《生物信息與仿生材料測試技術》 課件 第2章 生物信息測試技術基礎

第二章生物信息測試技術基礎生物信息測試技術敏感材料是對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等場的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料（通常稱之為第二代材料），是能將各種物理的或化學的非電參量轉換成電參量的功能材料。特點：電阻率隨溫度、電壓、濕度以及周圍氣體環(huán)境等的變化而變化。用敏感材料制成的傳感器具有信息感受、交換和傳遞的功能，可分別用于熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、聲敏以及色敏等不同領域。敏感元件的定義：如果被檢測或被控制的量不是電信號，那么把各種各樣的物理量變成電信號來測量的元件，就是所謂的敏感元件。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（一）敏感材料的定義根據被測參數的功能類型來劃分：溫度敏感材料、壓力敏感材料、應變敏感材料、光照度敏感材料等。按照材料的結構類型分類：半導體敏感材料、陶瓷敏感材料、金屬敏感材料、有機高分子敏感材料、光線敏感材料、磁性敏感材料等等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類傳感器對半導體敏感材料最基本要求是換能效率高，即可將其他形式能量轉換為電能，且易制成器件。傳感器用的半導體敏感材料種類主要有：元素半導體及化合物、金屬氧化物以及幾種金屬氧化物經高溫燒結而成的半導體陶瓷、多元化合物等，此外還有新開發(fā)的有機半導體材料，如酞薔金屬化合物等。半導體在光、電、熱、磁等因素作用下會產生光電、熱電、霍爾、磁阻、壓電、場和隧道等效應，利用這些效應可以制作各種具有獨特性能的敏感元件。其特點是：靈敏度高、重量輕、響應快、工作電壓低等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類1.半導體敏感材料一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類1.半導體敏感材料（1）光敏半導體材料：光能轉換為電信號，按其換能原理分：①光導效應半導體材料：半導體材料接受光子的能量，使載流子由束縛態(tài)激發(fā)到自由態(tài)，從而電導率增大；②光電效應半導體材料：入射光在兩種半導體的結合處激發(fā)起電子-空穴對，電子與空穴分別被結電場拉開，向相反方向運動，從而產生感應電動勢。用這類材料可制成光電二極管、光電三極管及雪崩光二極管等器件，廣泛用于自動控制。（2）磁敏半導體材料：磁場強度轉換成電信號。按應用原理可：①霍爾效應材料：當有均勻電流流過的半導體材料受到一垂直于電流方向的磁場作用時，因洛倫茲力作用，產生一橫向的電場?；魻栯妷旱拇笮∨c磁場強度成正比，依此可將磁場強度線性地轉換為電壓信號。要求材料具有高遷移率及薄層結構。②磁電阻效應材料：當半導體中有均勻電流流過，并受垂直于電場方向的外界磁場作用時，因霍爾效應，電流偏離電場方向一個角度，使電流所經的路程變長。在電流方向，材料兩端設置金屬元件，電阻就增大。常用InSb、InAS制作磁敏電阻，同樣要求材料具有高遷移率及薄層結構。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類1.半導體敏感材料（3）壓力敏感半導體材料壓力轉換為電信號。按其換能效應原理：①壓阻半導體材料：這類材料受外力作用時，產生晶格形變。晶格的距離改變，導致禁帶寬度及載流子在電場下的運動狀態(tài)發(fā)生變化，促使電阻率改變。②壓電半導體材料：這類材料的作用機理都基于壓電效應。當外力作用到不具有對稱中心的晶體上時，引起晶體中荷電質點位移，偏離平衡位置，使材料的正負電重心不重合而極化，晶體表面電荷。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料某些精密陶瓷對聲、光、電、熱、磁、力場及氣體分布場顯示了優(yōu)良的敏感特性和耦合特性，容易制得各種單功能與多功能的傳感器。由于與半導體陶瓷的導電性有關的現(xiàn)象多半跟晶界的存在及性質有關，故與晶界有關的各種現(xiàn)象往往成為陶瓷的特殊功能。目前，已得到實用的陶瓷傳感材料可分為：（1）利用晶體本身性質的NTC熱敏電阻、高溫熱敏電阻和氧氣傳感器；（2）利用晶界性質的PTC熱敏電阻、半導體電容器；（3）利用表面性質的半導體電容器、BaTiO3系壓敏電阻、各種氣體傳感器、濕度傳感器。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料

