4 第四章 信息传感材料与器件
信息材料
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❖ 令霍尔元件的工作电流保持不变，使其在一个均 匀梯度磁场中移动
——它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位 移量Z来决定。
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霍尔速度传感器
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2）磁敏二极管
➢ 高纯本征半导体Ge两端形成P型区和N型区 ➢ 中间本征区的一个侧面磨成光滑的复合表面（I
有电流通过
➢ 但是当外加电压超过这个临界电压时，电阻将急 剧变小，并且有电流通过
➢ 随着电压的少量增加，电流增加会很快
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——一般被制成压敏电阻使用。
❖ 应用领域：大量应用于电气设备的过流（过压） 保护电路以及避雷器等
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二、信息存储材料
❖ 信息存储材料是指用来制作各种信息存储器的一 些能够记录和存储信息的材料
信息材料
Information Materials
人体与信息技术
❖ 信息技术是收集、存储、处理、传递和显示各种 信息的技术：
➢ 收集信息：眼、耳、鼻、舌、皮肤——感测技术 ➢ 传送信息：神经系统——通信技术 ➢ 存储和处理信息：大脑——信息处理、存储技术 ➢ 显示信息：肌肉、四肢根据大脑指令对感知信息
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酒精传感器
二氧化碳传感器 烟雾报警器
❖ 气敏材料用于制作气敏传感器
——气敏氧化物半导体材料一般都具有多孔结构。 ——气体比较容易深入到材料内部，使其体电阻发
生明显改变。
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6. 湿敏材料
❖ 湿敏材料是指电阻值随环境湿度增加而显著增大 或降低的一些材料
➢ 陶瓷湿敏材料主要有MgCr2O3系、ZnCr2O3系和 MnWO4、NiWO4等
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垂直记录硬盘工作原理
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。
传感器考试知识点总括
传感器知识要点要点回顾第二章常用传感器基本概念：1--有关传感器的定义、基本组成涵盖框图；2--传感器的基本特性（灵敏度、线性度、重复性、精确度、稳定性、动态特性、环境参数）3--传感器的分类方法和种类，何谓能量控制型传感器（电阻、电容、电感）也称无源型传感器、何谓能量转换型传感器（压电、磁电、热电、光电）也称有源传感器。
4—电阻型传感器要求掌握公式，见书第6页，三个相关参数，对于电阻应变式：电阻应变片的电阻相对变化率是与应变成正比的。
掌握应变选择原则：当测量较小应变时，应选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，应选用应变效应工作的应变片。
5---对于金属丝应变片在测量被测物体的应变时，电阻的相对变化主要由哪个参数决定的（丝的几何尺寸）来决定的。
6—对于电容式传感器，请掌握其测量原理，相关公式，对应的三个参数的含义，要求掌握变极距有关灵敏度的计算公式：见书第14页2.27，其灵敏度显然是非线性的，其使用时有条件的。
7—对于电感式传感器要掌握测量原理，计算公式，掌握自感式、互感式、差动式结构的特点，请注意实际工程应用的接法。
见书第21页。
图2.23b.反向串联。
掌握电涡流基本原理。
利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时可否进行位移测量，如果不能，应采取什么措施才能测量。
8--- 有关压电传感器，要掌握压电效应，何谓正压电效应，何谓逆压电效应，压电效应的等效电路，压电传感器对测量电路的要求，见书第26-27。
压电式传感器可以采用多片压电晶片串联或并联，一般并联接法适宜于测量缓变信号，串联接法适宜于测量高频信号。
为了使输出电压几乎不受电缆长度变化的影响，其前置放大器应采用电荷放大器。
为什么说压电式传感器一般适合动态测量而不适合静态测量?9---对于磁电式传感器，要求掌握测量原理，基本公式，请看书第28页，恒磁通动圈式传感器，输出感应电势与线圈运动的速度成正比，如在测量电路中接入积分电路和微分电路，则可用来测量位移和加速度。
