几种典型的传感器敏感材料及器件-光学特性..
传感器的敏感材料与敏感元件介绍
3.2.1 温度敏感陶瓷材料
❖ 陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半 导等物理性质随温度而变化的现象制成的，其中电阻随温度 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③稳定性。
❖ 按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻 （NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻 （CTR）3类。
❖ 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材 料等。
❖ 按照材料的结构类型进行分类。该分类方法包括半导体 敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子 敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。
3.1 半导体敏感材料及元件
❖ 传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可 将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。
图3-8 TiO2含量对电阻的影响
❖ 3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料
钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaTiO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。
积的空隙中。间隙较小的
是氧四面体中心，为A位置，
间隙较大的则是氧八面体
位置，为B位置。
图3-6 两种结构类型
❖ （2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响。
传感器的典型组成
传感器的典型组成传感器是一种可以将物理量转换为易于测量的电信号或其他形式的设备。
它们广泛应用于各个领域，如工业自动化、交通运输、医疗保健、环境监测等。
下面是传感器的典型组成。
1.敏感元件（传感器元件）敏感元件是传感器中最重要的组成部分，用于将被测物理量转换为与之成正比的电信号。
敏感元件的选择取决于被测量的类型。
常见的敏感元件有以下几种：1.1压力敏感元件：如压电传感器、电阻应变片等。
1.2温度敏感元件：如热电偶、热敏电阻等。
1.3光敏元件：如光电二极管、光敏电阻等。
1.4湿度敏感元件：如湿敏电阻、湿敏电容等。
1.5磁敏元件：如霍尔传感器、磁阻传感器等。
2.信号转换电路信号转换电路用于将敏感元件输出的微弱电信号转换为易于处理的适当信号形式。
这包括放大、滤波、线性化等处理。
信号转换电路根据传感器的类别和输出电信号的特性来确定。
3.特定的电路和处理器芯片特定电路和处理器芯片用于进一步处理和分析传感器输出的信号，在传感器系统中起着关键作用。
这些电路和处理器芯片通常与传感器密切集成，以满足具体应用的需求。
例如，对于汽车中的碰撞传感器，可以使用特定电路和处理器芯片来进行碰撞检测和报警。
4.连接接口传感器通常需要与其他设备或系统进行通信和交互，因此连接接口是传感器系统中的重要组成部分。
常见的连接接口包括模拟接口、数字接口、无线接口等。
这些接口可以使传感器与计算机、控制系统或其他传感器进行数据交换和通信。
5.供电系统传感器通常需要一定的能量来运行，供电系统包括电池、电源电路等，用于为传感器提供能量。
供电系统还可以包括传感器功耗管理功能，以延长传感器的使用寿命。
6.外壳和保护装置外壳和保护装置用于保护传感器免受环境因素的干扰和损坏。
外壳通常由金属或塑料制成，具有防尘、防水和抗冲击等特性。
保护装置可以防止传感器敏感元件直接接触到外部环境，提高传感器的稳定性和可靠性。
总之，传感器的典型组成包括敏感元件、信号转换电路、特定电路和处理器芯片、连接接口、供电系统以及外壳和保护装置。
常用传感器与敏感元件(磁电、压电、热电)
F F0 F1 F0 ma
压电元件上产生与加速度a对应的电荷，即
Q d11F d11 ( F0 ma)
与ma对应的是电荷的增量 Q
Q d11 ma
压电式传感器
工作时，将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，则 电荷放大器的输出电压的增量
