傳感理論基礎

1、第二章第二章 傳感理論基礎傳感理論基礎v2.1 2.1 信息獲取與信息感知信息獲取與信息感知v2.2 2.2 自然規(guī)律與傳感器自然規(guī)律與傳感器v2.3 2.3 傳感器的基礎效應傳感器的基礎效應v2.4 2.4 傳感器的新型敏感材料傳感器的新型敏感材料 v2.5 2.5 彈性敏感元件彈性敏感元件 2.1 2.1 信息獲取與信息感知信息獲取與信息感知2.1.1 信息獲取信息獲取2.1.2 傳感器涉及的基礎理論傳感器涉及的基礎理論 1信息獲取的基本概念信息獲取的基本概念 什么是信息什么是信息 人類獲取信息的方法人類獲取信息的方法 信息理論概述信息理論概述2傳感器的任務是信息感知傳感器的任務是信息感知

2、 傳感器的基本任務傳感器的基本任務傳感器是獲取信息的工具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傳感器應該滿足一些必需的條件 2.1.2 2.1.2 傳感器涉及的基礎理論傳感器涉及的基礎理論 1傳感技術(shù)正在成為多學科交匯點傳感技術(shù)正在成為多學科交匯點 2. 自然規(guī)律是傳感技術(shù)的理論依據(jù)自然規(guī)律是傳感技術(shù)的理論依據(jù)l自然界普遍適用的自然規(guī)律；自然界普遍適用的自然規(guī)律；l物質(zhì)相互作用的效應原理；物質(zhì)相互作用的效應原理；l實現(xiàn)效應的功能材料；實現(xiàn)效應的功能材料；l相關(guān)技術(shù)學科的前沿技術(shù)。相關(guān)技術(shù)學科的前沿技術(shù)。3傳感理論基礎傳感理論基礎3 3 傳感理論基礎傳感理論基礎 自然界普遍適用的自然

3、規(guī)律自然界普遍適用的自然規(guī)律 物質(zhì)相互作用的效應原理及功能材料物質(zhì)相互作用的效應原理及功能材料 物質(zhì)相互作用的效應原理及功能材料物質(zhì)相互作用的效應原理及功能材料 信息論、系統(tǒng)論與控制論信息論、系統(tǒng)論與控制論 非線性科學理論非線性科學理論 相關(guān)學科的定理、方法及其最新成果相關(guān)學科的定理、方法及其最新成果 2.2.1 2.2.1 守恒定律守恒定律 2.2.2 2.2.2 場的定律場的定律 2.2.3 2.2.3 物質(zhì)定律物質(zhì)定律 2.2.4 2.2.4 統(tǒng)計物理學法則統(tǒng)計物理學法則 2.2 2.2 自然規(guī)律與傳感器自然規(guī)律與傳感器2.2.1 2.2.1 守恒定律守恒定律 v伯努利方程伯努利方程（關(guān)

4、于密封管路中無粘性流體流動的能量守恒定（關(guān)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。力勢能、動能與位勢能之和保持不變。2.2 自然規(guī)律與傳感器自然規(guī)律與傳感器 2.2.1 2.2.1 守恒定律守恒定律 v皮托管：皮托管：1732年由法國工程師皮托首創(chuàng)，至今仍是測量流速年由法國工程師皮托首創(chuàng)，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(nèi)任一點流速的儀的常用儀器。皮托管是用來測量運動流體內(nèi)任一點流速的儀器。器。02ppv2.2.2 2.2.2 場的定律場的

5、定律 v法拉第首先提出了磁力線、電力線的概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、靜電感應的念，在電磁感應、電化學、靜電感應的研究中進一步深化和發(fā)展了力線思想，研究中進一步深化和發(fā)展了力線思想，并第一次提出場的思想，建立了電場、并第一次提出場的思想，建立了電場、磁場的概念。磁場的概念。Michael Faraday（17911867）v其后，經(jīng)典電磁場論（麥克斯韋、赫茲）其后，經(jīng)典電磁場論（麥克斯韋、赫茲）得到確立。在經(jīng)典電磁學的建立與發(fā)展過得到確立。在經(jīng)典電磁學的建立與發(fā)展過程中，形成了電磁場的概念。程中，形成了電磁場的概念。2.2.2 2.2.2 場的定律場的定律 v所謂

6、所謂物理場物理場是指某一空間范圍及其各種事物分布狀況的是指某一空間范圍及其各種事物分布狀況的總稱?？偡Q。v場的定律場的定律，都是關(guān)于物質(zhì)作用的客觀規(guī)律。這些規(guī)律所，都是關(guān)于物質(zhì)作用的客觀規(guī)律。這些規(guī)律所揭示的是物體在空間排列和分布狀態(tài)與某一時刻的作用揭示的是物體在空間排列和分布狀態(tài)與某一時刻的作用有關(guān)的客觀規(guī)律，一般可用物理方程給出。這些方程就有關(guān)的客觀規(guī)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(shù)學模型，而與這些定律有關(guān)的參是某些傳感器工作的數(shù)學模型，而與這些定律有關(guān)的參數(shù)通常與具體物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如成分、材料）無關(guān)，數(shù)通常與具體物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如成分、材料）無關(guān)，與物質(zhì)在空間的

7、位置及分布狀態(tài)與某時刻的作用有關(guān)。與物質(zhì)在空間的位置及分布狀態(tài)與某時刻的作用有關(guān)。2.2.2 2.2.2 場的定律場的定律 v電磁感應定律電磁感應定律指出：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。路的磁通量的變化率成正比。v當線圈以速度當線圈以速度v垂直于磁場運動時，由于切割磁力線，在線垂直于磁場運動時，由于切割磁力線，在線圈中產(chǎn)生與運動速度成正比的感應電動勢圈中產(chǎn)生與運動速度成正比的感應電動勢：v自感式傳感器、互感式傳感器、感應同步器自感式傳感器、互感式傳感器、感應同步器和和電渦流式傳感電渦流式傳感器器等等，可用來測量位移、運動速度

