第1章传感器敏感材料
传感器技术第3版课后部分习题解答
光勇 0909111621 物联网1102班《传感器技术》作业第一章习题一1-1衡量传感器静态特性的主要指标。
说明含义。
1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。
2、回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。
3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。
各条特性曲线越靠近，重复性越好。
4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
5、分辨力——传感器在规定测量围所能检测出的被测输入量的最小变化量。
6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。
7、稳定性——即传感器在相当长时间仍保持其性能的能力。
8、漂移——在一定时间间隔，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。
9、静态误差（精度）——传感器在满量程任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。
1-2计算传感器线性度的方法，差别。
1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。
2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。
3、“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。
这种方法的拟合精度最高。
4、最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
1—4 传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。
传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。
《传感器原理及工程应用》课后答案
第1章传感器概述1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语： 1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。
第1章传感器答案：3．答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
4．答：①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。
②传感器：能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。
③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。
④变送器：能输出标准信号的传感器第2章传感器特性1．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？2．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。
当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。
3．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比，相角各为多少？ε=0.7时，，又为多少？4．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。
5. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。
6. 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。
7．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。
8．某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。
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。
传感器概述
第一章传感器概述1．1 传感器的组成与分类1．1．1 传感器的定义✧传感器是能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。
敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。
✧传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。
1．1．2 传感器的组成✧一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。
但由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。
因此调节信号与转换电路及所需电源都应作为传感器组成的一部分。
如图1-1所示。
传感器组成方块图✧常见的调节信号与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的传感器相配合。
1．1．3 传感器的分类✧表1-1 按输入量分类、按工作原理分类、按物理现象分类、按能量关系分类和按输出信号分类。
1．2 传感器在科技发展中的重要性1．2．1 传感器的作用与地位将计算机比喻人的大脑，传感器比喻为人的感觉器官。
功能正常完美的感觉器官，迅速准确地采集与转换获得的外界信息，使大脑发挥应有的作用。
自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。
1．2．2 传感器技术是信息技术的基础与支柱现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。
