第一讲自然规律与传感器ppt课件

.,传感器是一种装置或器件。国家标准（GB7765-87）给传感器的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号。,传感器的定义,.,传感器的组成,.,根据传感器的工作机理基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的物理传感器；基于化学效应如化学吸附、离子化学效应等进行工作的化学传感器；基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。根据传感器的构成原理结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。定律、法则大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。根据传感器的能量转换情况能量控制型是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化（即传感器输入量的变化）只起到控制的作用。如应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应等电桥能量转换型是由传感器输入量的变化直接引起能量的变化。如热电效应中热电偶、光电池等。,传感器的分类,.,.,现代传感技术的发展趋势,(1)开发新材料、研究新型传感器材料是传感器技术的重要基础。随着传感器技术的发展、如半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维、纳米材料、超导材料等相继问世。随着研究的不断深入，人们将进一步探索具有新效应的敏感功能材料；通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科、各种新技术的互相渗透和综合利用,从而研制开发具有新原理、新功能的新型传感器。,.,(2)向高精度发展随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产相对精度在万分之一以上的传感器的厂家为数不多，其产量也远远不能满足要求。,.,(3)向高可靠性、宽温度范围发展传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-2070，在军用系统中要求工作温度在-40C85C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-20C120C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。,.,(4)向微型化发展各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。,.,(5)向微功耗及无源化发展传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如TI2702运算放大器，静态功耗只有1.5mA，而工作电压只需25V。,.,(6)向集成化、多功能化发展集成化技术包括传感器与IC的集成制造技术以及多参量传感器的集成制造技术，缩小了传感器的体积，提高了抗干扰能力。在通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。,.,(7)向智能化发展所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起，并具有诊断、数字双向通信等新功能的传感器。由于微处理器具有强大的计算和逻辑判断功能，故可方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等：同时实现必要的自诊断、自检测、自校验以及通信与控制等功能。(8)向数字化、网络化发展随着科技的发展，数字化、网络化传感器应用日益广泛，以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流。,.,(9)多传感器的集成与融合由于单传感器不可避免存在不确定或偶然不确定性，缺乏全面性，所以偶然的故障就会导致系统失效。多传感器集成与融合技术正是解决这些问题的良方。多个传感器不仅可以描述同一环境特征的多个冗余的信息，而且可以描述不同的环境特征。它的特点足冗余性、互补性、及时性和低成本性。(10)多学科交叉融合，实现无线网络化无线传感器网络是由大量无处不在的、由无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统,.,当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、材料技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。,现代传感技术的发展趋势（小结）1.微型化(Micro)2.智能化(Smart)3.多功能传感器(Multifunction)4.无线网络化(wirelessnetworked),.,传感器要正确执行其功能，获得良好的性能，必须遵守和利用多种自然科学规律。归纳已有传感器的情况，涉及的自然规律和理论基础有：守恒定律。包括能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律等；场的定律。包括动力场的运动定律、电磁场感应定律、光的电磁场干涉定律等；物质定律。包括力学、热学、梯度流动的传输和量子现象等统计物理学法则。,第一讲自然规律与传感器,.,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。即某种物理量，它既不会自己产生，也不会自行消失，其总量守恒。包括能量守恒定律、质量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律、信息守恒定律等。1.能量守恒任一封闭系统中，无论发生什么变化，其能量的总值保持不变。能量既不会消灭，也不会创生，它只能从一种形式转变成为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，这个规律叫“能的转化合守恒定律”。该定律在性质上确定了能量形式的可变性，在数值上肯定了自然界能量总和的守恒性。,.,2.动量守恒若质点不受力的作用或作用于质点上的力等于零，则该质点的动量保持不变，这就是质点动量守恒定律。即当系统所受合外力为零时，系统总动量保持不变。