓷形狀記憶夾板第92頁，課件共119頁，創作于2023年2月“陶瓷”一詞就其傳統上來說，是將粘土一類的物料經過高溫燒結處理變成堅硬有用的多晶材料。現代陶瓷實際上泛指半導體以外的所有無機非金屬材料。它是用天然或人工合成的粉狀化合物，經過成形和高溫燒結制成的，由金屬和非金屬元素的無機化合物構成的多晶固體材料。陶瓷敏感材料壓阻陶瓷壓力傳感器壓電陶瓷壓力傳感器壓電陶瓷濾波器第93頁，課件共119頁，創作于2023年2月“功能陶瓷”是現代陶瓷發展的新成果，常被稱為先進陶瓷。功能陶瓷利用材料的電、光、磁、聲、熱和力等性能及其耦合效應，成為對溫度、壓力、磁性和光強變化等外界條件特別敏感的材料。陶瓷敏感材料是采用化學、物理及熱性能穩定的金屬氧化物經高溫燒結而成的，具有耐熱、耐磨、耐腐蝕等優良特性，而且適宜用在條件苛刻的氣氛中。陶瓷敏感材料熱敏功能陶瓷氧化鋯耐磨耐高溫陶瓷第94頁，課件共119頁，創作于2023年2月特點：陶瓷是用無機粉末作原材料，經過混合成形、燒結等工藝制成的一種材料。通過改變無機粉末的組成，可以制成性能不同的各種陶瓷敏感材料。陶瓷材料的微結構——晶粒、晶界、氣孔等對材料的性能影響很大，這些微結構受制造工藝的影響。陶瓷敏感材料第95頁，課件共119頁，創作于2023年2月由于陶瓷材料是經過混合、成形、高溫燒結等簡單工藝制成的，所以容易實現批量生產，同時價格低廉。陶瓷材料不燃燒、耐腐蝕、耐磨損，這些性能都是制造可靠性高的敏感元件所必需的。可通過和其他材料復合改進性能。還可利用陶瓷的多功能性，實現用單一陶瓷片制成多功能敏感元件。陶瓷敏感材料第96頁，課件共119頁，創作于2023年2月納米陶瓷：采用的原料的粒度和顯微結構及所體現的特性都是納米量級的，并具有納米效應。當制作陶瓷的顆粒和陶瓷中的晶粒、晶界、氣孔和缺陷等都降到納米級水平，由于表面與界面非常大，形成了納米材料特有的小尺寸效應、表面效應和量子效應。電子陶瓷：具有電功能的陶瓷，如壓電陶瓷、介電陶瓷、熱電陶瓷、光電陶瓷和半導體陶瓷。半導體陶瓷是傳感器應用常用材料，其尤以熱敏（高溫）、濕敏（不需要加熱清洗）、氣敏（不使用催化劑的低溫材料和高溫材料）、電壓敏（低壓用材料和高壓用材料）最為突出。陶瓷敏感材料第97頁，課件共119頁，創作于2023年2月壓電晶體：石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨等。石英晶體的突出優點是性能非常穩定，在常溫范圍內，介電常數和壓電常數幾乎不隨溫度變化。動態響應好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復性好、線性范圍寬等優點。石英晶體的缺點是壓電常數較小，因此在一般要求測量用的壓電式傳感器中，則基本上采用壓電陶瓷。壓電材料石英酒石酸鉀鈉電氣石第98頁，課件共119頁，創作于2023年2月壓電陶瓷：由幾種氧化物或碳酸鹽在燒結過程中發生固相反應而形成。鈦酸鋇：壓電常數要比石英晶體的大幾十倍，但其溫度穩定性、長時期穩定性以及機械強度都小于石英，而且工作溫度最高只有80℃左右。鋯鈦酸鉛（PZT）：由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體，具有很高的介電常數，工作溫度可達250℃，各項機電參數隨溫度和時間等外界因素的變化較小。壓電材料壓電陶瓷鈦酸鋇鋯鈦酸鉛第99頁，課件共119頁，創作于2023年2月壓電陶瓷：制造容易，可做成各種形狀；可任意選擇極化軸方向；易于改變瓷料的組分而得到具有各種性能的瓷料；成本低，適于大量生產。但由于是多晶材料，所以使用頻率受到限制。有機壓電材料：新近研究開發出來的新型壓電材料，如聚氯乙烯（PVC）、聚氟乙烯（PVF）、聚二氟乙烯（PVF2）等，它具有柔軟、不易破碎的特點。壓電材料第100頁，課件共119頁，創作于2023年2月要求：機-電轉換性能:應具有較大的壓電常數。

機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的強度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數，以期減弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲得良好的低頻特性。溫度和濕度穩定性良好，具有較高的居里點以期得到較寬的工作溫度范圍。

時間穩定性：壓電特性不隨時間蛻變。壓電材料第101頁，課件共119頁，創作于2023年2月目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發展起來的一種新型功能材料。這種材料在電磁場的作用下可以產生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉化為電磁能。特點：磁致伸縮值大、機械響應速度快、功率密度高磁致伸縮材料磁致伸縮液位計磁致伸縮位移傳感器第102頁，課件共119頁，創作于2023年2月形狀記憶材料：具有形狀記憶效應（ShapeMemoryEffect）的材料。形狀記憶效應：將材料在一定條件下進行一定限度以內的變形后，再對材料施加適當的外界條件，材料的變形隨之消失而回復到變形前的形狀的現象。形狀記憶材料形狀記憶塑料形狀記憶聚合材料第103頁，課件共119頁，創作于2023年2月（1）形狀恢復形式單程記憶效應：加熱時恢復高溫相形狀,冷卻時不恢復低溫相形狀的現象。雙程記憶效應：加熱時恢復高溫相狀態,冷卻時恢復低溫相形狀。全程記憶效應：加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀。形狀記憶材料第104頁，課件共119頁，創作于2023年2月種類：1）形狀記憶合金（SMA）在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫相狀態下經塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩定狀態的溫度時，恢復到低溫塑性變形前的形狀。具有這種效應的金屬，通常是由兩種以上的金屬元素構成的合金。形狀記憶材料第105頁，課件共119頁，創作于2023年2月2）形狀記憶陶瓷（SMC）熱誘發、應力誘發、外電場誘發。陶瓷的形狀記憶變形的量較小；而且每次記憶循環中都有較大的不可恢復變形；隨著循環次數的增加，累積變形增加，最終導致裂紋出現；它沒有雙程記憶效應。形狀記憶材料形狀記憶結構形狀記憶散熱器護柵第106頁，課件共119頁，創作于2023年2月3）形狀記憶高分子（SMP）①變形量大、賦形容易；②絕緣性能好、耐銹蝕；③易著色、可印刷、加工容易，易制成結構復雜的異型品