传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将影响整个系统的工作状态和质量。
1．2．3 科学技术的发展与传感器有密切关系传感器的重要性还体现在已经广泛应用于各个学科领域。
如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域。
1．3 传感器技术的发展动向✧传感器技术共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。
✧传感器技术的主要发展方向一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。
敏感材料与传感器
敏感材料与传感器敏感材料与传感器在现代科技领域中扮演着至关重要的角色。
敏感材料是一种能够对外界环境变化做出敏感反应的材料，而传感器则是通过对敏感材料的利用，将外界的信息转换为可感知的电信号或其他形式的信号输出，从而实现对外界环境的监测和控制。
本文将探讨敏感材料与传感器在各个领域中的应用，以及它们的发展趋势。
首先，敏感材料与传感器在医疗领域中发挥着重要作用。
例如，生物传感器利用生物敏感材料对生物分子的特异性识别，可以实现对体内生理指标的实时监测，为医生提供了重要的诊断依据。
另外，医用敏感材料的应用也在医疗器械制造和药物传递系统中发挥着重要作用，如可溶性缓释材料和生物可降解材料等，为医疗器械的研发和生产提供了新的可能性。
其次，在环境监测领域，敏感材料与传感器也扮演着不可或缺的角色。
例如，针对大气污染物的监测，利用敏感材料和传感器可以实现对空气中有害气体浓度的实时监测，为环境保护部门提供了重要的数据支持。
此外，水质传感器也可以利用敏感材料对水中各种有害物质进行监测，为水质治理提供了技术支持。
在工业生产领域，敏感材料与传感器也发挥着不可替代的作用。
例如，在智能制造领域，利用敏感材料和传感器可以实现对生产过程的实时监测和控制，提高生产效率和产品质量。
另外，在材料研发和测试领域，敏感材料和传感器也可以实现对材料性能的精确测试和数据采集，为新材料的研发提供了技术支持。
最后，敏感材料与传感器的发展趋势主要体现在以下几个方面。
一是多功能化和智能化，即敏感材料和传感器不仅能够实现单一参数的监测，还可以实现多参数的综合监测，并且具有自适应和自修复的功能。
二是微型化和集成化，即敏感材料和传感器的体积和功耗将进一步减小，可以实现对微小环境的监测和控制。
三是网络化和互联化，即敏感材料和传感器可以实现远程监测和控制，为智能城市和智能制造提供技术支持。
综上所述，敏感材料与传感器在各个领域中发挥着重要作用，并且具有广阔的发展前景。
传感器与检测技术ppt课件第一章
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1.2检测技术理论基础
1.2.2 测量方法
1) 直接测量、间接测量和组合测量 (又称联立 测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后
结果，则称这样的测量为组合测量。
2) 偏差式测量、零位式测量与微差式测量
3) 等精度测量与非等精度测量
4) 静态测量与动态测量
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1.1.3 传感器基本特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其 输入输出关系特性称为静态特性。
传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性 ，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测 量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所 示。
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1.1.3 传感器基本特性
2．传感器的分类
（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、 电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及 热电式传感器等。
（2）按照其被测量对象，传感器可分为力、位移、速度、 加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温 度和光等。
（3）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型 传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的 变化来实现信号变换，如：水银温度计。结构型传感器是依 靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。
敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号 的元件。
测量电路(measuring circuit)： 将转换
元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如 放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特 性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功 能。
传感器与检测技术基础
转换元件 它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。 转换电路 它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。
传感器的分类 传感器技术是一门知识密集型技术。
1.2 测量误差与准确度
3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。 (2)参加中间运算的有效数字的处理 1)加法运算：运算结果的有效数字位数应与参与运算的各数中小数点后面的有效位数相同。 2)乘除运算：运算结果的有效数字位数，应与参与运算的各数中有效位数最小的相同。 3)乘方及开方运算：运算结果的有效数字位数比原数据多保留一位。 4)对数运算：取对数前后有效数字位数应相同。 2.测量数据的处理 常用的数据处理方法有列表法、图示法、最小二乘法线性拟合。