,3.电荷守恒孤立系统（不与外界交换电荷）的带电量，不论系统发生何种变化或过程，电荷的代数和不变。即：电荷既不会被创造、也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。任何物理过程中电荷的代数和是守恒的。,.,应用举例：差压流量计以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础。整套仪表由节流装置、导压管及差压检测仪表组成。,.,伯努利方程伯努利方程是关于密封管路中无粘性流体流动的能量守恒定律。伯努利方程（定理）指出：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。流速计（皮托管）、流量计、抽水机等都是伯努利方程的实际应用。,伯努利方程：,方程表明：理想流体稳定流动时，同一流管不同截面处，单位体积流体的动能、势能与该处压强之和保持不变。,.,差压式流量计测量原理,差压式流量计的测量原理是基于流体的机械能相互转换的原理。在水平管道流动的流体，具有动压能和静压能（位能）相等，在一定条件下，这两种形式的能量可以相互转换，但能量总和不变。,.,根据伯努利方程，设流体在水平管道中流动，且,根据流体连续性方程,.,流体质量流量,开孔直径与管道直径的比值,.,法兰取压:取压孔直径：6-12mm,D-D/2取压:取压孔直径小于0.13D,且小于13mm,.,二、场的定律,物理学中的“场”的概念最早是由法拉第和麦克斯韦在电磁场理论的研究中确立的。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（17911867）,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，形成了电磁场的概念。,.,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，如电磁场感应定律、光电磁场干涉现象等，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。,.,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：利用电磁感应定律可以构成自感式传感器、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。,.,高频反射式电涡流传感器结构和工作原理,1,2,3,4,5,6,1-线圈2-框架3-衬套4-支架5-电缆6-插头,.,.,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：两极板相对移动时，C的变化量：,.,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。,.,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。,.,三、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。,.,利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿阻和霍尔等效应，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。,.,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。,A,B,C,D,霍尔电势EH等于：EH=KHIB,.,光电导效应演示,.,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、传输现象和量子现象。,.,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。处于热平衡状态的系统的宏观物理量具有确定的数值，通常用几何参量、力学参量、电磁参量和化学参量四类状态量来定量描述，而描述系统冷热程度的温度则是该四类状态量的函数。在热平衡状态中，基本的物理量是能量。,1.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：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。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，又叫容量量或广延量。如能量、熵、位移等。,.,传感器是信息获取的测量装置，但从能量的角度看，传感器实质上是一种能量转换器件，传感器与被测对象间的能量关系有两种情况：（1）当被测对象的物理状态与某种形式能量有关时，从被测对象的状态所获得的信息中，便可以确定传感器得到的能量与信息的相互关系。例如，热电偶测温度。测量中热量从被测对象传向热电偶，直至热平衡，热电偶得到与被测温度有关的热量并将其转换为电动势，通过测量电路，最终显示温度值。（2）当被测对象的物理状态与能量无关时，为了测量，则需要对被测对象施加一定的能量，根据其响应情况来获得有关被测对象的信息，例如，利用光电传感器测量物体的位置。光源发射能量物体反射传感器接受能量，通过接受/发射能量之比，反映位置信息。,.,根据与被测对象有关的物理量的特点，可将被测物理量大致分为示容变量和示强变量两大类。,示容变量和示强变量示容变量（流通变量）：表示能容纳多少的量或表示物质形态的量，例如长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷等都是与空间的分布成比例，也即容纳多少的量，因此叫示容变量。示强变量（作用变量）表示在某种场合下作用程度的量，如力、压力、温度、电压等都属于示强变量。,.,传感器的能量变换示容变量与示强变量组合之积与某一种能量相对应的，能量等于示容变量与示强变量之积，即：例如：力与位移之积是功，力与速度的积是功率，它们可以视为力学的能量；压力与体积的积是气体力学的能量；温度与熵的积是热能，温差与热流的积是热功率；电压与电荷的积是电能，电压与电流之积是电功率等。,.,气体力学能量,电能,可见，无论是否有外加电源，传感器总能将一种非电量转换成电能量输出，进行能量变换。,.,设示容变量为xi，对应的示强变量为Xi，它们的积为能量：当若干个xi有微小的变化，则系统能量变化为：xj表示除xi外的示容变量保持固定不变，某个强度量对应容量状态量的关系。