自然規(guī)律與傳感器

自然規(guī)律與傳感器第一頁，共75頁。傳感器是一種裝置或器件。國家標準（GB7765-87）給傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號。傳感器的定義第二頁，共75頁。敏感元件轉換元件轉換電路電量被測量輔助電源敏感元件轉換元件轉換電路電量被測量

傳感器的組成第三頁，共75頁。

根據傳感器的工作機理基于物理效應如光、電、聲、磁、熱等效應進行工作的物理傳感器；基于化學效應如化學吸附、離子化學效應等進行工作的化學傳感器；基于酶、抗體、激素等分子識別功能的生物傳感器。根據傳感器的構成原理結構型傳感器是利用物理學中場的定律構成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。特點是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。物性型傳感器是利用物質定律構成的,如虎克定律、歐姆定律等。定律、法則大多數是以物質本身的常數形式給出。這些常數的大小，決定了傳感器的主要性能。根據傳感器的能量轉換情況能量控制型是指其變換的能量是由外部電源供給的，而外界的變化（即傳感器輸入量的變化）只起到控制的作用。如應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應等電橋能量轉換型是由傳感器輸入量的變化直接引起能量的變化。如熱電效應中熱電偶、光電池等。第四頁，共75頁。第五頁，共75頁。(1)開發(fā)新材料、研究新型傳感器材料是傳感器技術的重要基礎。隨著傳感器技術的發(fā)展、如半導體材料、陶瓷材料以外，光導纖維、納米材料、超導材料等相繼問世。隨著研究的不斷深入，人們將進一步探索具有新效應的敏感功能材料；通過微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科、各種新技術的互相滲透和綜合利用,從而研制開發(fā)具有新原理、新功能的新型傳感器。第六頁，共75頁。(2)向高精度發(fā)展隨著自動化生產程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。目前能生產相對精度在萬分之一以上的傳感器的廠家為數不多，其產量也遠遠不能滿足要求。第七頁，共75頁。(3)向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍歷來是大課題，大部分傳感器其工作范圍都在-20℃~70℃，在軍用系統中要求工作溫度在-40°C~85°C范圍，而汽車鍋爐等場合要求傳感器工作在-20°C~120°C，在冶煉、焦化等方面對傳感器的溫度要求更高，因此發(fā)展新興材料（如陶瓷）的傳感器將很有前途。第八頁，共75頁。(4)向微型化發(fā)展各種控制儀器設備的功能越來越大，要求各個部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。第九頁，共75頁。(5)向微功耗及無源化發(fā)展傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，在野外現場或遠離電網的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如TI2702運算放大器，靜態(tài)功耗只有1.5mA，而工作電壓只需2~5V。第十頁，共75頁。(6)向集成化、多功能化發(fā)展集成化技術包括傳感器與IC的集成制造技術以及多參量傳感器的集成制造技術，縮小了傳感器的體積，提高了抗干擾能力。在通常情況下一個傳感器只能用來探測一種物理量，但在許多應用領域中，為了能夠完美而準確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時測量大量的物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y系統，它可以借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式，用單獨一個傳感器系統來同時實現多種傳感器的功能。隨著傳感器技術和微機技術的飛速發(fā)展，目前已經可以生產出來將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器。第十一頁，共75頁。(7)向智能化發(fā)展所謂智能化傳感器就是將傳感器獲取信息的基本功能與專用微處理器的信息分析、處理功能緊密結合在一起，并具有診斷、數字雙向通信等新功能的傳感器。由于微處理器具有強大的計算和邏輯判斷功能，故可方便地對數據進行濾波、變換、校正補償、存儲記憶、輸出標準化等：同時實現必要的自診斷、自檢測、自校驗以及通信與控制等功能。(8)向數字化、網絡化發(fā)展隨著科技的發(fā)展，數字化、網絡化傳感器應用日益廣泛，以其傳統方式不可比擬的優(yōu)勢漸漸成為技術的趨勢和主流。第十二頁，共75頁。(9)多傳感器的集成與融合由于單傳感器不可避免存在不確定或偶然不確定性，缺乏全面性，所以偶然的故障就會導致系統失效。多傳感器集成與融合技術正是解決這些問題的良方。多個傳感器不僅可以描述同一環(huán)境特征的多個冗余的信息，而且可以描述不同的環(huán)境特征。它的特點足冗余性、互補性、及時性和低成本性。(10)多學科交叉融合，實現無線網絡化無線傳感器網絡是由大量無處不在的、由無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構成的自組織分布式網絡系統，能根據環(huán)境自主完成指定任務的“智能”系統第十三頁，共75頁。