列表法 列表法是把被测量的数据列成表格，可以简明地表示有关物理量之间的对应关系，便于随时检查测量结果是否合理，及时发现和分析问题。
01
图示法 图示法是用图形或曲线表示物理量之间的关系，它能更直观地表示物理量之间的变化规律，如递增或递减。
02
最小二乘法线性拟合 图示法虽然能很直观方便地将测量中的各种物理量之间的关系、变化规律用图像表示出来，但是，在图像的绘制上往往会引起一些附加的误差。
1.1 传感器简述
1.1 传感器简述
1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。 2)延滞时间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。 3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。 4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。 5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。 (2)频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。
第一章传感器技术基础知识
时间常数：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小， 频带越宽。
固有频率：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。
传感器的选用原则
与测量条件有关的因素 (1)测量的目的 (2)被测试量的选择 (3)测量范围 (4)输入信号的幅值，频带宽度 (5)精度要求 (6)测量所需要的时间
相应的响应曲线 ：
传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开 始，按指数规律上升，最终达到稳态值。 理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上 当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。 τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线， 因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。
测量
测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或 设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，
并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测
量的定量信息。
xnu或
x——被测量值；
n x u
u——标准量，即测量单位；
n——比值，含有测量误差。
测量过程
传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起 测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得 被测量量值的过程。
线性传感器
S y x
灵敏度是它的静态特性的斜率，即S为常数。
非线性传感器
它的灵敏度S为一变量，用下式表示。
S dy dx
传感器的灵敏度如图1-3所示。
Y
Y
S y - y0
Yo
x
X O
a）线形传感器
Байду номын сангаас
Y dy
dx S dy dx X
敏感材料
敏感材料所谓敏感材料，是指能将各种物理的或化学的非电参量转换成电参量的功能材料。
这类材料的共同特点是电阻率随温度、电压、湿度以及周围气体环境等的变化而变化。
用敏感材料制成的传感器具有信息感受、交换和传递的功能，可分别用于热敏、气敏、湿敏、压敏、声敏以及色敏等不同领域。
敏感材料是当前最活跃的无机功能材料，各种传感器的开发应用具有重要意义，对遥感技术、自动控制技术、化工检测、防爆、防火、防毒、防止缺氧以及家庭生活现代化等都有直接的关系。
热敏材料的分类与应用所谓热敏材料,是材料的某些性能岁温度的变化而变化的功能材料.目前可以分为两大类:热敏电阻材料和热释电材料. 1. 热敏电阻材料热敏电阻材料是指材料的电阻值随温度的变化而变化，又可分为三种情况：（1）材料所具有的电阻值随温度的上升而增大的特性*即具有正温度系数，称为PTC热敏电阻。
典型的PTC热敏甜料系列有BaTiO3、以BaTiO3为基的BaTiO3-SrTiO3-PbTiO3固溶体、以氧化钡和氧化溴为基的多元材料等。
其中以BaTiO3材料最具代表性，它是当前研究得最成熟，实用范围员广的PTC热敏材料。
PTC热敏材料的特殊性能在于通过组成变化，即借助能够改变居里温度的添加剂的多少，可使其居里温度大幅度移动，从而也就扩大了它的使用场合。
如纯BTiO3的常温电阻12 率为10Ω·cm，若在其中加入微量的稀土元素，其常温电阻率可下 -2 4 降到I0一10Ω·cm。
若温度超过材料的居里温度，则电阻率在几十度的温度范围内能增大3—10个数量级，即产生PTC效应。
PTC材料具有以下三种主要特性，利用其不同的持性可以有不同的用途。
① 电阻-温度特性当温度达到举例温度T时，材料电阻岁温度增b加而急剧增加，见图6-1利用这一特性可进行温度控制，过热保护，温度传感，温度补偿和恒温检测以及做马达启动器及高温啊热体等② 电流-时间特性指当PTC元件两端加上额定共走电压时，流过元件的电流I与时间t的关系。
第1节 认识传感器 第2节 常见传感器的工作原理及应用
第1节认识传感器第2节常见传感器的工作原理及应用学习目标要求核心素养和关键能力1.知道传感器的概念和工作原理。
2.知道光敏电阻、热敏电阻的特性和应用。
3.了解霍尔元件的原理。
4.会分析传感器在生产生活中的应用。
1.科学思维通过对传感器工作原理的理解，体会将非电学量转化为电学量的方法。
2.关键能力科学探究能力。