u0 Q d11ma Cf Cf
i i y
f
Kq q e C C AC C
y f f f
压电式传感器
3、压电式传感器的应用
◆压电式压力传感器
传感器上盖为传力元件, 当外力作用时, 它将产生弹 性变形, 将力传递到石英晶 片上。两片石英晶体采用并 联方式，一根引线两压电片 中间的金属片上，另一端直
接与上盖相接。利用其纵向
热电式传感器
（3）当热电偶两电极AB材料不同，两接点处的温 度也不同时，则会产生大小不等的温差电势及接 触电势。这时热电偶的热电势EAB(T,TO)为两接点 温度T和TO的函数。
EAB (T ,T0 ) f (T ) f (T0 )
若冷端温度T0保持不变，即E(T0)为常数时，则 热电势EAB(T，T0)仅为热端温度T的函数
热电式传感器
◆热电动势由接触电势和温 差电势组成 ◆分析 （1）若热电偶两电极A和B材料相同，两接点温度 不同时，接触电势EAB(T)和 EAB(TO)皆为零。温差 电势EA(T,TO)和EB(T,TO)大小相等，方向相反，所 以不会产生热电势。 （2）若热电偶两接触点温度相同，两电极材料不 同时，无温差电势。接触电势大小相等，方向相 反，所以不会产生热电势。
磁电式传感器
磁电式扭矩传感器 传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和 铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。 当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应出交流电压， 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。
光敏传感器的认识
光敏传感器的认识光敏传感器（光敏器件）是一类可以感知光线强度的传感器，它们在不同的应用中被广泛使用。
这些传感器对光的敏感度可以因器件类型和用途而异。
以下是光敏传感器的一些常见类型和基本认识：1. 光敏二极管（Photodiode）:-光敏二极管是一种半导体器件，其电流与入射光的强度成正比。
当光照射在光敏二极管上时，电荷被产生，并且这个电荷流动的电流被用作测量光的强度。
它们常用于光电探测、光通信等领域。
2. 光敏电阻（Photocell or LDR - Light-Dependent Resistor）:-光敏电阻的电阻值随光的强度而变化。
在弱光条件下，电阻较大；而在强光条件下，电阻较小。
这种特性使得光敏电阻常被用于光敏电路和自动照明系统中。
3. 光敏晶体管（Phototransistor）:-光敏晶体管是一种光敏二极管的变种，具有放大功能。
当光照射到光敏晶体管时，电流增大，可以用于检测光的强度并产生电信号。
它在一些需要检测光强度并进行放大的应用中很有用。
4. 光敏电容（Photocapacitor）:-光敏电容是一种光敏器件，其电容值随光的强度而变化。
光敏电容被用于一些需要检测光强度并转换为电容变化的应用中。
5. 光敏传感器模块（Light Sensor Module）:-这是一种集成了光敏传感器的模块，通常包括前端的光敏元件和后端的信号处理电路。
这种模块化设计使得它们更容易在电子项目中使用，无需过多的电路设计。
应用领域包括光控开关、自动照明系统、光电传感器、相机的自动曝光控制等。
选择适当类型的光敏传感器通常取决于应用的需求，例如对灵敏度、响应时间、工作光谱范围等的要求。
常用传感器及工作原理及应用
常用传感器及工作原理及应用传感器是指能够将其中一种感知量变换成电信号或其他可以辨识的输出信号的装置。
它们广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗器械、汽车电子、智能家居以及移动设备等各个领域。
本文将介绍一些常用传感器的工作原理及应用。
1.温度传感器温度传感器用于测量环境的温度。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻和半导体温度传感器。
热电偶通过两个不同金属之间的温差来产生电压，热电阻则利用温度对电阻的敏感性来测量温度，而半导体温度传感器则利用半导体材料的特性来测量温度。
温度传感器广泛应用于气象观测、工业生产过程中的温度控制和家电中的温度监测等领域。
2.光敏传感器光敏传感器可以测量光的强度和光的频率。
常见的光敏传感器有光敏电阻、光敏二极管和光敏晶体管。
光敏电阻根据光照的强弱改变电阻值，光敏二极管和光敏晶体管则根据光照的强弱改变电流值。
光敏传感器广泛应用于照明控制、安防监控和光电设备等领域。