當前技術水平下的傳感器系統正向著微小型化、智能化、多功能化和網絡化的方向發(fā)展。今后，隨著CAD技術、MEMS技術、材料技術、信息理論及數據分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來的傳感器系統必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統化。在各種新興科學技術呈輻射狀廣泛滲透的當今社會，作為現代科學“耳目”的傳感器系統，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎，必將進一步得到社會各界的普遍關注。現代傳感技術的發(fā)展趨勢（小結）1.微型化(Micro)2.智能化(Smart)3.多功能傳感器(Multifunction)4.無線網絡化(wirelessnetworked)第十四頁，共75頁。傳感器要正確執(zhí)行其功能，獲得良好的性能，必須遵守和利用多種自然科學規(guī)律。歸納已有傳感器的情況，涉及的自然規(guī)律和理論基礎有：守恒定律。包括能量守恒定律、動量守恒定律、電荷守恒定律等；場的定律。包括動力場的運動定律、電磁場感應定律、光的電磁場干涉定律等；物質定律。包括力學、熱學、梯度流動的傳輸和量子現象等統計物理學法則。第一講自然規(guī)律與傳感器第十五頁，共75頁。一、守恒定律

守恒定律是自然界最重要也是最基本的定律，是自然界普遍遵守的定律之一。即某種物理量，它既不會自己產生，也不會自行消失，其總量守恒。包括能量守恒定律、質量守恒定律、動量守恒定律、角動量守恒定律、電荷守恒定律、信息守恒定律等。

1.能量守恒任一封閉系統中，無論發(fā)生什么變化，其能量的總值保持不變。能量既不會消滅，也不會創(chuàng)生，它只能從一種形式轉變成為另一種形式，或從一個物體轉移到另一個物體，這個規(guī)律叫“能的轉化合守恒定律”。該定律在性質上確定了能量形式的可變性，在數值上肯定了自然界能量總和的守恒性。第十六頁，共75頁。2.動量守恒若質點不受力的作用或作用于質點上的力等于零，則該質點的動量保持不變，這就是質點動量守恒定律。即當系統所受合外力為零時，系統總動量保持不變。3.電荷守恒孤立系統（不與外界交換電荷）的帶電量，不論系統發(fā)生何種變化或過程，電荷的代數和不變。即：電荷既不會被創(chuàng)造、也不能被消滅，它們只能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉移到另一部分。任何物理過程中電荷的代數和是守恒的。第十七頁，共75頁。應用舉例：差壓流量計以能量守恒定律、伯努利方程和流動連續(xù)性方程為基礎。整套儀表由節(jié)流裝置、導壓管及差壓檢測儀表組成。第十八頁，共75頁。伯努利方程伯努利方程是關于密封管路中無粘性流體流動的能量守恒定律。伯努利方程（定理）指出：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。流速計（皮托管）、流量計、抽水機等都是伯努利方程的實際應用。伯努利方程：方程表明：理想流體穩(wěn)定流動時，同一流管不同截面處，單位體積流體的動能、勢能與該處壓強之和保持不變。第十九頁，共75頁。

差壓式流量計測量原理假設流體為不可壓縮的理想流體不對外做功與外界無熱交換流體溫度不變差壓式流量計的測量原理是基于流體的機械能相互轉換的原理。在水平管道流動的流體，具有動壓能和靜壓能（位能）相等，在一定條件下，這兩種形式的能量可以相互轉換，但能量總和不變。第二十頁，共75頁。根據伯努利方程，設流體在水平管道中流動，且根據流體連續(xù)性方程第二十一頁，共75頁。流體質量流量開孔直徑與管道直徑的比值第二十二頁，共75頁。法蘭取壓:取壓孔直徑：6-12mmD-D/2取壓:取壓孔直徑小于0.13D,且小于13mm第二十三頁，共75頁。物理學中的“場”的概念最早是由法拉第和麥克斯韋在電磁場理論的研究中確立的。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(fā)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。MichaelFaraday（1791—1867）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(fā)展過程中，形成了電磁場的概念。第二十四頁，共75頁。所謂物理場是指某一空間范圍及其各種事物分布狀況的總稱。場的定律，如電磁場感應定律、光電磁場干涉現象等，都是關于物質作用的客觀規(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)與某一時刻的作用有關的客觀規(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(tài)與某時刻的作用有關。第二十五頁，共75頁。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：利用電磁感應定律可以構成自感式傳感器、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。

第二十六頁，共75頁。高頻反射式電渦流傳感器結構和工作原理1234561-線圈2-框架3-襯套4-支架5-電纜6-插頭第二十七頁，共75頁。第二十八頁，共75頁。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：第二十九頁，共75頁。波是場的一種運動形態(tài)，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。第三十頁，共75頁。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(yōu)點，但體積一般較大，并且不易集成。第三十一頁，共75頁。物質定律是指各種物質本身內在性質的定律、法則、規(guī)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。第三十二頁，共75頁。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。