8、、振動等多種物理量。，可用來測量位移、運動速度、振動等多種物理量。 NvlBdtdK2.2.2 2.2.2 場的定律場的定律 v利用靜電場的有關(guān)定律制成利用靜電場的有關(guān)定律制成電容傳感器電容傳感器。靜電場中兩平行電。靜電場中兩平行電極板間的電容量極板間的電容量C為：為：v兩極板相對移動兩極板相對移動時，時，C的變化量：的變化量：sC CC2.2.2 2.2.2 場的定律場的定律 v波波是場的一種運動形態(tài)，是場的一種運動形態(tài)，光波光波是一種廣泛存在的電磁波。是一種廣泛存在的電磁波。v利用光電磁場的基本定律，如光的直線傳播定律、光波之間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

9、，如光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象、光的多普勒效的相互作用，如光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)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。各式各樣的傳感器和測量裝置。2.2.2 2.2.2 場的定律場的定律 v利用場的定律構(gòu)成的傳感器，其性能由定律決定，利用場的定律構(gòu)成的傳感器，其性能由定律決定，與使用材料無關(guān)與使用材料無關(guān)。v這類傳感器的形狀、尺寸等參數(shù)決定了傳感器的量這類傳感器的形狀、尺寸等參數(shù)決定了傳感器的量程、靈敏度等性能，因此這類傳感器統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型程、靈敏度等性能，因此這類傳感器統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型傳感器

10、。傳感器。v它們具有設計的自由度較大、選擇材料的限制較小它們具有設計的自由度較大、選擇材料的限制較小等優(yōu)點，但體積一般較大，并且不易集成。等優(yōu)點，但體積一般較大，并且不易集成。2.2.3 2.2.3 物質(zhì)定律物質(zhì)定律 v物質(zhì)定律是指各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律、法則、規(guī)律等。物質(zhì)定律是指各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律、法則、規(guī)律等。它們通常以固有的物理常數(shù)加以描述。如胡克定律，歐姆定它們通常以固有的物理常數(shù)加以描述。如胡克定律，歐姆定律等。這些定律都含有物質(zhì)所固有的常數(shù)，即定律是定義各律等。這些定律都含有物質(zhì)所固有的常數(shù)，即定律是定義各種物理常數(shù)的公式。種物理常數(shù)的公式。v利用各種物質(zhì)定律構(gòu)成的傳感

11、器統(tǒng)稱為利用各種物質(zhì)定律構(gòu)成的傳感器統(tǒng)稱為物性型傳感器物性型傳感器。這些。這些傳感器的主要性能在很大程度上受相應的物理常數(shù)或化學、傳感器的主要性能在很大程度上受相應的物理常數(shù)或化學、生物特性所決定，也即與物質(zhì)的材料密切相關(guān)。生物特性所決定，也即與物質(zhì)的材料密切相關(guān)。 2.2.3 2.2.3 物質(zhì)定律物質(zhì)定律 v利用半導體物質(zhì)具有的壓阻、熱阻、光阻、濕阻和霍爾等效利用半導體物質(zhì)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、濕度和磁場等傳應，可以分別制成力、壓力、溫度、光強、濕度和磁場等傳感器；感器； v利用壓電材料所具有的壓電效應可制成壓電式、聲表面波和利用壓電材料

12、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；超聲波等傳感器； v利用生物、化學敏感特性制成的生物、化學傳感器等。利用生物、化學敏感特性制成的生物、化學傳感器等。 霍爾（霍爾（Hall）效應）效應v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(cè)表面之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，片垂直于電流和磁場方向的兩側(cè)表面之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，稱為霍爾效應。稱為霍爾效應。 BIdRVsHHnerRH1NUHR1R2R1R2U01霍爾效應檢測直流電流霍爾效應檢測直流電流IK11121 KB1BIKUHHHHHURRURRU

13、12120)(KIIIRRKKKUHH12210I1U1U2BPTPIUBUBUUHcos)cos(1122霍爾效應測量功率霍爾效應測量功率2.2.3 2.2.3 物質(zhì)定律物質(zhì)定律 v由于利用物質(zhì)定律的物性型傳感器具有構(gòu)造簡單、體積小、由于利用物質(zhì)定律的物性型傳感器具有構(gòu)造簡單、體積小、無可動部件、反應快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易集成等特點，無可動部件、反應快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易集成等特點，因此是當代傳感技術(shù)領(lǐng)域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。因此是當代傳感技術(shù)領(lǐng)域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。v與物質(zhì)所固有的物理常數(shù)有關(guān)的各種現(xiàn)象可分為三大類：與物質(zhì)所固有的物理常數(shù)有關(guān)的各種現(xiàn)象可分為三大類：熱

14、熱平衡現(xiàn)象平衡現(xiàn)象、傳輸現(xiàn)象傳輸現(xiàn)象和和量子現(xiàn)象量子現(xiàn)象。 一、熱平衡現(xiàn)象一、熱平衡現(xiàn)象 v一個系統(tǒng)在沒有外界影響的條件下，即外界對系統(tǒng)既不作功，一個系統(tǒng)在沒有外界影響的條件下，即外界對系統(tǒng)既不作功，又不傳熱的情況下，系統(tǒng)各個部分之間的能量以熱量的形式又不傳熱的情況下，系統(tǒng)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(jīng)過一定的時間后，系統(tǒng)各部而不是以功的形式進行交換，經(jīng)過一定的時間后，系統(tǒng)各部分將達到一種宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱分將達到一種宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為為熱平衡熱平衡。 一、熱平衡現(xiàn)象一、熱平衡現(xiàn)象 描述熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)的物理量稱為狀態(tài)量。

15、如果把這個系描述熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)的物理量稱為狀態(tài)量。如果把這個系統(tǒng)分割成若干個小系統(tǒng)，則狀態(tài)量可分為兩種：統(tǒng)分割成若干個小系統(tǒng)，則狀態(tài)量可分為兩種：v與分割方法無關(guān)，其性質(zhì)由其量的大小來決定的狀態(tài)量。與分割方法無關(guān)，其性質(zhì)由其量的大小來決定的狀態(tài)量。稱為稱為強度型狀態(tài)量強度型狀態(tài)量，簡稱簡稱示強變量示強變量。如溫度、壓力、電場強度、。如溫度、壓力、電場強度、磁場強度。磁場強度。v具有與系統(tǒng)的大?。w積、面積等）成正比性質(zhì)的狀態(tài)量，具有與系統(tǒng)的大?。w積、面積等）成正比性質(zhì)的狀態(tài)量，稱為稱為容量型狀態(tài)量容量型狀態(tài)量，簡稱簡稱示容變量示容變量，又叫又叫容量量容量量或或廣延量廣延量。如。如能量、熵、位