（1）溫度敏感陶瓷材料：陶瓷溫度傳感器是利用陶瓷材料的電阻、磁性、介電、半導等物理性質隨溫度而變化的現(xiàn)象制成的，其中電阻隨溫度變化顯著的成為熱敏電阻。對熱敏電阻的基本特性要求包括有：電阻率、溫度系數的符號與大小、穩(wěn)定性。按熱敏電阻的溫度特性可分為負溫度系數熱敏電阻（NTC），正溫度系數熱敏電阻（PTC）和臨界溫度電阻（CTR）3類。負溫度系數熱敏電阻之溫度－電阻特性可表示為：式中：R、R0為T、T0時的電阻值；B為熱敏電阻常熟。由上式可得電阻溫度系數為：一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料（2）濕敏傳感器材料：特點是可靠性高、穩(wěn)定性好、響應速度快、靈敏度高，在實用的范圍內能長時間經受其他氣體的侵襲和污染而保持性能不變以及對溫度依賴性小。陶瓷材料的物理化學性質穩(wěn)定，通過控制原料組成、成型、燒結等工藝可以使陶瓷材料具有特定的孔隙度，這些氣孔可以吸附、吸收或凝結水蒸氣，所以這種陶瓷材料適合做濕度傳感器材料。1）多孔陶瓷濕敏材料多孔陶瓷等價電路CB、RB是陶瓷自身的電容、電阻，CS’、RS’是吸附在貫通細孔表面的水的電容、電阻，CB’、CB’是存在于入口細孔的電極間陶瓷的電容、電阻。總電阻Zob為一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料影響多孔陶瓷材料感濕特性的因素包括：①細孔表面積；②表面氫氧基濃度；③物理吸附水量。質子的生成是由吸附水的解離而成，則電導率σ滿足如下關系：式中：k為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；E為活化能。改善陶瓷濕敏特性的方法：①在陶瓷基體中引入強酸性離子；②在陶瓷基體中引入堿離子來降低陶瓷的體電阻；③改變陶瓷自身的物性。

硅膠的電阻與表面氫氧基濃度關系

1）多孔陶瓷濕敏材料一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料2）尖晶石型陶瓷濕度敏感材料：尖晶石的結構化學通式為AB2O4，按A在晶體結構中所處的位置不同可分為正尖晶石（基本屬于絕緣體）、反尖晶石（電導率最大，通常為半導體）和半反尖晶石（電導率小于全反尖晶石）。每個晶胞有32個氧離子（O2-），16個B3+，8個A2+。每個晶胞有8個立方單元組成。這8個單元可分為甲、乙兩種結構類型。尖晶石的晶胞結構兩種結構類型一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料2）尖晶石型陶瓷濕度敏感材料：典型尖晶石結構陶瓷濕度敏感材料：純MgCr2O4為正尖晶石結構，是絕緣體，不宜用作感濕材料。當加入適量雜質，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高溫煅燒瓷體中呈現(xiàn)過量的MgO時，MgCr2O4即形成半導體。當TiO2加入量小于20%（mol）時，電阻率迅速增加。當加入TiO2的量較大時[20%-90%(mol)]，電阻率降低。這是由于Ti3+，離子提供過多的電子，除補償了MgCr2O4的空穴外，多余的電子形成n型電導，如圖所示，當TiO2的量過大（超過90%（mol））時，由于形成大量的金紅石相，電阻率又增加。雜質（MgO）對MgCr2O4電阻率的影響

TiO2含量對電阻的影響一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料3）鈣鈦礦型結構陶瓷濕度敏感材料：鈣鈦礦型結構的化學通式為ABO3，具有鈣鈦礦結構的氧化物陶瓷材料的表面、界面性質優(yōu)異，對環(huán)境濕氣度化非常敏感，是濕度敏感材料發(fā)展的新方向。BaTiO3晶體是較早被人們認識的鐵電材料之一。BaTiO3具有很好的濕敏性質，隨著BaTiO3顆粒尺寸的減小，濕敏特性提高，響應加快。BaTiO3陶瓷樣品在大氣中隨時間變化的直流電阻與電容（溫度27℃，濕度約為98%）的關系如圖所示。