光电传感器材料及器件的研发与应用
光电传感器材料及器件的研发与应用第一章：光电传感器材料的研发光电传感器作为一种重要的电子元件，广泛应用于各个行业领域。
而光电传感器的性能主要依赖于所采用的材料和器件。
本章将重点探讨光电传感器材料的研发。
1.1 光电传感器材料的分类根据光电传感器的工作原理和特性，光电传感器材料可以分为半导体材料、光敏材料和光学材料三大类。
1.1.1 半导体材料半导体材料是光电传感器中最常见的材料，主要包括硅、锗、砷化镓等。
半导体材料具有导电性能优良、能带结构可调控等特点，适用于不同波段的光电传感器。
1.1.2 光敏材料光敏材料是一类特殊的材料，可以通过光的照射而改变其电学、磁学或光学性质。
光敏材料广泛应用于光电传感器中，主要包括硒化铟、硫化铅等。
1.1.3 光学材料光学材料主要指在光学领域中应用的材料，包括透明材料、折射率可调材料等。
光学材料常用于制作光学透镜、光纤等。
1.2 光电传感器材料的性能要求光电传感器作为一种用于检测光信号的器件，其材料需要具备一系列特殊的性能要求。
1.2.1 光电性能光电传感器材料需要有较高的吸收率和光电转换效率，能够将光信号转化为电信号。
1.2.2 压电性能一些特殊的光电传感器如压电光电传感器，需要材料具备压电性能，能够通过压力的作用产生电信号。
1.2.3 线性响应光电传感器材料的输出电信号应该具有良好的线性响应特性，以便于准确测量光信号。
1.2.4 稳定性光电传感器材料需要具备较高的稳定性，能够在长期使用过程中保持良好的性能，不易受到环境变化的影响。
第二章：光电传感器器件的研发光电传感器器件作为光电传感器的核心组成部分，直接决定了光电传感器的性能。
本章将重点探讨光电传感器器件的研发。
2.1 光电传感器器件的分类根据光电传感器的工作原理和应用领域，光电传感器器件可以分为光电二极管、光敏电阻、光电晶体管、光电三极管等多种类型。
2.2 光电传感器器件的制备技术光电传感器器件的制备技术主要包括半导体工艺、薄膜技术、光刻技术等。
光电信息材料与器件专业
光电信息材料与器件专业光电信息材料与器件专业是一门涉及光电材料和光电器件的学科，主要研究光电材料的性能和应用以及光电器件的设计、制备和应用。
本文将从光电信息材料和光电器件两个方面进行介绍和探讨。
光电信息材料是指具有特殊光电性能的材料，包括光学、电学和磁学等方面的性能。
光电信息材料的研究重点是开发新型材料，改善材料的性能，并实现其在光电器件中的应用。
目前，常见的光电信息材料包括光电半导体材料、光学功能材料和光电陶瓷材料等。
光电半导体材料是光电信息材料中的重要组成部分，具有特殊的光电特性。
常见的光电半导体材料有硅、锗、砷化镓、磷化镓等。
这些材料在光电器件中广泛应用，如太阳能电池、光电传感器和光通信器件等。
通过对光电半导体材料的研究，可以改善材料的光电特性，提高器件的效能。
光学功能材料是另一类重要的光电信息材料，具有特殊的光学性能。
这些材料可以通过改变光的传播和调控光的波长等方式实现光电器件的功能。
目前，光学功能材料在光通信、光储存和光显示等领域得到广泛应用。
例如，光纤通信系统中的光纤材料、液晶显示器中的液晶材料以及光存储器中的光敏材料等。
光电陶瓷材料是一种特殊的光电信息材料，具有高温稳定性和优异的光电性能。
这些材料通常是由光电功能材料和陶瓷基质组成，具有特殊的结构和性能。
光电陶瓷材料在高温环境中具有良好的稳定性，可在高温条件下工作。
光电陶瓷材料在光电器件中应用广泛，如高温太阳能电池、高温光纤传感器和高温光通信器件等。
光电器件是光电信息材料的应用载体，是将光电信息材料转化为实际应用的关键组成部分。
光电器件的设计和制备是光电信息材料与器件专业的核心内容之一。
光电器件包括光电传感器、光电调制器、光电存储器、光电调制器等。
这些器件通过改变光的强度、波长或相位等方式实现光电信号的检测、调制和存储等功能。
光电器件的设计和制备需要光电信息材料的支持，同时也需要掌握一定的制备工艺和装备。
例如，在太阳能电池的制备过程中，需要选取合适的光电半导体材料和优化器件的结构，同时还需要掌握先进的制备工艺，如溅射、化学气相沉积和激光刻蚀等。
信息材料绪论完整版
信息材料绪论HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】第一章信息材料概论信息技术：主要包括传感技术、通信技术、计算机技术和控制技术、存储技术、传输技术及显示技术。
现代信息技术是以微电子技术和光电子技术为基础，以计算机与通信技术为核心，对各种信息进行收集、储存、处理、传递和显示的高技术群。