16、移等。能量、熵、位移等。1. 1. 麥克斯韋關(guān)系式麥克斯韋關(guān)系式 v設示容變量為設示容變量為xi，對應的示強變量為對應的示強變量為Xi，則能量為：則能量為： v當若干個當若干個xi有微小的變化，則系統(tǒng)能量變化為：有微小的變化，則系統(tǒng)能量變化為：vxj表示除表示除xi外的容量狀態(tài)量保持固定條件，某個強度量對應外的容量狀態(tài)量保持固定條件，某個強度量對應容量狀態(tài)量的關(guān)系。容量狀態(tài)量的關(guān)系。xXiiUiidxXdUxjiixUX)/(1. 1. 麥克斯韋關(guān)系式麥克斯韋關(guān)系式v根據(jù)熱力學原理（熱力學第一定律）：系統(tǒng)由能量根據(jù)熱力學原理（熱力學第一定律）：系統(tǒng)由能量U的平衡的平衡狀態(tài)變化到的狀態(tài)變化到的U

17、+dU平衡狀態(tài)時，其變化與所取得微分途徑平衡狀態(tài)時，其變化與所取得微分途徑無關(guān)。無關(guān)。xkijxkjixxUxxU)()(22xjiixUX)/(xkjixkjixXxxU)()(2xkijxkijxXxxU)()(2xkijxkjixXxX)()(v同理：如果有若干個示強變量發(fā)生微小變化，使系統(tǒng)能量變同理：如果有若干個示強變量發(fā)生微小變化，使系統(tǒng)能量變化時，但系統(tǒng)在能量變化前和變化后均處于熱平衡狀態(tài)，則化時，但系統(tǒng)在能量變化前和變化后均處于熱平衡狀態(tài)，則麥克斯韋關(guān)系式可寫成：麥克斯韋關(guān)系式可寫成：vk表示除表示除Xi，Xj以外的強度量保持固定不變。以外的強度量保持固定不變。v因為示強變量易測

18、量，大小也易調(diào)整（溫度、壓力、磁場強因為示強變量易測量，大小也易調(diào)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。度等），所以實踐中通常以示強變量作為獨立變量予以測量。 kijkjiXxXx)()(kijkjixxXX)()(1. 1. 麥克斯韋關(guān)系式麥克斯韋關(guān)系式2.2.熱平衡一次效應熱平衡一次效應v麥克斯韋麥克斯韋關(guān)系式說明關(guān)系式說明不同種類不同種類能量所對應的強度型狀態(tài)量與能量所對應的強度型狀態(tài)量與容量型狀態(tài)（或相反）微分之比為定值，具有這種關(guān)系的效容量型狀態(tài)（或相反）微分之比為定值，具有這種關(guān)系的效應稱為應稱為熱平衡一次效應熱平衡一次效應。一次效應是一次效應

19、是可逆可逆的。的。xkijxkjixXxX)()(kijkjiXxXx)()(2. 2. 熱平衡一次效應：熱平衡一次效應：壓電效應壓電效應v當某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用時，在其一定的兩個表當某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用時，在其一定的兩個表面上產(chǎn)生異號電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態(tài)。面上產(chǎn)生異號電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態(tài)。v其中電荷大小與外力大小成正比，極性取決于受力方向，即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(shù)為壓電常數(shù)，它與形變方向變形是壓縮還是伸長；比例系數(shù)為壓電常數(shù)，它與形變方向有關(guān)，固定材料的確定方向上為常量。有關(guān)

20、，固定材料的確定方向上為常量。 正壓電效應正壓電效應 v當對壓電材料施以外力（壓力）時，材料體內(nèi)的電偶極矩會當對壓電材料施以外力（壓力）時，材料體內(nèi)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(chǎn)生正負電荷，以保持原狀。產(chǎn)生正負電荷，以保持原狀。逆壓電效應逆壓電效應 v當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，某些電介質(zhì)在一定方向上將產(chǎn)生某些電介質(zhì)在一定方向上將產(chǎn)生機械變形或機械應力，當外電場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。撤去后，變形或應力也隨之消失。v其應變的大小與電場強度的大

21、小成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。正比，方向隨電場方向變化而變化。v當對壓電材料表面電場（電壓），因電場作用時材料體內(nèi)的當對壓電材料表面電場（電壓），因電場作用時材料體內(nèi)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。拉伸。2. 2. 熱平衡一次效應熱平衡一次效應v機械能（輸入）：力機械能（輸入）：力F F強度型狀態(tài)強度型狀態(tài) V V0 0引起變形體積變化引起變形體積變化v電能（輸出）：電能（輸出）： 電荷電荷Q Q容量型狀態(tài)量容量型狀態(tài)量 電場強度電場強度E E強度型狀態(tài)量強度型狀態(tài)量v其中：其

22、中： F F、E E為不同種類強度量；為不同種類強度量； V V0 0、Q Q為不同種類的容為不同種類的容量量。量量。v根據(jù)麥氏關(guān)系式：根據(jù)麥氏關(guān)系式：dEFQV0v利用利用壓磁元件壓磁元件測量力時，在外力測量力時，在外力F F作用下，壓磁元件材料發(fā)作用下，壓磁元件材料發(fā)生形變，體積隨之變化生形變，體積隨之變化V0V0，產(chǎn)生應力，使其磁導率，產(chǎn)生應力，使其磁導率改變，改變，從而引起磁感應強度從而引起磁感應強度B B的變化；的變化；v而當壓磁元件置于磁場強度為而當壓磁元件置于磁場強度為H H的磁場中，則其產(chǎn)生機械變的磁場中，則其產(chǎn)生機械變形形V0V0，因此：，因此： FHV/02. 2. 熱平衡