一、认识传感器1．传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。
通常是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。
2．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
3．传感器的组成：传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。
4．传感器应用的一般模式【判一判】(1)传感器可以把非电学量转换为电学量。
(√)(2)传感器可以把力学量(如形变量)转变成电学量。
(√)(3)传感器可以把热学量转变成电学量。
(√)(4)传感器可以把光学量转变成电学量。
(√)二、光敏电阻1．特点：光照越强，电阻越小。
2．原理：无光照时，载流子少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
三、金属热电阻和热敏电阻1．热敏电阻：用半导体材料制成。
可分为正温度系数的热敏电阻和负温度系数的热敏电阻。
(1)正温度系数的热敏电阻随温度升高电阻增大。
(2)负温度系数的热敏电阻(如氧化锰热敏电阻)随温度升高电阻减小。
2．金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。
【判一判】(1)光敏电阻的阻值随光线的强弱变化，光照越强电阻越小。
(√)(2)热敏电阻在温度升高时阻值变小。
(×)(3)金属热电阻在温度升高时阻值变小。
(×)(4)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但灵敏度低。
气体传感器中的敏感材料的研究与应用
气体传感器中的敏感材料的研究与应用概述：气体传感器是一种能够检测气体浓度并输出相应信号的装置，广泛应用于环境监测、工业生产以及个人健康等领域。
而气体传感器的敏感材料则是其中的核心部分，负责对特定气体作出敏感响应。
敏感材料的研究与应用在气体传感器的发展中起着至关重要的作用。
第一部分：敏感材料的选择与特性在气体传感器中，敏感材料的选择是关键的一步。
不同的气体具有特定的性质和分子结构，因此需要选择合适的敏感材料来实现对目标气体的敏感响应。
常用的敏感材料有金属氧化物、半导体、有机材料等。
金属氧化物敏感材料具有高度的选择性和灵敏度，可以检测多种气体。
例如，二氧化锡被广泛应用于一氧化碳传感器中，而二氧化钛则常用于臭氧传感器。
这些材料在特定工作条件下，可以通过氧化还原反应与目标气体发生反应，从而改变电学性质，实现气体浓度的检测。
半导体敏感材料则常用于可燃气体的检测。
这类敏感材料的电阻随着目标气体的浓度变化而变化，通过测量电阻的变化可以获得气体的浓度信息。
例如，二氧化硅和三氧化二锑等材料在可燃气体存在下，会发生表面吸附反应，进而改变电子的输运性质，从而实现对可燃气体的检测。
有机材料作为敏感材料的优点在于其易于合成和制备，且具有较高的灵敏度和选择性。
例如，聚合物和有机薄膜在气体传感器中得到广泛应用。
这些材料可以通过吸附和扩散等方式，实现对特定气体的检测。
同时，有机材料还具有较快的响应速度和较低的功耗，适用于便携式传感器等小型设备。
第二部分：敏感材料的改性和优化为了提高气体传感器的性能和稳定性，研究人员常常对敏感材料进行改性和优化。
一方面，利用纳米技术等手段可以调控敏感材料的形貌和结构，从而提高其特异性和灵敏度。
例如，纳米结构的金属氧化物材料具有较大的比表面积和较短的扩散路径，能够实现更高的气敏响应。
另一方面，通过合成新型材料和掺杂技术等手段可以改进敏感材料的性能。
例如，掺杂金属或非金属元素可以调控敏感材料的电学和光学性质，提高其响应速度和选择性。
敏感材料与传感器
敏感材料与传感器敏感材料与传感器在现代科技应用中扮演着至关重要的角色。
敏感材料是一类能够对外界环境变化做出灵敏反应的材料，而传感器则是一种能够将这些环境变化转化为可感知的信号输出的装置。
敏感材料与传感器的结合，不仅可以实现对各种物理量、化学量甚至生物量的测量，还可以应用于智能控制、环境监测、医疗诊断等领域。
本文将就敏感材料与传感器的相关知识进行探讨，以期对读者有所启发。
首先，敏感材料的种类繁多，包括了热敏材料、光敏材料、压敏材料、湿敏材料等。
这些材料都具有对外界环境变化敏感的特点，比如热敏材料对温度变化敏感，光敏材料对光照变化敏感，压敏材料对压力变化敏感，湿敏材料对湿度变化敏感。
这些敏感材料能够将外界的物理量、化学量或生物量转化为电信号或其他形式的信号输出，为传感器的工作提供了基础。
其次，传感器作为能够将环境变化转化为可感知信号输出的装置，其种类也非常丰富。
常见的传感器包括温度传感器、光敏传感器、压力传感器、湿度传感器等。
这些传感器能够将敏感材料感知到的环境变化转化为电信号、光信号或其他形式的信号输出，从而为人们提供了便利的环境监测、医疗诊断、工业控制等服务。
最后，敏感材料与传感器的结合应用非常广泛。
在工业领域，敏感材料与传感器常常被用于生产过程中的温度、压力、湿度等参数的监测与控制；在医疗领域，敏感材料与传感器可以用于医疗诊断、健康监测等方面；在环境监测领域，敏感材料与传感器可以用于大气污染监测、水质监测等。
可以说，敏感材料与传感器的结合已经深入到了人们的生活和工作中，为人们提供了便利和保障。
综上所述，敏感材料与传感器在现代科技应用中具有重要的地位，其种类繁多、应用广泛。
敏感材料能够对外界环境变化做出灵敏反应，而传感器能够将这些环境变化转化为可感知的信号输出。
敏感材料与传感器的结合已经深入到了人们的生活和工作中，为人们提供了便利和保障。
希望本文对读者有所启发，也希望敏感材料与传感器在未来能够有更广泛的应用。
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。
第1章-传感器的特性
j=1, 2, …, m;
n ——
yji的含义是,若输入值x=xj,则在相同条件下进行n次 重复试验,获得n个输出值yj1～yjn
i —— y j ——算术平均值。
或
S Wn dn
(1.9)
第1章
式中： Wn——极差,是指某一测量点校准数据的最大
dn——极差系数。 极差系数可根据所用数据的数目n由表1.4查得。理 论与实践证明,n不能太大,如n大于12,则计算精度变差, 这时要修正dn 。
第1章 表1.4
第1章
3.