3.声音传感器4.湿度传感器湿度传感器可以测量环境中的湿度。
常见的湿度传感器有电容式湿度传感器和电阻式湿度传感器。
电容式湿度传感器利用电容的变化来感应湿度，电阻式湿度传感器则是利用湿度对电阻的敏感性来感应湿度。
湿度传感器广泛应用于气象观测、室内湿度控制和农业领域等。
5.加速度传感器加速度传感器可以测量物体的加速度。
常见的加速度传感器有压电式加速度传感器和微机械式加速度传感器。
压电式加速度传感器利用压电效应来感应加速度，微机械式加速度传感器则是利用微机械结构的变化来感应加速度。
加速度传感器广泛应用于汽车电子、智能手机以及航空航天领域等。
总的来说，传感器在现代社会中扮演着重要的角色，广泛应用于各个领域。
通过测量和感应物理量，传感器能够实现自动化控制、环境监测和智能化等功能，为社会的发展和人们的生活带来了便利和效益。
常见的25种传感器类型介绍
常见的25种传感器类型介绍“蓝⾊字”传感器的作⽤实际上是⼀种功能块，其作⽤是将来⾃外界的各种信号转换成电信号。
例如，⽇常⽣活中使⽤的话筒，⼿机中的麦克风，它将声⾳转换成电信号，然后放⼤到最佳范围。
然后，在扬声器的o / p处将电信号变成⾳频信号。
如今传感器所检测的信号近来显著地增加，因⽽其品种也极其繁多。
今天我们来看看传感器的种类吧：1.电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、⼒、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的⼀种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、⽓敏、湿敏等电阻式传感器件。
2.变频功率传感器变频功率传感器通过对输⼊的电压、电流信号进⾏交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输⼊⼆次仪表相连，数字量输⼊⼆次仪表对电压、电流的采样值进⾏运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。
3.称重传感器称重传感器是⼀种能够将重⼒转变为电信号的⼒→电转换装置，是电⼦衡器的⼀个关键部件。
能够实现⼒→电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁⼒式和电容式等。
电磁⼒式主要⽤于电⼦天平，电容式⽤于部分电⼦吊秤，⽽绝⼤多数衡器产品所⽤的还是电阻应变式称重传感器。
电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度⾼，适⽤⾯⼴，且能够在相对⽐较差的环境下使⽤。
因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了⼴泛地运⽤。
4.电阻应变式传感器传感器中的电阻应变⽚具有⾦属的应变效应，即在外⼒作⽤下产⽣机械形变，从⽽使电阻值随之发⽣相应的变化。
电阻应变⽚主要有⾦属和半导体两类，⾦属应变⽚有⾦属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变⽚具有灵敏度⾼(通常是丝式、箔式的⼏⼗倍)、横向效应⼩等优点。
5.压阻式压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基⽚上经扩散电阻⽽制成的器件。
其基⽚可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基⽚内接成电桥形式。
常用传感器的种类
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
1、热敏传感器热敏传感器是将温度转换成电信号的转换器件，可分为有源和无源两大类。
前者的工作原理是热释电效应、热电效应、半导体结效应。
后者的工作原理是电阻的热敏特性，约占热敏传感器的55%。
在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。
较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
2、光敏传感器光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
国内主要厂商有OTRON品牌等。
光传感器是产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。
3、气敏传感器气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。