23、一次效應熱平衡一次效應3. 3. 熱平衡二次效應熱平衡二次效應v同一種類同一種類能量的強度型狀態(tài)量與容量型狀態(tài)量微分之比，或能量的強度型狀態(tài)量與容量型狀態(tài)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(gòu)成傳感器的。構(gòu)成傳感器的。 v膜盒或膜片等彈性敏感元件在力膜盒或膜片等彈性敏感元件在力F( (或壓力或壓力) )作用下產(chǎn)生形變作用下產(chǎn)生形變l，剛度系數(shù)：剛度系數(shù)： v電場電勢電場電勢U作用于電容器導電極板產(chǎn)生電荷作用于電容器導電極板產(chǎn)生電荷Q，電容系數(shù)：，電容系數(shù)： v溫度溫度T產(chǎn)生產(chǎn)生熱量熱量Q，熱容量：，熱容量：iix

24、X/iiXx/Flk/UQC/TQc/v利用彈性元件受力產(chǎn)生變形，利用彈性元件受力產(chǎn)生變形，其應變與應變片電阻值的關(guān)系其應變與應變片電阻值的關(guān)系可制成可制成電阻應變式力電阻應變式力( (壓力壓力) )傳傳感器。感器。v上述這種變換稱為二次效應，上述這種變換稱為二次效應，二次效應沒有逆效應。二次效應沒有逆效應。3. 3. 熱平衡二次效應熱平衡二次效應二、傳輸現(xiàn)象二、傳輸現(xiàn)象v當系統(tǒng)中存在有強度量的差或梯度時，相應的廣延量就隨時當系統(tǒng)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(xiàn)象稱為間而變化，即廣延量的流動，這種現(xiàn)象稱為傳輸現(xiàn)象傳輸現(xiàn)象。 v導體兩端有電位差時，就

25、有電流流動；物體有溫度差時，就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。有熱流流動；電容兩端有電位差時，就有電荷積累等。v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，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，稱之為稱之為親和力親和力或或親和勢親和勢。塞貝克效應塞貝克效應v由兩種導體或半導體閉合構(gòu)成的熱電偶，當其兩結(jié)點有由兩種導體或半導體閉合構(gòu)成的熱電偶，當其兩結(jié)點有溫度溫度差差時，就有熱流在兩結(jié)點間流動，由于塞貝克效應（又稱熱時，就有熱流在兩結(jié)點間流動，由于塞貝克效應（又稱熱電效應），則在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中就有

26、電效應），則在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中就有電流電流。 接觸接觸電動勢電動勢溫差溫差電動勢電動勢)(ln)(TNNekTTEBAAB)(ln)(000TNNekTTEBAAB)(ln)(ln)()(000TNNTTNNTekTETEBABAABAB兩種導體的兩種導體的接觸接觸電動勢電動勢玻耳茲曼常玻耳茲曼常數(shù)數(shù)塞貝克效應塞貝克效應)()(1),(00TTNdTNekTTEATTAA)11(),(),(0000TdNNTdNNekTTETTETTBBATTABA塞貝克效應塞貝克效應單一導體的單一導體的溫差溫差電動勢電動勢塞貝克效應：總電動勢塞貝克效應：總電動勢)11)(ln)(ln(),(),(

27、)()(),(00000000TdNNTdNNTNNTTNNTeKTTETTETETETTETTBBATTABABABAABABAB)()()()(),(00TCTfTfTfTTEABv金屬金屬的塞貝克系數(shù)的塞貝克系數(shù)約為約為0 080v/k80v/k，溫差電效應較小，可，溫差電效應較小，可制成熱電偶，用于測溫等。制成熱電偶，用于測溫等。v兩種不同兩種不同半導體半導體聯(lián)接回路兩端保持不同溫度，其聯(lián)接回路兩端保持不同溫度，其約為約為5050100v/k100v/k，可制成溫差發(fā)電器。，可制成溫差發(fā)電器。塞貝克效應塞貝克效應珀耳帖效應珀耳帖效應v如果熱電偶處于某一環(huán)境溫度下，并在其回路中通入電流，

28、如果熱電偶處于某一環(huán)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(jié)點處分由于珀耳帖效應（塞貝克效應的逆效應），則在兩結(jié)點處分別放出和吸收與電流成正比關(guān)系的熱量，其通入的電流是由別放出和吸收與電流成正比關(guān)系的熱量，其通入的電流是由電位差電位差產(chǎn)生的，輸出的產(chǎn)生的，輸出的熱量熱量是由溫度差產(chǎn)生的。是由溫度差產(chǎn)生的。IQP二、傳輸現(xiàn)象二、傳輸現(xiàn)象v由此可知，塞貝克效應是因溫度差而產(chǎn)生電流，珀耳帖效應由此可知，塞貝克效應是因溫度差而產(chǎn)生電流，珀耳帖效應是由電位差而產(chǎn)生熱流，他們是是由電位差而產(chǎn)生熱流，他們是可逆可逆的。的。 v把這種不同種類的親和力和流之間的效應稱為把這

29、種不同種類的親和力和流之間的效應稱為一次效應一次效應，利，利用一次效應可以直接制成各種傳感器。用一次效應可以直接制成各種傳感器。v同一種類的親和力和流之間的關(guān)系不能直接用于傳感器中，同一種類的親和力和流之間的關(guān)系不能直接用于傳感器中，但是利用它們與其他狀態(tài)量的關(guān)系，仍可制成但是利用它們與其他狀態(tài)量的關(guān)系，仍可制成各種傳感器，種傳感器，這種現(xiàn)象稱為傳輸現(xiàn)象的這種現(xiàn)象稱為傳輸現(xiàn)象的二次效應二次效應。二、傳輸現(xiàn)象二、傳輸現(xiàn)象v電阻率電阻率是電場強度與其所引起的電流密度之比，是電導率的是電場強度與其所引起的電流密度之比，是電導率的倒數(shù)，若利用它與變形、壓力、溫度等的關(guān)系，則可構(gòu)成電倒數(shù)，若利用它與變形