第三十三頁，共75頁?；魻栃菔?/p>

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢。ABCD

霍爾電勢EH等于：EH=KHIB第三十四頁，共75頁。壓電效應演示光電導效應演示第三十五頁，共75頁。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(wěn)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(fā)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、傳輸現象和量子現象。第三十六頁，共75頁。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(tài)，這種現象就稱為熱平衡。處于熱平衡狀態(tài)的系統的宏觀物理量具有確定的數值，通常用幾何參量、力學參量、電磁參量和化學參量四類狀態(tài)量來定量描述，而描述系統冷熱程度的溫度則是該四類狀態(tài)量的函數。

在熱平衡狀態(tài)中，基本的物理量是能量。1.熱平衡現象第三十七頁，共75頁。

描述熱平衡狀態(tài)系統的物理量稱為狀態(tài)量。如果把這個系統分割成若干個小系統，則狀態(tài)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(tài)量。稱為強度型狀態(tài)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?。w積、面積等）成正比性質的狀態(tài)量，稱為容量型狀態(tài)量，簡稱示容變量，又叫容量量或廣延量。如能量、熵、位移等。第三十八頁，共75頁。第三十九頁，共75頁。示容變量和示強變量示容變量（流通變量）：表示能容納多少的量或表示物質形態(tài)的量，例如長度、面積、體積、質量、位移、速度、電荷等都是與空間的分布成比例，也即容納多少的量，因此叫示容變量。示強變量（作用變量）表示在某種場合下作用程度的量，如力、壓力、溫度、電壓等都屬于示強變量。第四十頁，共75頁。傳感器的能量變換

示容變量與示強變量組合之積與某一種能量相對應的，能量等于示容變量與示強變量之積，即：例如：力與位移之積是功，力與速度的積是功率，它們可以視為力學的能量；壓力與體積的積是氣體力學的能量；溫度與熵的積是熱能，溫差與熱流的積是熱功率；電壓與電荷的積是電能，電壓與電流之積是電功率等。第四十一頁，共75頁。輸出IdU示強變量dU示容變量I輸入PdV示強變量P示容變量dV氣體力學能量電能可見，無論是否有外加電源，傳感器總能將一種非電量轉換成電能量輸出，進行能量變換。第四十二頁，共75頁。設示容變量為xi，對應的示強變量為Xi，它們的積為能量：當若干個xi有微小的變化，則系統能量變化為：xj表示除xi外的示容變量保持固定不變，某個強度量對應容量狀態(tài)量的關系。（1）麥克斯韋關系式式中第四十三頁，共75頁。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(tài)變化到的U+dU平衡狀態(tài)時，其變化與所取得微分途徑無關，用數學式表示為由于；麥克斯韋關系式表明不同種類能量所構成的示強變量與示容變量微分之比為常數第四十四頁，共75頁。同理：如果有若干個示強變量發(fā)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(tài)，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。表明不同種類能量所構成的示容變量與示強變量微分之比為常數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。

或第四十五頁，共75頁。麥克斯韋關系式說明，不同種類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，具有這種關系的效應稱為熱平衡一次效應。一次效應是可逆的，如壓電效應。第四十六頁，共75頁。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(tài)。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。

第四十七頁，共75頁。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。第四十八頁，共75頁。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。第四十九頁，共75頁。

分析：機械能（輸入）：力F—強度型狀態(tài)

V0Σ—變形引起體積變化電能（輸出）：電荷Q—容量型狀態(tài)量電場強度E—強度型狀態(tài)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：即，對于選定材料和尺寸的壓電晶體，上式為常量，它說明壓電效應是可逆的，是一次效應，既可將機械量（力）變換成電量（電荷），也可將電量（E）變換為機械量（V0Σ

）。第五十頁，共75頁。熱平衡型一次效應第五十一頁，共75頁。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。例如：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：第五十二頁，共75頁。但可以利用狀態(tài)量之間的關系制各種傳感器，例如成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。第五十三頁，共75頁。當系統中存在有強度量的差或梯度時，相應的廣延量(示容變量)就隨時間而變化，即廣延量的流動，這種現象稱為傳輸現象。例如，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。一種親和力可以產生一種流，一種流也可以由兩種以上的親和力產生。利用傳輸現象可以制成某些傳感器。2.傳輸現象第五十四頁，共75頁。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第五十五頁，共75頁。兩種導體的接觸電動勢第五十六頁，共75頁。單一導體的溫差電動勢第五十七頁，共75頁。第五十八頁，共75頁。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(fā)電器。第五十九頁，共75頁。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。第六十頁，共75頁。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。見下表。第六十一頁，共75頁。傳輸現象的一次效應第六十二頁，共75頁。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(tài)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。如下表所示。例如，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。第六十三頁，共75頁。同一種類的親和力與流之間的關系第六十四頁，共75頁。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(guī)律是微觀規(guī)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。例如，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(xù)變?yōu)殡x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(guī)材料有顯著的不同。3.量子現象第六十五頁，共75頁。

例如，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(fā)射效應。它是在1887年由德國人赫茲首先發(fā)現的?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。

第六十六頁，共75頁。

例如，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(fā)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。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