,（1）麦克斯韦关系式,式中,.,根据热力学原理（热力学第一定律）：系统由能量U的平衡状态变化到的U+dU平衡状态时，其变化与所取得微分途径无关，用数学式表示为,麦克斯韦关系式,表明不同种类能量所构成的示强变量与示容变量微分之比为常数,.,同理：如果有若干个示强变量发生微小变化，使系统能量变化时，但系统在能量变化前和变化后均处于热平衡状态，则麦克斯韦关系式可写成：k表示除Xi，Xj以外的强度量保持固定不变。表明不同种类能量所构成的示容变量与示强变量微分之比为常数因为示强变量易测量，大小也易调整（温度、压力、磁场强度等），所以实践中通常以示强变量作为独立变量予以测量。,或,.,（2）热平衡一次效应,麦克斯韦关系式说明，不同种类能量所对应的强度型状态量与容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效应称为热平衡一次效应。一次效应是可逆的，如压电效应。,.,热平衡一次效应：压电效应,当某些电介质沿一定方向受外力作用时，在其一定的两个表面上产生异号电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于受力方向，即变形是压缩还是伸长；比例系数为压电常数，它与形变方向有关，固定材料的确定方向上为常量。,.,正压电效应,当对压电材料施以外力（压力）时，材料体内的电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这一变化会在材料表面产生正负电荷，以保持原状。,.,逆压电效应,当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失。,其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。当对压电材料表面电场（电压），因电场作用时材料体内的电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗这一变化会沿电场方向拉伸。,.,分析：机械能（输入）：力F强度型状态V0变形引起体积变化电能（输出）：电荷Q容量型状态量电场强度E强度型状态量其中：F、E为不同种类强度量；V0、Q为不同种类的容量量。根据麦氏关系式：即，对于选定材料和尺寸的压电晶体，上式为常量，它说明压电效应是可逆的，是一次效应，既可将机械量（力）变换成电量（电荷），也可将电量（E）变换为机械量（V0）。,.,热平衡型一次效应,.,（3）热平衡二次效应,同一种类能量的强度型状态量与容量型状态量微分之比，或同一种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接构成传感器的。例如：膜盒或膜片等弹性敏感元件在力F(或压力)作用下产生形变l，刚度系数：电场电势U作用于电容器导电极板产生电荷Q，电容系数：温度T产生热量Q，热容量：,.,但可以利用状态量之间的关系制各种传感器，例如成利用弹性元件受力产生变形，其应变与应变片电阻值的关系可制成电阻应变式力(压力)传感器。,上述这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。,.,当系统中存在有强度量的差或梯度时，相应的广延量(示容变量)就随时间而变化，即广延量的流动，这种现象称为传输现象。例如，导体两端有电位差时，就有电流流动；物体有温度差时，就有热流流动；电容两端有电位差时，就有电荷积累等。这种使相应广延量流动的强度量的差或梯度可视为一种力，称之为亲和力或亲和势。一种亲和力可以产生一种流，一种流也可以由两种以上的亲和力产生。利用传输现象可以制成某些传感器。,2.传输现象,.,例：塞贝克效应,由两种导体或半导体闭合构成的热电偶，当其两结点有温度差时，就有热流在两结点间流动，由于塞贝克效应（又称热电效应），则在两结点间产生电动势，回路中就有电流。,接触电动势,温差电动势,.,两种导体的接触电动势,.,单一导体的温差电动势,.,塞贝克效应：总电动势,.,金属的塞贝克系数约为080v/k，温差电效应较小，可制成热电偶，用于测温等。两种不同半导体联接回路两端保持不同温度，其约为50100v/k，可制成温差发电器。,.,珀耳帖效应,如果热电偶处于某一环境温度下，并在其回路中通入电流，由于珀耳帖效应（塞贝克效应的逆效应），则在两结点处分别放出和吸收与电流成正比关系的热量，其通入的电流是由电位差产生的，输出的热量是由温度差产生的。,.,由此可知，塞贝克效应是因温度差而产生电流，珀耳帖效应是由电位差而产生热流，他们是可逆的。把这种不同种类的亲和力和流之间的效应称为一次效应，利用一次效应可以直接制成各种传感器。见下表。,.,传输现象的一次效应,.,同一种类的亲和力和流之间的关系不能直接用于传感器中，但是利用它们与其他状态量的关系，仍可制成各种传感器，这种现象称为传输现象的二次效应。如下表所示。例如，电阻率是电场强度与其所引起的电流密度之比，是电导率的倒数，若利用它与变形、压力、温度等的关系，则可构成电阻应变式、压敏电阻、热敏电阻等传感器。电介质的介电常数是其电容率与真空电容率之比，不能直接构成传感器，但若利用介电常数与温度、湿度、容量等的关系，则可制成电容式温度传感器、电容式湿度传感器、电容式液位传感器等。,.,同一种类的亲和力与流之间的关系,.,量子现象：分子、原子、电子、光子、中子等微观客体遵循的物理学规律是微观规律，它所具有的各种现象，如物质分子和原子的能量是离散跳跃的、核磁共振、隧道效应、核辐射等。例如，量子尺寸效应：即指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。,3.量子现象,.,例如，外光电效应：在光的照射下，物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应，被释放的电子称为光电子，所以又称光电子发射效应。它是在1887年由德国人赫兹首先发现的。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,.,例如，内光电效应：在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，从而增加物体的导电性或产生电动势、或产生光电流的现象，称为内光电效应。内光电效又可分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应：某些物体（一般为半导体）受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。绝大多数的高电阻率半