迟滞表明传感器在正（输入量增大）、反（输入
量减小）行程期间,输出-输入曲线不重合的程度。也就 是说,对应于同一大小的输入信号,传感器正、反行程的 输出信号大小不相等。迟滞是传感器的一个性能指标, 它反映了传感器的机械部分和结构材料方面不可避免
的弱点,如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当,元件磨蚀、
Δi=yi-(b+kxi)
第1章
n
按 最 小 二 乘 法 原 理 , 应 使 i2 最 小 。 故
n
n
i 1
由 i2 [ yi (kxi b)]2 min ,分别对k和b求一阶
偏导i数1 并令i其1 等于零，即可求得k和b：
n
k
n
xi yi xi2 (
xi xi )2
n b
设ai≥0, a0≥0。
1) 这种情况见图1.2(a)。此时
a0=a2=a3=…=an=0 于是
y=a1x
(1.2)
因为直线上任何点的斜率都相等,所以传感器的灵
敏度为
a1= y =k=常数（1.3 x
第1章
2) 输出这种情况见图1.2（b）。此时,在原点附近相当范 围内曲线基本成线性,式（1.1）只存在奇次项：
传感器与检测技术基础
主 学 编：赵锋 袁桂玲 时：52
哈尔滨工程大学出版社
目录
第1章
Biblioteka 传感器与检测技术基础 第2章 测量技术基础知识 第3章电阻应变式传感器 第4章 电感式传感器 第5章 电容式传感器 第6章 磁敏传感器 第7章 压电式传感器 第8章 热电式传感器 第9章 光电式传感器 第10章 数字式传感器
1.1 传感器概述
1.1.2传感器的组成
被测量
传感 器件
转换 器件
信号调节 （转换） 电路
电量
电源电路
1.1 传感器概述
1.敏感元件：（预变换器）将被测量（非电量）预先变换为另 一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量 2.转换元件：将感受到的非电量转换为电量的器件 例如将压力转变为电感电容或电阻 3.信号调节（转换）电路：将转换元件输出的电量变成 易于显示记录控制和处理的有用信号的电路 例如电桥 放大器 振荡器等 4. 电源电路：作用是提供能源 注意有的传感器需要外部供电,有的传感器则不需要外部 电源供电
1.1 传感器概述
分类法 型式 物理型 化学型 生物型 结构型 物性型 能量转换型 能量控制型 电阻式 电容式 电感式 压电式 磁电式 热电式 光电式 光纤式 长度、角度、振动、位 移、压力、温度、流量 、距离、速度等 模拟式 数字式 说 明 采用物理效应进行转换 采用化学效应进行转换 采用生物效应进行转换 以转换元件结构参数变化实现信号转换 以转换元件物理特性变化实现信号转换 传感器输出量直接由被测量能量转换而来 传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制 利用电阻参数变化实现信号转换 利用电容参数变化实现信号转换 利用电感参数变化实现信号转换 利用压电效应实现信号转换 利用电磁感应原理实现信号转换 利用热电效应实现信号转换 利用光电效应实现信号转换 利用光纤特性参数变化实现信号转换 以被测量命名（即按用途分类） 输出量为模拟信号（电压、电流、……） 输出量为数字信号（脉冲、编码、……） 按基本效应分类 按构成原理分类 按能量关系分类