30、、壓力、溫度等的關(guān)系，則可構(gòu)成電阻應變式、壓敏電阻、熱敏電阻等傳感器。阻應變式、壓敏電阻、熱敏電阻等傳感器。 v電介質(zhì)的電介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù)是其電容率與真空電容率之比，不能直接是其電容率與真空電容率之比，不能直接構(gòu)成傳感器，但若利用介電常數(shù)與溫度、濕度、容量等的關(guān)構(gòu)成傳感器，但若利用介電常數(shù)與溫度、濕度、容量等的關(guān)系，則可制成電容式溫度傳感器、電容式濕度傳感器、電容系，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。式液位傳感器等。三、量子現(xiàn)象三、量子現(xiàn)象 v量子現(xiàn)象：量子現(xiàn)象：分子、原子、電子、光子、中子等微觀客體遵循分子、原子、電子、光子、中子等微觀客體遵循的物理學規(guī)律

31、是微觀規(guī)律，它所具有的各種現(xiàn)象，如物質(zhì)分的物理學規(guī)律是微觀規(guī)律，它所具有的各種現(xiàn)象，如物質(zhì)分子和原子的能量是離散跳躍的、核磁共振、隧道效應、核輻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。射等。v量子尺寸效應、光電效應量子尺寸效應、光電效應v核磁共振、核磁共振、約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應三、量子現(xiàn)象：三、量子現(xiàn)象：量子尺寸效應量子尺寸效應v量子尺寸效應量子尺寸效應：即指當粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費米能：即指當粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。當能級的變化程度大于熱能、光能、電

32、磁能的變化時，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(guī)材料導致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導特性與常規(guī)材料有顯著的不同。有顯著的不同。三、量子現(xiàn)象：三、量子現(xiàn)象：光電效應光電效應外光電效應外光電效應v在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)部的電子受到光子的作用，吸收光子在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)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(xiàn)象，稱為外光電效應，被釋放的能量而從表面釋放出來的現(xiàn)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(fā)射效應。電子稱為光電子，所以又稱光電子發(fā)射效應。v它是在它是在18871887年由德國人赫茲首先

33、發(fā)現(xiàn)的。年由德國人赫茲首先發(fā)現(xiàn)的。v基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應v在光的照射下，物質(zhì)吸收入射光子的能量，在物質(zhì)內(nèi)部激發(fā)在光的照射下，物質(zhì)吸收入射光子的能量，在物質(zhì)內(nèi)部激發(fā)載流子，但這些載流子仍留在物質(zhì)內(nèi)部，從而增加物體的導載流子，但這些載流子仍留在物質(zhì)內(nèi)部，從而增加物體的導電性或產(chǎn)生電動勢、或產(chǎn)生光電流的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應。電性或產(chǎn)生電動勢、或產(chǎn)生光電流的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應。v內(nèi)光電效又可分為內(nèi)光電效又可分為光電導效應光電導效應和和光生伏特效應光生伏特效應兩類。兩類。 三、量子現(xiàn)象：光電效應三、量子現(xiàn)

34、象：光電效應內(nèi)光電效應：光電導效應內(nèi)光電效應：光電導效應v某些物體（一般為半導體）受到光照時，其內(nèi)部原子釋放的某些物體（一般為半導體）受到光照時，其內(nèi)部原子釋放的電子留在內(nèi)部而使物體的導電性增加、電阻值下降的現(xiàn)象稱電子留在內(nèi)部而使物體的導電性增加、電阻值下降的現(xiàn)象稱為光電導效應。為光電導效應。v絕大多數(shù)的高電阻率半導體都具有光電導效應?；诠怆妼Ы^大多數(shù)的高電阻率半導體都具有光電導效應?；诠怆妼墓怆娖骷泄饷綦娮璧取Ｐ墓怆娖骷泄饷綦娮璧?。 三、量子現(xiàn)象：光電效應三、量子現(xiàn)象：光電效應內(nèi)光電效應：光生伏特效應內(nèi)光電效應：光生伏特效應 v物體物體( (一般指半導體一般指半導體) )在

35、光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動勢在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。v基于該效應的光電器件有光基于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三電池、光敏二極管、光敏三極管和半導體位置敏感器件極管和半導體位置敏感器件等。等。三、量子現(xiàn)象：光電效應三、量子現(xiàn)象：光電效應內(nèi)光電效應：光生伏特效應內(nèi)光電效應：光生伏特效應 v側(cè)向光生伏特效應側(cè)向光生伏特效應: :半導體位置敏感器件半導體位置敏感器件三、量子現(xiàn)象：光電效應三、量子現(xiàn)象：光電效應三、量子現(xiàn)象：磁共振三、量子現(xiàn)象：磁共振v量子現(xiàn)象不僅發(fā)生于光電傳感器材料，在磁電、熱電等各種量子現(xiàn)象不僅發(fā)生于光電傳

36、感器材料，在磁電、熱電等各種傳感器材料中也比比皆是。傳感器材料中也比比皆是。v對原子、分子施加磁場影響就會加劇材料內(nèi)部電子的熱振，對原子、分子施加磁場影響就會加劇材料內(nèi)部電子的熱振，改變了材料原來的能量狀態(tài)。所以如果使磁場以某一特定頻改變了材料原來的能量狀態(tài)。所以如果使磁場以某一特定頻率變化，使之產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱作率變化，使之產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱作磁共振磁共振，是調(diào)整，是調(diào)整材料內(nèi)部能量狀態(tài)的一種重要手段。材料內(nèi)部能量狀態(tài)的一種重要手段。v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。磁場傳感器。v約瑟夫遜效應是

37、約瑟夫遜效應是超導體超導體的一種量子干涉效應。在兩塊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之間放置厚度約為10-9m10-9m的極薄的絕緣層，組成的極薄的絕緣層，組成約瑟夫結(jié)約瑟夫結(jié)或或稱稱超導隧道結(jié)超導隧道結(jié)。v由于絕緣層厚度遠比超導電子相干長度（可達由于絕緣層厚度遠比超導電子相干長度（可達10-6m10-6m）小得）小得多，所以絕緣層兩側(cè)超導電子間就會發(fā)生耦合，呈現(xiàn)出超導多，所以絕緣層兩側(cè)超導電子間就會發(fā)生耦合，呈現(xiàn)出超導電流的量子干涉現(xiàn)象，即電流的量子干涉現(xiàn)象，即約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應。 三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應v隧道效應：隧道效應：在兩金屬