所以对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。
4、力敏传感器力敏传感器是将应力、压力等力学量转换成电信号的转换器件。
力敏传感器有电阻式、电容式、电感式、压电式和电流式等多种形式，它们各有优缺点。
其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
传感器的敏感材料与敏感元件
传感器的敏感材料与敏感元件概述传感器是计量和控制系统中的重要组成部分。
它通过感知物理或化学量的变化并将其转化为电信号，从而实现对环境、材料或物体的检测和测量。
在传感器中，敏感材料和敏感元件起着关键作用。
敏感材料是指能够对外界环境变化产生敏感响应的材料，而敏感元件则是将敏感材料的响应转化为电信号的组件。
传感器常用的敏感材料1. 氧化物敏感材料氧化物敏感材料是传感器中常用的一类材料。
它们具有很高的化学稳定性和电学性能，并且对特定气体有很高的敏感性。
例如，二氧化锡（SnO2）被广泛应用于气体传感器中，可以检测到一氧化碳、二氧化硫等有害气体。
此外，氧化锌（ZnO）也常用于氨气传感器的制备。
2. 金属敏感材料金属敏感材料主要通过其电导率的变化来实现对环境参数的敏感检测。
常用的金属敏感材料包括铂、钼等。
例如，铂电阻温度传感器可以精确测量温度，广泛应用于温度控制系统中。
3. 半导体敏感材料半导体敏感材料是传感器中最常用的一类材料。
它们的电学特性可以被外界环境的变化所改变，从而实现对物理量或化学量的检测。
例如，硅、锗等材料常用于温度传感器的制备，而氮化镓（GaN）材料则用于制备氮化物传感器，可以检测温度、压力、光强等参数。
传感器常用的敏感元件1. 电容式敏感元件电容式敏感元件是一种常见的传感器元件。
它由一个固定电容和一个可变电容组成，通过测量电容的变化来检测物理量的变化。
例如，电容式湿度传感器通过测量湿度对电容的影响来判断环境中的湿度水平。
2. 电阻式敏感元件电阻式敏感元件主要是通过测量电阻值的变化来检测物理量的变化。
例如，热敏电阻温度传感器通过测量电阻值随温度的变化来实现温度的测量。
3. 压阻式敏感元件压阻式敏感元件是一种可以通过物体的压力或力的变化来改变电阻值的元件。
例如，应变片传感器通过测量应变片电阻值的变化来检测物体的应力或压力。
4. 光敏敏感元件光敏敏感元件是一种能够对光强变化产生敏感响应的元件。
例如，光敏电阻通过光照强度对电阻值的影响来测量光照强度。
常用的传感器与敏感元件
03 磁敏元件
霍尔元件
01
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏元件，能够检测磁场并输出相应 的电压信号。
02
它通常由半导体材料制成，具有体积小、精度高、线性度好等优点， 广泛应用于磁场测量、电流检测、电机控制等领域。
03
霍尔元件的输出电压与磁场强度成正比，可以通过外部电路进行放大 和调理，以实现精确的测量和控制。
压电式传感器
利用压电材料的压电 效应来检测物理量， 如加速度计。
热电式传感器
利用热电效应来检测 温度，如热敏电阻。
应用领域
工业自动化
用于生产过程中的各种参数检 测和控制。
环境监测
用于气象、水文、环保等领域 的数据采集。
医疗诊断
用于生理参数的监测和诊断。
交通运输
用于车辆、船舶、飞机等的安 全监测和控制系统。
热电偶
总结词
热电偶是一种将温度转换为电势差的传感器。
详细描述
热电偶由两种不同材料的导体组成，当两端存在温差时，会在导体之 间产生电动势，通过测量电动势可以得知温度差的大小。
应用领域
热电偶广泛应用于工业领域中的温度测量和控制，如炉温监测、管道 温度检测等。
优点
热电偶具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点。
从而检测气体浓度。
优点
灵敏度高、响应速度快、稳定性好、寿命 长。
应用
广泛应用于可燃气体、有毒气体、有机蒸 汽等气体的检测。
缺点
对某些气体选择性较差，容易受到温度和 湿度的影响。
固态电解质气敏传感器
应用
主要用于氢气、一氧化碳等气体的检测。
原理
利用固态电解质材料的离子传导特 性，通过气体在电解质中的扩散和 吸附，改变其离子传导率，从而检
敏感元件及传感器用途
敏感元件及传感器用途敏感元件和传感器在现代科技中起着重要的作用，广泛应用于各个领域。
它们能够感知和测量环境中的各种参数和信号，并将其转换为可理解的电信号，从而实现各种自动控制和监测系统的正常运行。
敏感元件是指能够对某一刺激或参数作出敏感反应的元件，其作用是将非电信号转化为电信号。
我将介绍几种常见的敏感元件及其主要应用。