BaTiO3陶瓷樣品受大氣中水汽影響使直流電阻、電容隨時間而變化，這種變化是空氣中水汽向樣品擴散過程的反應，樣品隨吸附的水汽濃度增加，直流電阻和電容值發(fā)生變化。BaTiO3陶瓷樣品直流電阻隨時間的變化規(guī)律BaTiO3樣品電容隨時間的變化規(guī)律（f=1kHz）一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料4）厚膜型陶瓷濕度敏感材料：將具有感濕特性金屬氧化物微粒經過堆積、粘接而形成的材料，可稱之為陶瓷厚膜，用這種厚膜陶瓷材料制作的濕敏器件，一般被成為厚膜型陶瓷濕敏器件或陶瓷型濕敏器件，以與薄膜（厚度d一般在2～2μm范圍）相區(qū)別。厚膜型濕度敏感材料的理化性能比較穩(wěn)定、器件結構比較簡單、測濕量程大、使用壽命長、成本低廉。厚膜型Fe3O4濕敏器件的阻值，一般要高于燒結型陶瓷濕敏器件的阻值，在低濕段其阻值要在107Ω以上。然而，當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，F(xiàn)e3O4濕敏器件組織變化卻非常之大。感濕膜結構的松散、微粒間的不緊密接觸，既造成接觸電阻的偏大，又使這種多孔性的感濕膜具有較強的透濕能力。BaTiO3陶瓷樣品直流電阻隨時間的變化規(guī)律BaTiO3樣品電容隨時間的變化規(guī)律（f=1kHz）一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---氣體敏感陶瓷材料氣敏陶瓷的電阻值將隨所處環(huán)境的氣氛而改變，其阻值隨氣體的濃度作有規(guī)則的變化。常見的半導體氣敏陶瓷有SnO2、ZnO、γ-Fe2O3、ZrO2等。表面吸附氣體分子后，電導率將隨半導體類型和氣體分子種類而變化。半導體陶瓷氣體傳感器靈敏度高、體積小、結構簡單。目前可檢測的氣體有：碳氫系氣體、H2、C2H50H、CO、O2、鹵素氣體、SO2、NO、NH3、SiH4和煙霧等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---光學敏感陶瓷材料半導體陶瓷受到光的照射后，由于能帶間的躍遷和能帶-能級間的越前而引起光的吸受現(xiàn)象，在能帶內產生自由載流子，而使電導率增加。利用這種光電導效應可制出檢測光強度的光敏元件。光敏材料主要用于光電二極管、光電池、光敏電阻器、紅外通信、火箭衛(wèi)星軌跡探測、導彈的制導定向與跟蹤以及紅外照相與偵察等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---壓力敏感陶瓷材料利用陶瓷的壓電效應，可制成壓力傳感器。當壓電陶瓷元件在某一方向上感受應力時，在相應的電極接頭處，產生與這些應力成比例的開路電壓?？梢?，根據壓電陶瓷的這種力敏特性，可將機械力轉換成電訊號加以檢測。用作壓力傳感器的壓電陶瓷有BaTiO3、PbTiO3和PbTiO3-PbZrO3系陶瓷等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料利用高分子敏感材料可以制作溫敏、壓敏、力敏、熱敏、聲敏、氣敏、光敏、離子敏、生物敏等各種敏感元件，這種材料的主要特點是質輕、透明、柔軟、易加工、成本低廉等?？煞郑簩щ娦愿叻肿硬牧稀⒆儞Q性高分子材料、生物傳感器用高分子材料、絕緣性高分子材料、高分子光纖等。導電性高分子材料主要有直接合成本身具有導電性的高分子材料和在高分子中摻入導電性物質加以復合制成的高分子材料。前者的導電性是由于高分子中的主鏈有共軛體系或大分子的側鏈有電氣活性基團所致。后者的導電性是大分子中加入導電性物質（金屬、碳粉）造成的。。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠分子凝膠由具有彈性的交聯(lián)高分子網絡組成，有著固體材料的機械強度，在網絡的間隙中能充滿液體，可保持濕潤和柔軟，又能產生較為明顯的變形。凝膠的這種結構決定了其在外界環(huán)境發(fā)生改變時，可以改變形狀和大小。根據要求不同，高分子凝膠唱作成凝膠小球或凝膠膜。它們能實現(xiàn)可逆變形，也能承受一定的靜壓力，這種流變特性與凝膠中流體的高摩擦性有關。對于凝膠球來說，具有可逆形變能力且用于生物物質的工業(yè)分離中，使得分離效率大大提高，分離成本大大降低。對于凝膠膜來說，保持凝膠膜大小不變，那么膜內的伸縮力會使膜孔發(fā)生長大或縮小，從而改變膜的滲透性，這一機理應用到了超濾膜的生產中，使超濾膜的功能大大提高。。