38、片之間夾有極薄在兩金屬片之間夾有極薄( (約為約為10-9m)10-9m)的絕緣層的絕緣層( (如氧化膜如氧化膜) )，當兩端施加直流電壓時，回路就有電流產(chǎn)生，當兩端施加直流電壓時，回路就有電流產(chǎn)生，即有電流通過絕緣層。即有電流通過絕緣層。v由于電子除具有粒子性外還具有波動性，在絕緣層邊緣，粒由于電子除具有粒子性外還具有波動性，在絕緣層邊緣，粒子的波函數(shù)并不突然下降為零，而是進入絕緣層并按指數(shù)衰子的波函數(shù)并不突然下降為零，而是進入絕緣層并按指數(shù)衰減，因此通過極薄的絕緣層后仍有一定的幅度，也就是說，減，因此通過極薄的絕緣層后仍有一定的幅度，也就是說，有一定概率的電子穿透絕緣層有一定概率的電子穿透

39、絕緣層( (勢壘勢壘) )。 三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應v直流直流約瑟夫遜效應：約瑟夫遜結(jié)在不外加電壓或磁場時，有約瑟夫遜效應：約瑟夫遜結(jié)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(jié)外加平行于結(jié)平面的磁場時，超導電流緣層；當約瑟夫遜結(jié)外加平行于結(jié)平面的磁場時，超導電流的相位受到磁場明顯的調(diào)制作用，因而超導電流和磁場的相位受到磁場明顯的調(diào)制作用，因而超導電流和磁場B B的的關(guān)系出現(xiàn)類似夫瑯和菲衍射圖樣。關(guān)系出現(xiàn)類似夫瑯和菲衍射圖樣。三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應三、量子現(xiàn)象

40、：約瑟夫遜效應v交流交流約瑟夫遜效應：約瑟夫遜結(jié)能夠吸收和發(fā)射電磁波的現(xiàn)約瑟夫遜效應：約瑟夫遜結(jié)能夠吸收和發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。象。1. 1. 加以直流電壓輻射電磁波加以直流電壓輻射電磁波v給約瑟夫遜結(jié)加以直流電壓時，約瑟夫遜結(jié)會產(chǎn)生頻率與所給約瑟夫遜結(jié)加以直流電壓時，約瑟夫遜結(jié)會產(chǎn)生頻率與所加電壓加電壓U U成正比的高頻超導電流，并向外輻射電磁波，電磁成正比的高頻超導電流，并向外輻射電磁波，電磁波頻率為：波頻率為：Uhe2三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應2.2.加以直流和交流電壓輸出直流電流（壓）加以直流和交流電壓輸出直流電流（壓） v給約瑟夫遜結(jié)加以直流電壓，同時施加一交流

41、射頻電壓或用一給約瑟夫遜結(jié)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(jié)上，則當由直流電壓引起的高頻電流定頻率的電磁波作用于結(jié)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，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(shù)倍時，將有直流成分的超導電流流過絕緣層，或者是它們的整數(shù)倍時，將有直流成分的超導電流流過絕緣層，輸出直流電壓：輸出直流電壓：nfehU2三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應三、量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應2.2.4 2.2.4 統(tǒng)計物理學法則統(tǒng)計物理學法則 v熱平衡與傳輸現(xiàn)象等熱力學規(guī)律是熱現(xiàn)象的宏觀理論，統(tǒng)計

42、熱平衡與傳輸現(xiàn)象等熱力學規(guī)律是熱現(xiàn)象的宏觀理論，統(tǒng)計物理學是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，即從組成它們的原子、分物理學是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，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(fā)，去研究宏觀物體熱子等微觀粒子的運動及其相互作用出發(fā)，去研究宏觀物體熱性質(zhì)的科學。性質(zhì)的科學。v統(tǒng)計物理學認為統(tǒng)計物理學認為：所有宏觀上可觀測的物理量都是相應微觀所有宏觀上可觀測的物理量都是相應微觀量的統(tǒng)計平均值，許多看似雜亂無章的微觀運動表現(xiàn)出統(tǒng)計量的統(tǒng)計平均值，許多看似雜亂無章的微觀運動表現(xiàn)出統(tǒng)計規(guī)律性。規(guī)律性。2.2.4 2.2.4 統(tǒng)計物理學法則統(tǒng)計物理學法則v奈奎斯特定理奈奎斯特定理：由統(tǒng)計物理可

43、知，電子熱運動的漲落，在電：由統(tǒng)計物理可知，電子熱運動的漲落，在電阻阻R的兩端產(chǎn)生熱噪聲的電位波動，電阻的兩端產(chǎn)生熱噪聲的電位波動，電阻R兩端的熱噪聲電兩端的熱噪聲電壓壓Un的方均值為：的方均值為：v熱噪聲型熱敏電阻：測溫精度高（熱噪聲型熱敏電阻：測溫精度高（0.10.10.50.5），測量），測量15001500以下的溫度，可在惡劣環(huán)境下使用；以下的溫度，可在惡劣環(huán)境下使用；v輸出電壓極小，例如當輸出電壓極小，例如當T T300K300K，R R100100，f100kHz100kHz時，時，輸出輸出電壓電壓只有只有4 41010-7-7V V。fTkRUn 42UrUnSRr(Tr)R(T

44、x)U22.2.4 2.2.4 統(tǒng)計物理學法則統(tǒng)計物理學法則v由于熱噪聲的頻帶寬度不易正確測定，因此目前多采用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與基準噪聲電壓相比較準噪聲電壓相比較的方法來測量溫度。的方法來測量溫度。RTRTrrx/fTkRUn 422.2.4 2.2.4 統(tǒng)計物理學法則統(tǒng)計物理學法則v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。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。v由于約瑟夫遜結(jié)輻射的頻率與通過結(jié)的電壓有關(guān)，因此當被由于約瑟夫遜