1. 光敏元件（光电二极管、光电三极管）：光敏元件能够将光信号转化为电信号，常用于照明控制、光电传感器、光电开关、摄像头等领域。
2. 压敏元件：压敏元件是一种能够根据外界压力变化产生电信号的敏感元件，主要应用于力学测量、电子称重、压力传感器等领域。
3. 温敏元件（热敏电阻、温敏电容器）：温敏元件的电阻或电容值随温度变化而发生的变化，常用于温度测量、恒温控制、温度补偿等领域。
4. 湿敏元件：湿敏元件根据湿度变化产生电信号，主要应用于湿度监测、湿度控制等领域。
5. 气敏元件：气敏元件是根据气体浓度变化产生电信号的敏感元件，常用于气体浓度监测、空气质量检测等领域。
传感器是一种能够感知和测量某种参数或信号的装置，常用于自动控制和监测系统中。
以下是几种常见的传感器及其主要应用。
1. 加速度传感器：加速度传感器能够感知物体的加速度变化，常用于汽车安全气囊、手机屏幕旋转、运动监测等领域。
2. 压力传感器：压力传感器能够感知和测量物体的压力变化，常用于工业自动化、气压控制、汽车制动系统、石油钻探等领域。
3. 光电传感器：光电传感器能够感知物体的距离、位置、形状和颜色等信息，常用于自动门开关、光电反射器、物体检测等领域。
4. 温度传感器：温度传感器能够感知和测量物体的温度变化，常用于室内恒温控制、电子设备散热监测、医疗仪器等领域。
5. 湿度传感器：湿度传感器能够感知和测量空气中的湿度变化，常用于气象监测、室内湿度控制、农业温室等领域。
以上只是敏感元件和传感器的一部分应用场景，随着科技的不断发展，它们的应用领域还在不断扩大。
传感器材料与典型结构
传感器材料与典型结构一、传感器材料传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料四大类。
半导体传感器材料主要是硅，其次是锗、砷化镓、锑化铟、碲化铅、硫化镉等。
主要用于制造力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器。
陶瓷传感器材料主要有氧化铁、氧化锡、氧化锌、氧化锆、氧化钛、氧化铝、钛酸钡等，用于制造气敏、湿敏、热敏、红外敏、离子敏等传感器。
金属用作传感器的功能材料不如半导体和陶瓷材料广泛，主要用在机械传感器和电磁传感器中，用到的材料有铂、铜、铝、金、银、钴合金等。
有机材料用于传感器还处在开发阶段，主要用于力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器，所用材料有高分子电解质、吸湿树脂、高分子膜、有机半导体聚咪唑、酶膜等。
依据传感器材料的功能特性可制成各种传感器，按工作原理可分为物理传感器和化学传感器两大类，前者利用吸力、热、光、电、磁和声等物理效应，后者则利用化学反应的原理。
由于很多材料既具有物理特性又具有化学特性，因此很难进行严格的分类。
物理传感器应用范围广泛，其中的力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、称重传感器、测位传感器、位移传感器、接近传感器和加速度传感器等是社会生活中常见的传感器。
二、传感器典型结构传感器通常由敏感元件、转换元件及基本转换电路三部分组成。
敏感元件是指能直接感受被测量的部分，它将被测量转换成可供传输的其他量（如光、电等）；转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量（如电压、电流、电阻等）；基本转换电路则将电路参量转换成便于测量的电量，它完成传感器与测量仪表之间的电路连接、信号放大与传输、阻抗匹配等。
图1是传感器的典型结构框图，人们通常只把传感器系统简化为敏感元件和转换元件两部分而忽略基本转换电路。
（一）敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出量的元件。
敏感元件是传感器的核心元件，其性能（如灵敏度、精确度、抗干扰能力、可靠性、稳定性、时间漂移、温度漂移、响应时间等）在很大程度上决定了传感器的性能。
几种典型的传感器敏感材料及器件-光学特性解析
光学性能与传感特性
2、内光电效应
光生伏特效应是指半导体受光照射时产生电动势(或电位差)的现象。 Ge、InAs、PbS、CdS等许多半导体材料都可呈现较明显的光生伏特效 应，利用它们可以制作半导体红外探测器。此外，包括光电池、各种光 敏二极管、三极管等,也都是基于光生伏特效应原理工作的。
硅光电池照片
与固体的电子碰撞并为电子所吸收时，电子便获得了光子的能量，一部
分用于克服金属的束缚，开销于逸出功，剩下的便成了外逸光电子的初
动能了
1 2
mv02
。
光学性能与传感特性