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠1）葡萄糖敏感水凝膠，其溶脹度能隨環(huán)境葡萄糖濃度改變而改變的水凝膠?？梢远喾N形態(tài)用于可自我調控的胰島素可控釋放體系。糖敏水凝膠的另一個重要用途是做為葡萄糖傳感器的敏感元件。新型葡萄糖敏感水凝膠的研制可能為實現(xiàn)血糖的長期連續(xù)實時監(jiān)測奠定基礎。作為葡萄糖傳感器的敏感元件主要利用糖敏水凝膠在不同濃度葡萄糖下溶脹度的變化，再將這種變化轉化為電信號或光信號的變化，從而指示血糖濃度的變化。2）濕敏水凝膠，最傳統(tǒng)的應用之一就是物質的富集與分離。優(yōu)點是：水溶膠容易再生，可反復使用；

耗能少，操作條件不苛刻；

不會被濃縮或分離物質中毒；

可根據要濃縮和分離的生物物質的分子尺寸或分子性質測定凝膠的交聯(lián)密度和單體單元結構。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠3）壓敏水凝膠，凝膠之所以表現(xiàn)出明顯的壓敏性，首先是因為它們具有溫敏性，另外還因為其相轉變溫度隨壓力的增加而有所升高，于是，當溫度不變時，如果常壓下處于收縮態(tài)的凝膠因為壓力的增加而使其所處溫度低于相轉變溫度的話，凝膠將發(fā)生大幅度的溶脹，從而證實了弄叫溫敏性與壓敏性的內在聯(lián)系。4）光敏水凝膠，水凝膠的光刺激溶脹體積變化是由于聚合物鏈的光刺激構型的變化，即其光敏性部分經光輻照轉變?yōu)楫悩嬻w。這類反應為光異構化反應，而其光敏部分即為光敏變色分子，反應常伴隨此類發(fā)色團物理和化學性質的變化，如偶極矩和幾何結構的改變，這就導致具有發(fā)色團聚合物性質的改變。在紫外光輻射時，凝膠溶脹增重，而膨脹了的凝膠在黑暗中可退溶脹至原來的重量。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠5）電場敏感水凝膠，這種水凝膠在電場的作用下可以快速彎向一側電極，表現(xiàn)出很好的電場敏感性。6）基于水凝膠的光線光柵鹽度傳感器，該傳感器是由一根光線布拉格光柵和水凝膠包層組成。根據水凝膠吸水體積膨脹以及液體中鹽濃度等影響，使得光線布拉格光柵的反射波長發(fā)生響應移動。記錄光線光柵布拉格反射波長的移動量就可以得到被測鹽溶液的濃度變化。基于水凝膠的光線光柵鹽度傳感器探頭結構示意圖一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子液晶材料高分子液晶材料作為一種新型的特種高分子材料，已經以纖維、復合材料和注模制件等形式應用于航空、航海和汽車中。由于液晶能夠將溫度、電場、磁場、機械應力或化學環(huán)境等訊號變成看得見的彩色圖樣，因此可以用來檢查材料內部的缺陷和材料的均勻度。聚合物分散液晶（Polymerdispersedliquidcrystal，簡稱PDLC）膜，是一種代表性的新型液晶高分子膜，具有電光響應速度快、無泄漏、無需偏振片、制備工藝簡單、可制成折疊式固態(tài)顯示器件等優(yōu)點，其在光電顯示方面具有很大的優(yōu)越性。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子氣敏材料氣敏材料的發(fā)展經歷了由單一無機半導體向復合無機半導體、金屬有機半導體、共軛導電高分子、高分子/無機（納米）復合材料的發(fā)展過程。高分子氣體傳感器又可分為電阻型、電容型、石英振子型、聲表面波型、濃差型和極限電流型等。隨著納米材料的發(fā)展，出現(xiàn)了全新的一維線性材料---碳納米管。碳納米管是一種具有優(yōu)異的力學、電學性能的新型納米材料。1）共軛導電高分子/碳納米管復合物，高分子/碳納米管復合物可以提高碳納米管的氣體響應靈敏度、恢復性以及選擇性。簡單化其制備工作。2）非導電高分子/炭黑、碳納米管復合物，非導電高分子/炭黑復合材料主要是通過復合物在被測氣體作用下發(fā)生一個可逆的膨脹，而引起材料自身電阻的改變來實現(xiàn)氣體的檢測。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料高分子濕度敏感材料與陶瓷型濕度敏感材料相比，具有量程寬、響應快、濕滯小、制作簡單、成本低等優(yōu)點，逐漸成為研究的重點。根據濕度傳感原理，高分子濕度敏感材料可分為電容型、電阻型、聲表面波型、光敏型等。