45、結(jié)輻射的頻率與通過結(jié)的電壓有關(guān)，因此當被測溫度使結(jié)的正常電阻兩端產(chǎn)生噪聲電壓時，此電壓的漲落測溫度使結(jié)的正常電阻兩端產(chǎn)生噪聲電壓時，此電壓的漲落將使結(jié)輸出的微波頻率變化，但其輻射帶寬是有限的，因而將使結(jié)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?？梢院芫_地測量出，而測量噪聲電壓的精度也可以很高。fTkRUn 42Uhe22.3 2.3 傳感器的基礎效應傳感器的基礎效應物質(zhì)效應與物性型傳感器物質(zhì)效應與物性型傳感器 光電效應光電效應電光效應電光效應磁光效應磁光效應磁電效應磁電效應熱電效應和熱釋電效應熱電效應和熱釋電效應壓電、壓阻和磁致伸縮效應

46、壓電、壓阻和磁致伸縮效應約瑟夫遜效應與核磁共振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、聲光效應聲音的多普勒效應及聲電、聲光效應與化學有關(guān)的效應與化學有關(guān)的效應納米效應納米效應2.3.3 2.3.3 電光效應電光效應 v物質(zhì)的光學特性（如折射率）受外電場的影響而發(fā)生變化的物質(zhì)的光學特性（如折射率）受外電場的影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象統(tǒng)稱為電光效應?，F(xiàn)象統(tǒng)稱為電光效應。v泡克耳斯（泡克耳斯（Pockels）效應）效應 v克爾效應克爾效應 v光彈效應光彈效應 v電致發(fā)光效應電致發(fā)光效應 v電致變色效應電致變色效應 一、泡克耳斯效應一、泡克耳斯效

47、應v18931893年德國物理學家泡克耳斯首先發(fā)現(xiàn)，一些晶體在縱向電年德國物理學家泡克耳斯首先發(fā)現(xiàn)，一些晶體在縱向電場（場（電場方向與光的傳播方向一致電場方向與光的傳播方向一致）作用下會改變其各向異）作用下會改變其各向異性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射現(xiàn)象，稱為電致雙折射。性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射現(xiàn)象，稱為電致雙折射。v泡克耳斯從實驗證實壓電晶體的兩個主折射率主之差為：泡克耳斯從實驗證實壓電晶體的兩個主折射率主之差為：v線性電光效應線性電光效應二、克爾效應二、克爾效應 v18751875年英國物理學家克爾發(fā)現(xiàn)，光照射具有各向同性的透明年英國物理學家克爾發(fā)現(xiàn)，光照射具有各向同性的透明物質(zhì)，在與入射光垂直

48、的方向上加以高電壓將發(fā)生雙折射現(xiàn)物質(zhì)，在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發(fā)生雙折射現(xiàn)象。象。v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，故這種效應又稱作稱作平方電光效應平方電光效應。2KEnnnoe三、光彈效應三、光彈效應 v某些非晶體物質(zhì)（如塑料、玻璃）在機械力的作用下，彈性某些非晶體物質(zhì)（如塑料、玻璃）在機械力的作用下，彈性體的折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)的效應。這稱作應力體的折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)的效應。這稱作應力致雙折射或光彈效應。致雙折射或光彈效應。v光彈效應的雙折射是暫時的，應力解除后即消失。光彈性效光彈效應的雙折射是暫時

49、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(gòu)件等物體內(nèi)部應力的情況。應可用于研究機械零件、建筑構(gòu)件等物體內(nèi)部應力的情況。v利用光彈效應可制成壓力、振動、聲響傳感器。利用光彈效應可制成壓力、振動、聲響傳感器。 四、電致發(fā)光效應四、電致發(fā)光效應 v電致發(fā)光效應：某些固態(tài)晶體如高純度鍺、電致發(fā)光效應：某些固態(tài)晶體如高純度鍺、 硅和砷化鎵等硅和砷化鎵等化合物半導體在光和外加電場作用下發(fā)出冷光（指熒光和磷化合物半導體在光和外加電場作用下發(fā)出冷光（指熒光和磷光）的現(xiàn)象，以及某些固態(tài)晶體如磷化鎵、磷化銦等無需外光）的現(xiàn)象，以及某些固態(tài)晶體如磷化鎵、磷化銦等無需外加激發(fā)光而在外加電場作用下即可發(fā)

50、光的現(xiàn)象。加激發(fā)光而在外加電場作用下即可發(fā)光的現(xiàn)象。 v電致發(fā)光是將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程?；陔娭掳l(fā)光效電致發(fā)光是將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程?；陔娭掳l(fā)光效應的器件有發(fā)光二極管、半導體激光器等。應的器件有發(fā)光二極管、半導體激光器等。 五、電致變色效應五、電致變色效應 v這種在電流或電場的作用下這種在電流或電場的作用下, ,材料發(fā)生可逆變色的現(xiàn)象，稱材料發(fā)生可逆變色的現(xiàn)象，稱為電致變色效應。為電致變色效應。 v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。窗、無眩反光鏡、電色儲存器件等。2.3.4 2.

51、3.4 磁光效應磁光效應 v置于外磁場的物體，在光和外磁場的作用下，其光學特性置于外磁場的物體，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(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應。（如吸光特性、折射率等）發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應。 v法拉第效應法拉第效應 v磁光克爾效應磁光克爾效應 v科頓科頓- -穆頓效應穆頓效應 v塞曼效應塞曼效應 v光磁效應光磁效應 一、法拉第效應一、法拉第效應v當線偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在當線偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向平行于光的傳播方向上加上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與外磁場強一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與外磁場強度

52、和光穿越介質(zhì)的長度的乘積成正比，即：度和光穿越介質(zhì)的長度的乘積成正比，即：v式中：式中：V V磁光效應常數(shù)或費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波磁光效應常數(shù)或費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)，可正可負；頻率有關(guān)，可正可負；HeHe外磁場強度。外磁場強度。lVHeF一、法拉第效應一、法拉第效應v利用法拉第效應的弛豫時間不大于利用法拉第效應的弛豫時間不大于10-1010-10秒量級的特點，可秒量級的特點，可制成制成磁光效應磁強計磁光效應磁強計。磁光效應磁強計可測量脈沖強磁場、。磁光效應磁強計可測量脈沖強磁場、交變強磁場；交變強磁場； v利用它對溫度不敏感的特點，磁光效應磁強計可適用于較寬利用它對溫度不