1、外光电效应
利用外光电效应可制成光电倍增管(PMT)，它选用了二次电子发射 率高的锑-铯合金材料作光电阴极，同时又在原阴极与阳极之间安装了一 系列连续式次阴极，形成通道式光电倍增管和微通道板式光电倍增管。 它们是将弱光信号转变成电信号不可缺少的传感器，广泛使用在众多的 高新探测技术中，如各种光谱仪、光子计数仪、表面分析仪等。
光学性能与传感特性
3、光的吸收
I I0 e ACL
其中， C为溶液的浓度， A是只与吸收物质的分子特性 有关，而与浓度无关的常数； 任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。完全没有吸收 的绝对透明介质中是不存在的。光通过介质时，其强度随介质的厚度增 加而减少的现象，称为介质对光的吸收。所谓“透明”是就某些波长范 围来说的，仅有少量的吸收。吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性 质。 （1）一般吸收 介质对各种波长λ的光能几乎均匀吸收，即吸收系数α与波长λ无关 （2）选择吸收 介质对某些波长的光的吸收特别显著。
传感器的分类 及特性以及选择
一、传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
二、传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和"0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
三、传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
四、传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
五、传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
第1章传感器敏感材料
4. 硅蓝宝石：是在蓝宝石衬底上应用 外延生长技术形成的硅薄膜。 衬底是绝缘体，可实现元件之间的分 离，且寄生电容小。 蠕变极小，优于单晶硅；耐辐射能力 强；化学稳定性好，耐腐蚀性强。 具有耐环境性强的优势。
1.2化合物半导体材料
先进的成象传感器材料。如碲镉汞、锑化 铟、砷化镓等。 开发长波段的应用。 无源探测的红外光敏技术，广泛应用。如 红外夜视、火控、跟踪定位、精确制导等
低温淀积的多晶硅膜经 过高温处理后晶粒明 显增大，有利提高压 阻效应。 多晶硅压阻膜具有良好 的温度稳定性，可有 效地抑制温漂，是制 造低温漂传感器的理 想材料。
3. 非晶体硅：在光电器件、传感器中 应用。 与晶体材料相比，非晶体硅具有： （1）在可见光范围内具有高的光吸 收系数。 （2）淀积温度低（200-300º C），可 用多种材料作衬底，感受大面积淀积。
第1章 传感器敏感材料
1.1半导体硅材料
1.2化合物半导体材料
1.5 ZnO薄膜 1.6 铁电聚合物
1.7非晶态磁性合金
1.3石英敏感材料
1.4精密陶瓷材料
1.9
1.8形状记忆合金
复合材料
1.1半导体硅材料
传感器敏感材料有多种,如物理材料、化学材料和 生物材料等。 1. 单晶硅：固态传感器的材料，优点： 优良的机械、物理性质，材质纯，内耗低、功耗小。 机械品质因数高达106数量级，滞后和蠕变极小， 机械稳定性好。 各向异性，具有很好的热导性，应变灵敏系数高。
1.9
复合材料
原子合成法通过控制材料的特性可 以合成理想传感器材料; 晶体合成法:多层结构,材料的混合 在原子级上进行控制,合成的材料 也叫人造晶格或超晶格; 超晶格结构具有全新的材料特性; 超晶格结构可随意控制物理常数, 具有很大的发展前景。
光学传感元件
光学传感元件光学传感元件是一类用于检测和转换光信号的器件，可以将光能转化为电信号、机械位移或其他形式的输出信号。
这些元件在许多领域中被广泛应用，包括光学通信、生物医学、环境监测和工业控制等。
以下是几种常见的光学传感元件：➢光电二极管（Photodiode）：光电二极管是最常见的光学传感器之一，用于将光能转化为电流或电压信号。
当光照射到光电二极管上时，光子会引起半导体材料内部的电子跃迁，产生电流。
➢光敏电阻（Photoresistor）：光敏电阻是一种根据光强度变化而改变电阻值的元件。
它的电阻随着光的强度而变化，从而实现对光信号的检测和测量。
➢光纤传感器（Fiber Optic Sensor）：光纤传感器利用光纤作为传感元件，通过测量光信号的变化来检测和测量各种物理量。
光纤传感器具有高灵敏度、抗干扰性强和远距离传输等优点。