1）電容型高分子濕度敏感材料，其原理是基于高分子膜的介電常數（ε≈5）和水分子的介電常數（ε≈80）相差較大，隨著環(huán)境溫度辯護啊，高分子膜吸附水分子的量不同，會改變其電容比，由此可測定相對濕度。典型響應特性如下圖。電容型濕度傳感器結構電容型濕度傳感器響應特性一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料2）電阻型高分子濕度敏感材料，高分子電阻濕度傳感器可分為兩類：電子導電型和離子導電型電阻型濕度傳感器結構電阻型濕度傳感器響應曲線一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料3）聲表面波（SAW）型與光敏性高分子濕度敏感材料，聲表面波（SAW）型：體積小、測試靈敏度高，可精準測定10%RH以下的低濕區(qū)，可靠性高、一致性好，且制造方便。聲面波（SAW）是一種沿物體表面?zhèn)鞑デ彝度肷疃葴\的彈性波。SAW濕度傳感器可分為兩類：SAW諧振器（SAWRS）和SAW延遲線型（SAWOS）。其中SAWOS型應用最多。光敏型：光敏性濕度傳感器是將光敏物質（一般為燃料）與高分子材料混合制備濕敏膜。濕度不同，光敏物質發(fā)光強度不同，由此可測知相對濕度。所用濕敏材料有7-羥基香豆素系染料摻雜PMMA、磺鈦燃料摻雜聚合物等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料4）羥乙基纖維素碳濕度敏感材料，羥乙基纖維素吸收水分后體積膨脹，摻入可導電的微?；螂x子可以將其體積隨環(huán)境濕度的變化，轉變?yōu)楦袧癫牧想妼实淖兓?，從而測得環(huán)境濕度。5）聚苯乙烯磺酸鋰濕度敏感材料，這類器件的優(yōu)點是測濕量程寬、響應快、性能穩(wěn)定且成本低。聚苯乙烯磺酸鋰是高分子的電解質，故其電導率隨溫度變化較為明顯。器件具有負溫度系數，在應用該器件時，應進行溫度補償。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---炭黑填充硅橡膠力敏材料炭黑填充硅橡膠復合材料的三相結構模型，圖中A相為未被炭黑離子吸附的硅橡膠分子鏈，能夠進行自由微布朗運動；B相是交聯(lián)的硅橡膠分子鏈，分子運動收到一定限制；C相為“殼層橡膠”。在復合材料中，C相起“骨架”作用，它與具有彈性的A相和B相相連，構成由炭黑與硅橡膠大分子鏈結合在一起的三維網絡結構。由于炭黑電阻率遠比硅橡膠的小，因此，炭黑在硅橡膠集體中起著導電相的作用，復合材料也是一個三維導電網絡。當炭黑間距小到足以發(fā)生接觸傳到和隧道效應時，將形成“局部導電通道”。而當局部導電通道貫穿復合材料基體時，將形成“有效導電通道”。殼層模型示意圖有效（局部）導電通道示意圖一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料電流變現(xiàn)象（效應）是指“在外電場控制下，能在微秒量級的短時間內產生黏度、阻尼性能及剪切強度可逆性變化的現(xiàn)象（或效應）”。具有這種效應的材料被成為“電流變材料”，由于該材料在未加電場時一般呈液體狀態(tài)，故又稱為“電流變液體”（ERF）或“電黏性液體”。ERF材料特點：材料形態(tài)在固態(tài)屬性和也太屬性間快速轉變，響應速度很高，為毫秒數量級或更低；材料表觀黏度的轉變，乃至從液態(tài)至固態(tài)的變化是完全可逆的；表觀黏度隨電場大幅度無極變化，轉換可由一簡單電場信號控制，主要用作電-機特性轉化元件，易于控制；由于控制相變的能量極低，應用中能耗量極低。一種具有特殊組分和結構的液體材料，在直流外電場作用下，產生黏度可逆化快速變化的效應被稱為“ER效應”。電場強度增大，液體黏度增大階段稱為“正效應”，而電場強度減小，黏度降級階段，稱為“負效應”。一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變體的結構和組成根據ERF的應用情況，從原理上分析，具有兩種不同的結構形式。1）固定電極結構：外力作用在ERF材料上，使ERF流過施加電壓的電極板之間。2）滑動電極結構：兩極間通以電壓，外力作用在一個電極上，使電極以一定速度相對于另一電極運動。