第2章 传感理论基础2

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1、第二章传感理论基础2.1信息获取与信息感知2.2自然规律与传感器2.3传感器的基础效应2.4传感器的新型敏感材料2.5弹性敏感元件2.1传感器的任务是信息感知传感器的基本任务传感器是获取信息的工具传感器应该满足一些必需的条件传感器涉及的基础理论1．传感技术正在成为多学科交汇点2.自然规律是传感技术的理论依据自然界普遍适用的自然规律；物质相互作用的效应原理；实现效应的功能材料；相关技术学科的前沿技术。3．传感理论基础2.2.1守恒定律2.2.2场的定律2.2.3物质定律2.2.4统计物理学法则2.2自然规律与传感器2.2.1守恒定律伯努利方程（关于密封管路中无

2、粘性流体流动的能量守恒定律）：流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。2.2自然规律与传感器2.2.1守恒定律皮托管：1732年由法国工程师皮托首创，至今仍是测量流速的常用仪器。皮托管是用来测量运动流体内任一点流速的仪器。2.2.2场的定律法拉第首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场、磁场的概念。MichaelFaraday（1791—1867）其后，经典电磁场论（麦克斯韦、赫兹）得到确立。在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电

3、磁场的概念。2.2.2场的定律所谓物理场是指某一空间范围及其各种事物分布状况的总称。场的定律，都是关于物质作用的客观规律。这些规律所揭示的是物体在空间排列和分布状态与某一时刻的作用有关的客观规律，一般可用物理方程给出。这些方程就是某些传感器工作的数学模型，而与这些定律有关的参数通常与具体物质的内部结构（如成分、材料）无关，与物质在空间的位置及分布状态与某时刻的作用有关。2.2.2场的定律电磁感应定律指出：导体回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比。当线圈以速度v垂直于磁场运动时，由于切割磁力线，在线圈中产生与运动速度成正比的感应电动势：自感式

4、传感器、互感式传感器、感应同步器和电涡流式传感器等，可用来测量位移、运动速度、振动等多种物理量。2.2.2场的定律利用静电场的有关定律制成电容传感器。静电场中两平行电极板间的电容量C为：两极板相对移动Δδ时，C的变化量：2.2.2场的定律波是场的一种运动形态，光波是一种广泛存在的电磁波。利用光电磁场的基本定律，如光的直线传播定律、光波之间的相互作用，如光的干涉、衍射、偏振现象、光的多普勒效应等，可以制成影像、干涉、衍射、偏振、光栅、光码盘等各式各样的传感器和测量装置。2.2.2场的定律利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定，与使用材料无关。这类传感器的形

5、状、尺寸等参数决定了传感器的量程、灵敏度等性能，因此这类传感器统称为结构型传感器。它们具有设计的自由度较大、选择材料的限制较小等优点，但体积一般较大，并且不易集成。2.2.3物质定律物质定律是指各种物质本身内在性质的定律、法则、规律等。它们通常以固有的物理常数加以描述。如胡克定律，欧姆定律等。这些定律都含有物质所固有的常数，即定律是定义各种物理常数的公式。利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传感器。这些传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理常数或化学、生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关。2.2.3物质定律利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿阻

6、和霍尔等效应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度和磁场等传感器；利用压电材料所具有的压电效应可制成压电式、声表面波和超声波等传感器；利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。霍尔（Hall）效应当电流垂直于外磁场的方向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，称为霍尔效应。2.2.3物质定律由于利用物质定律的物性型传感器具有构造简单、体积小、无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等特点，因此是当代传感技术领域中具有广阔发展前景的传感器。与物质所固有的物理常数有关的各种现象可分为三大类：热平衡现象、传输

7、现象和量子现象。一、热平衡现象一个系统在没有外界影响的条件下，即外界对系统既不作功，又不传热的情况下，系统各个部分之间的能量以热量的形式而不是以功的形式进行交换，经过一定的时间后，系统各部分将达到一种宏观性质不随时间变化的状态，这种现象就称为热平衡。一、热平衡现象描述热平衡状态系统的物理量称为状态量。如果把这个系统分割成若干个小系统，则状态量可分为两种：①与分割方法无关，其性质由其量的大小来决定的状态量。称为强度型状态量，简称示强变量。如温度、压力、电场强度、磁场强度。②具有与系统的大小（体积、面积等）成正比性质的状态量，称为容量型状态量，简称示容变量，又叫

8、容量量或广延量。如能量、熵、位移等。1.麦克斯韦关系