➢光栅（Grating）：光栅是一种具有周期性结构的元件，可用于分光、波长选择、光谱分析和激光调谐等应用。
通过光栅的衍射效应，可以实现对光信号的频率或波长选择性响应。
➢激光二极管（Laser Diode）：激光二极管是一种将电能转化为激光光束输出的元件，常用于激光测距、光通信和激光雷达等领域。
➢光学编码器（Optical Encoder）：光学编码器使用光栅和光敏元件，将机械运动转换为光信号，并通过解码来获取位置和速度信息。
它广泛应用于机器人、数控系统和航空航天等领域。
这只是一小部分常见的光学传感元件，还有其他许多类型的光学传感器和器件，每种都在特定的应用中发挥不同的作用。
这些光学传感元件在不同的工程和科学领域中起到关键的作用，推动了光学技术和应用的发展。
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空气状况好的晴天时，天空是蓝色的原因。
如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这 种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样被散射。如空气 中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使 天空呈灰白色的。
光学性能与传感特性
5、材料的透射性
材料的透光性用光透过率来表征。所谓光透过率是指，光线通过 材料后剩余的光能占原来入射时能量的百分比。光的能量可以用光照 x 射强度来表示，也有采用放在一定距离外的光电管转换得到的电流强 度来表示。 在光路上分别测出插入厚度为L的材料前、后的光变电流强度I0和I。 由于光既在材料的两个表面发生折射，又在材料内有吸收损失和散 射损失，故有光透过率为：
2
光学性能与传感特性
1、外Байду номын сангаас电效应
利用外光电效应可制成光电倍增管(PMT)，它选用了二次电子发射 率高的锑-铯合金材料作光电阴极，同时又在原阴极与阳极之间安装了一 系列连续式次阴极，形成通道式光电倍增管和微通道板式光电倍增管。 它们是将弱光信号转变成电信号不可缺少的传感器，广泛使用在众多的 高新探测技术中，如各种光谱仪、光子计数仪、表面分析仪等。
光学性能与传感特性
1、外光电效应
光具有波粒二象性，外光电效应是光的粒子(光子)性的表现。 一束频率为 的光是一束单个粒子能量为h 的光子流，有如下爱因 斯坦方程：
h 1 2 mv0 2
h 为普朗克常数；m为光电子质量； 0为光电子的初速度； 为金属的逸出功。
上述理论可以作如下解释：光子是一个个能量为h 的小能包，当它 与固体的电子碰撞并为电子所吸收时，电子便获得了光子的能量，一部 分用于克服金属的束缚，开销于逸出功，剩下的便成了外逸光电子的初 1 2 动能了 m v0 。
图36 钠蒸气的吸收光谱
光学性能与传感特性
4、光的色散与散射
材料的折射率随入射光的频率(或波长)而变化的现象，称为色散。
n c
材料
光在材料中传播时，遇到不均匀结构产生的次级波与主波方向 不一致，会与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向的现象， 称为散射。诸如材料中小颗粒的透明介质、光性能不同的晶界、气 孔等因素，都会引起一部分光束被散射，从而减弱光束强度。 对于相分布均匀的材料，光减弱的散射规律与吸收规律具有相 同的形式，即： I I0e sL （s为散射系数）
光学性能与传感特性
1、光的反射
I
i
根据光的反射定律。由于粗
θ
糙表面上各点的法线方向不同，
镜面反射 漫反射
图31镜面反射和漫反射情况
光线反射后，沿不同的方向射出，
形成漫反射。大多数物体表面是
粗糙的，由于漫反射的作用，我 们能从各个方向看到它。
光学性能与传感特性
2、光的折射
利用光学折射现象，可以实现液体浓度、成分含量的测量、 气体或者液体折射率的测量。
光学性能与传感特性
4、光的色散与散射
太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都 要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是 改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经 过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。 如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的 波长愈短，被散射愈厉害。