ERF的不同電極結構一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變體的結構和組成常用于測量ERF材料主要參數的同心圓柱流變儀（Couette流變儀），根據滑動電極結構涉及，其中內圓柱接電源，外圓筒接地，內圓柱以角速度相對于外圓筒運動，外圓筒安裝在一測距傳感器上，根據角速度與轉矩值指示，可獲得ERF材料的剪切應力、剪切應變、靜態(tài)屈服應力、剪切應變速度、電流密度等值。Couette容器應變儀原理示意圖ERF通常由下列三個主要成分組成：①連續(xù)介質（溶劑）②分散介質（懸浮粒子）③表面活化劑一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應用實例發(fā)動機懸置式ERF可控支座示意圖可控（主動）發(fā)動機懸置結構，ERF材料使一種“主動減震裝置（方法）”，可根據振動狀態(tài)，自適應地調節(jié)工作參數，利用ERF表觀黏度隨電場強度的增大而增大，而無法隨意使黏度減小，所以嚴格的說，它智能被成為“半主動式減（隔）振材料”一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應用實例自動無級變速離合器示意圖自控無級變速離合器，ERF自控變速器（離合器）的特點在于：摒棄了機械傳動系統(tǒng)中多年來處于主導地位的復雜的齒輪機構，使結構大為簡化；并可輕易的實現(xiàn)無級傳動。另一重大革新，是該系統(tǒng)不存在磨損，從而大大提高了機械系統(tǒng)的效率（功耗）和使用壽命一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應用實例ERF液壓活塞系統(tǒng)油路示意圖ERF在液壓控制系統(tǒng)中的應用，如果通過電量來改變物理黏度，則可不需經過機械位移，即可實現(xiàn)信號的控制，從而大大延長控制元件的壽命一、傳感器的敏感材料與檢測技術（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應用實例盤式ER轉子阻尼器結構圖ERF阻尼器，盤式ERF阻尼器為Nikolajsen所涉及，是一種用于降低電極轉子越過其臨界轉速時產生過大振動振幅的裝置，從而可增加轉子的支承剛度和外加阻尼ERF轉子阻尼器降低臨界轉速振動振幅原理曲線二、傳感器的基本結構（一）傳感器的定義傳感器(英文名稱：transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是:"能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成"。中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟認為，傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。""傳感器"在新韋式大詞典中定義為:"從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件"。二、傳感器的基本結構（二）傳感器的特點傳感器的特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。二、傳感器的基本結構（三）傳感器的基本結構傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四部分組成。二、傳感器的基本結構（四）傳感器的基本特性1.靜態(tài)特性---被測量不隨時間變化或隨時間變化緩慢時輸入與輸出間的關系。如果不考慮遲滯特性和蠕動效應，傳感器的靜態(tài)數學模型一般可用n次多項式來表示為：傳感器典型靜態(tài)特性曲線二、傳感器的基本結構（四）傳感器的基本特性1.靜態(tài)特性---被測量不隨時間變化或隨時間變化緩慢時輸入與輸出間的關系。傳感器的靜態(tài)性能指標包括:線性度:傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離理論擬合直線的成單獨，又稱非線性誤差;靈敏度:是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值重復性:傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度遲滯:傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸入—輸出特性曲線不一致的程度分辨力和閾