53、敏感的特點，磁光效應磁強計可適用于較寬的溫度范圍，如等離子體中強磁場、低溫超導磁場等。的溫度范圍，如等離子體中強磁場、低溫超導磁場等。磁光調(diào)制器磁光調(diào)制器二、磁光克爾效應二、磁光克爾效應v平面偏振光垂直入射于拋光的強電磁鐵的磁極表面，所產(chǎn)生平面偏振光垂直入射于拋光的強電磁鐵的磁極表面，所產(chǎn)生的反射光是一束橢圓偏振光，且偏振面的偏轉(zhuǎn)角度隨磁場強的反射光是一束橢圓偏振光，且偏振面的偏轉(zhuǎn)角度隨磁場強度而變化，這種現(xiàn)象叫磁光克爾效應。度而變化，這種現(xiàn)象叫磁光克爾效應。v克爾磁光效應的最重要應用是觀察鐵磁體的克爾磁光效應的最重要應用是觀察鐵磁體的磁疇磁疇。 v磁疇磁疇是指磁性材料內(nèi)部的一個個是指磁性材料

54、內(nèi)部的一個個小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。方向不同。二、磁光克爾效應二、磁光克爾效應v不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，引起反射光振動面的不不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，引起反射光振動面的不同旋轉(zhuǎn)，通過偏振片觀察反射光時，將觀察到與各磁疇對應同旋轉(zhuǎn)，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(qū)域。用此方法還可對磁疇變化作動態(tài)觀察。的明暗不同的區(qū)域。用此方法還可對磁疇變化作動態(tài)觀察

55、。三、科頓三、科頓- -穆頓效應穆頓效應 v科頓和穆頓于科頓和穆頓于19071907年發(fā)現(xiàn)光從處在橫向磁場內(nèi)的液體中通過年發(fā)現(xiàn)光從處在橫向磁場內(nèi)的液體中通過時，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，稱為科頓時，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，稱為科頓- -穆頓效應，或磁致雙折射穆頓效應，或磁致雙折射效應。實驗證實，處在外磁場內(nèi)的媒質(zhì)的二主折射率之差正效應。實驗證實，處在外磁場內(nèi)的媒質(zhì)的二主折射率之差正比于磁感應強度比于磁感應強度H H的的平方平方：v式中，式中，CC為科頓為科頓- -穆頓常數(shù)，它與光波波長穆頓常數(shù)，它與光波波長和溫度有關(guān)，和溫度有關(guān)，與磁場強度無關(guān)。與磁場強度無關(guān)。四、塞曼效應四、塞曼效應v原子在磁場中能級和光譜發(fā)

56、生分裂的現(xiàn)象。原子在磁場中能級和光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。 v塞曼效應是研究原子結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。在天體物理中，塞曼效應是研究原子結(jié)構(gòu)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。塞曼效應被用來測量天體磁場及星際磁場。v因變化量極小，難用于傳感器，但可用于激光穩(wěn)頻，制成雙因變化量極小，難用于傳感器，但可用于激光穩(wěn)頻，制成雙頻激光器。頻激光器。雙頻激光干涉雙頻激光干涉 Laser B1 1/4 Wave-plate B2 M1 M2 M3 P1 P2 D2 D1 Mixer f2 f1 f1 f2 f1 f2 f2f v f1-f2 f1-(f2f) f AC Amplifie

57、r 2.3.9 2.3.9 光的光的多普勒多普勒效應和薩古納克效應效應和薩古納克效應v光的多普勒效應：當光源或觀察者（光接收器）相對于介質(zhì)光的多普勒效應：當光源或觀察者（光接收器）相對于介質(zhì)（或散射體、反射器）運動時，觀察者所接收到的光波頻率不（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(shù)值稱同于光波源的頻率。由于多普勒效應而引起的頻率變化數(shù)值稱為多普勒頻移。為多普勒頻移。v利用多普勒效應可以進行速度、流速、流量等測量，例如光纖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，激光多普勒超低速式血液流速測量，激光多普

58、勒超低速(1cm/h)(1cm/h)、超音速測量等。、超音速測量等。 v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(tǒng)相對于慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度成正比的現(xiàn)象，與其光學系統(tǒng)相對于慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度成正比的現(xiàn)象，稱為薩古納克效應。稱為薩古納克效應。 rcLrcLt2242cAcLrtcAtcL4CAtc00822.3.9 2.3.9 光的多普勒效應和光的多普勒效應和薩古納克薩古納克效應效應cmmL2121)4/(ttttdtALdt)4/( ALNLmcLLcLL/LA4cAtcL/4 2.3.9 2.3.9 光的多普勒效應和

59、光的多普勒效應和薩古納克薩古納克效應效應2.4 2.4 傳感器的新型敏感材料傳感器的新型敏感材料 2.4.1 2.4.1 敏感材料的工作機理敏感材料的工作機理 2.4.2 2.4.2 敏感材料的類型與特性敏感材料的類型與特性 2.4.3 2.4.3 新型敏感材料新型敏感材料v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(zhuǎn)換為固有特性及相應的物理、化學、生物效應，將被測量轉(zhuǎn)換為便于利用的量。便于利用的量。v傳感器的敏感機理是自然規(guī)律中各種定律、法則和效應，而傳感器的敏感機理是自然規(guī)律中各種定

60、律、法則和效應，而傳感器的具體實現(xiàn)則是依靠一些能有效表現(xiàn)這些規(guī)律、現(xiàn)象傳感器的具體實現(xiàn)則是依靠一些能有效表現(xiàn)這些規(guī)律、現(xiàn)象的各種功能材料以及它們的裝置。的各種功能材料以及它們的裝置。v傳感器的進步更依賴于新材料、新裝置、新工藝的不斷推陳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。出新。2.4.1 2.4.1 敏感材料的工作機理敏感材料的工作機理2.4.2 2.4.2 敏感材料的類型與特性敏感材料的類型與特性v按按結(jié)晶狀態(tài)結(jié)晶狀態(tài)可分為：單晶、多晶、非晶和微晶等類?？煞譃椋簡尉?、多晶、非晶和微晶等類。 v按按電子結(jié)構(gòu)和化學鍵電子結(jié)構(gòu)和化學鍵可分為：金屬、陶瓷和聚合物三大類?？煞譃椋?/p>