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硅材料的质量轻,密度为不锈钢的1/3,而弯 曲强度为不锈钢得3.5倍,具有高强度比和 高密度比; 热导性为不锈钢底倍,而热膨胀系数不到 不锈钢的1/7; 制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼 容性 可实现微型化、低功耗，有利于传感器 的一致性、可靠性和快响应。
2. 多晶硅：是许多单晶的聚合物。晶 粒的排列是无序的，不同的晶粒有不 同的单晶取向，而每一晶粒内部具有 单晶的特征。 晶粒与晶粒之间的部位称为晶界，其 对压阻效应的影响可通过控制掺杂浓 度来降低。晶粒越大，压阻效应越大。
1.7 非晶态磁性合金
结构为长程无序，短程有序； 在旋转磁场中的各个方向的相对磁导率较高； 电阻率高，在交变磁场作用下，涡流损耗小，响 应快，高频特性好； 磁致伸缩效应大； 机械强度高，高达2000-3500MPa。 根据传感器的具体特性要求确定这类材料的组分 和形状。
1.8形状记忆合金 新的传感器材料，具有热弹性和超弹性； 过程：把某种记忆合金在高温下定形后， 若冷却到低温产生形变，只要温度稍微升 高就可以使形变迅速消失，并回到高温下 所具有的形状。 代表性材料有：NiTi ,CuZnAl,CuAlNi制其 中的组分比，经过精密的成型烧结， 可制成适合传感器需要的多种精密 陶瓷材料----功能陶瓷材料。 特点：耐热性，耐腐蚀性，多孔性， 光电性，压电性等独特的性能。 新开发陶瓷温度、气体、温度、光 电、离子、加速度、陀螺等传感器。
1.5 ZnO薄膜
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。
作为压电体、光导体、光波导和半导 体的多用途材料； 六角晶结构，各向异性体，具有大的 压电常数，大的声光、电光和非线性 光学系数。 淀积ZnO膜技术最广泛的方法是磁控 溅射方法，可获得压电性能、光学性 能优良，表面平坦而透明的致密薄膜 层。
1.6 铁电聚合物
是指含有铁电晶体组 织的特殊高分子聚合 物，如聚氯乙烯、聚 偏二佛乙烯（PVF2)。 PVF2优良，具有压电、 热释电特性。 应用在电-声和机-电传 感器，如声频、超声 波等。
（3）材料性能稳定，具有较高的机械强度。 （4）具有高的塞贝克系数 （5）纯非晶硅没有压阻效应，利用微晶相 与非晶相混合可产生压阻效应，灵敏系数高。 （6）非晶硅的弹性模量和多晶硅一样，取 决于制备和热处理，一般为（150—170） ×103MPa。 可制成多种传感器，如光传感器，成象传感 器，高灵敏度温度传感器，微波功率传感器， 触觉传感器等。
1.3石英敏感材料
1. 石英晶体：晶态 SIO2, 形状为六角锥体， 构成Ｚ轴（光轴）， Ｘ轴（电轴），Ｙ轴 （机械轴）。
特点：各向异性，具有压电特性；绝 缘体；和单晶硅一样，具有优良的机 械物理性质。 工作温度为２００℃－２５０℃
2. 石英玻璃：非晶态SIO2，物理特 性与方向无关。 机械物理性能和化学性能极优。 在７００ ℃－８００ ℃以前，弹 性模量随温度的增高而增大，以后 随温度的升高而下降。 最高使用温度为1100 ℃。 适宜制造高精度传感器。
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。
思考题
1、为什么大部分传感器都趋向于用 硅材料制造？ 2、石英晶体与石英玻璃的异同点？
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。