Contents
1 2 力学性能与传感特性 光学性能与传感特性 热学性能与传感特性 电学性能与传感特性 磁学性能与传感特性
3
4 5
6
声学性能与传感特性
光学性能与传感特性
一、材料的光学性能
光学传感技术由于其灵敏度高、抗电磁干扰、测量速度快等诸 多优点而成为当今一种先进的感测技术。 光学传感技术一般基于光学反射、折 射、透射、吸收、散射以及利用各种物理 效应和敏感材料，可实现绝大多数物理量、 化学量的检测问题。 人类眼睛可以看见的光称为可见光， 其光的波长的范围约为0.40.8m，仅占 电磁波谱（10-5105 m）中的一小部分， 如图2-20所示。
I (1 R) 2 e ( s ) L （R为材料的反射系数） I0
光学性能与传感特性
二、光学传感特性
一些物质受到光照射后，引起其本身电性发生变化，这种光致 电变的现象称为光电效应。光电效应是光子与电子相互作用的结果， 两者之间作用后各有所变。对于光子，它或被吸收或改变频率和方 向；对于电子，必发生能量和状态的变化，从束缚于局域的状态转 变到比较自由的状态，因而导致物质电性的变化。
光学性能与传感特性
3、光的吸收
I I 0 e ACL
其中， C为溶液的浓度， A是只与吸收物质的分子特性 有关，而与浓度无关的常数； 任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。完全没有吸收 的绝对透明介质中是不存在的。光通过介质时，其强度随介质的厚度增 加而减少的现象，称为介质对光的吸收。所谓“透明”是就某些波长范 围来说的，仅有少量的吸收。吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性 质。 （1）一般吸收 介质对各种波长λ的光能几乎均匀吸收，即吸收系数α与波长λ无关 （2）选择吸收 介质对某些波长的光的吸收特别显著。
光学性能与传感特性
2、内光电效应
物体受到光线照射后无电子发射，但其电导率发生变化或产生电动 势，称为内光电效应。内光电效应包括光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应是指，半导体受光辐射时，电导率增加而使材料变得易 于导电。该效应的机理是利用光子能量来产生自由载流子。利用光电导 效应，可以制作各种光探测器，如光敏电阻、红外光电导探测器、光电 导摄像管、高速光导开关、静电复印机的有机光电导体等。
图2-20 电磁波谱
光学性能与传感特性
0、关于光速
光在真空中的速度c≈300000km/s。当光从真空进入较致密的介质 材料时，其传播速度会降低。光在真空中的速度c与在介质材料 中的速度 材料之比，称为该介质材料的折射率，记作 n ，
n c
材料
材料的折射与其结构有关。对于各向同性的均质材料，只有一个 折射率。当光通过材料时，光速不因传播方向改变而变化。当光通过 某些晶体材料时，一般会分成振动方向相互垂直、传播速度不同的两 条折射光线，即为双折射现象。这两条折射光线中，平行于入射面光 线的折射率称为常光折射率 n0 ，不随入射角大小的变化而变化，始终 为常数。另一条与之垂直的光线的折射率不遵守折射定律，随着入射 角大小而发生变化，称为非常光折射率 ne 。
光学性能与传感特性
2、内光电效应
光生伏特效应是指半导体受光照射时产生电动势(或电位差)的现象。 Ge、InAs、PbS、CdS等许多半导体材料都可呈现较明显的光生伏特效 应，利用它们可以制作半导体红外探测器。此外，包括光电池、各种光 敏二极管、三极管等,也都是基于光生伏特效应原理工作的。
硅光电池照片
光学性能与传感特性
3、光的吸收
一切介质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。 选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。一些物体的颜色，是由 于某些波长的光透入其内一定距离后被吸收掉而引起的。例如：水 能透入红光，并逐渐吸收掉，因而水面没有对红光的反射，只反射 蓝绿光，并让蓝绿光透过相当的深度，所以水呈现蓝绿色。
光学性能与传感特性
1、外光电效应
外光电效应是指固体受到光线照射后从 其表面逸出电子的现象。逸出的电子称为光 电子。1887年，赫兹和霍尔瓦克斯等人发现 了这一现象。这个效应可用图2-25所示的装 置来观察。把两个金属电极安装在抽成真空 的玻璃泡中，在两极间接入直流电源和灵敏 检流计。当无光照射时，泡内阴极K与阳极 A之间的空间无载流子，故检流计G中无电 流；当有光照射阴极K时，由于有光电子从 阴极逸出，在电压作用下，漂向阳极，于是 G中便有电流。