信息材料就是指与现代信息技术相关的，用于信息的收集、储存、处理、传递和显示的材料。
其是信息技术的基础和先导。
按功能分类，信息材料可分为：1.信息检测和传感材料——指用于信息传感器和探测器的一类对外界信息敏感的材料。
2.信息传输材料——信息定向传输中，用于传输各种携带信息的电磁波的材料，以及为了保证信息传输的质量，对核心传输介质所加以保护的材料。
3.信息存储和显示材料——存储材料指用于记录和存储信息的材料；显示材料指能将各种形式的信息作用于人的视觉而使人感知的材料。
4.信息运算和处理材料——能对加载有信息的信号加以变换或处理，以实现降低信息率或者方便提取有用信息的材料。
信息材料的应用范围十分的广泛：民用器件有：半导体红外器件，电荷耦合器件，半导体激光器件，微波毫米波器件，存储显示器件，集成电路等。
它们可以应用于通信，广播电视设备，工业自动化设备，办公自动化设备，家用电子和光电子器件，医用诊断治疗设备和生物技术用器件，科学研究用实验仪器，水文、地质监测和气象预测预报系统，各种公共场所的电子或光电子器件及其各种集成电路器件。
军用半导体红外器件有：侦察的车载、舰载、机载或单兵手持式热像仪，空中侦察的红外扫描仪、红外热像仪、低空和中空光电传感器，多元双波侧面红外探测器。
军用电荷耦合器件主要有：空间遥感的大面阵CCD，自动导航系统的CCD跟踪器，侦察电子伏击等的CCD摄像机，以及单兵的夜视仪，扫描器，瞄准器等。
军用半导体激光器件：坦克飞机等的连续波调制半导体激光器，各种枪械的瞄准器，激光预警器，卫星对接系统、空间会合和高速干道测距以及常规兵器自动目标识别、修正系统的激光雷达等。
传感器的主要学习知识重点
绪论一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势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构成。
如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器，分类：按照工作原理分，可分为：物理型、化学型与生物型三大类。
物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。
按照输入量信息：按照应用范围：传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.发展趋势: 一是开展基础研究，探索新理论，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、多功能化与智能化。
1．发现新现象；2．发明新材料；3．采用微细加工技术；4．智能传感器；5．多功能传感器；6．仿生传感器。
二、信息技术的三大支柱现在信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。
课后习题1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？传感器(transducer/sensor)：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置（国标GB7665—2005）。
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或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为非电量)部分。
转换元件：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可用输出信号(一般为电信号)部分。
信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。
第一章传感器的一般特性1.传感器的基本特性动态特性静态特性2.衡量传感器静态特性的性能指标（1）测量范围、量程（2）线性度%100max⨯∆±=⋅SF L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。
信息功能材料与器件-国风云
(n1 n2 ) ≈ (n1 n2 )
n1 n2
由图知：0<V<V1=2.405时，光纤中 只能传输一个模式的光波，即基模 (HE11)可以传播，这种光纤称单模光纤。 当V>V1=2.405时，光纤中传输模是多 个， 这种光纤称多模光纤。
一、光纤结构与传光特性
2.4 光纤的传输损耗 光纤的损耗导致光信号的衰减,是光纤的一个重要指标,常用衰减常数A表示。
二、光纤传感原理与器件构造
光纤传感的基本原理就是光纤传感器的调制原理,也就是研究外界变化量（力、 光纤传感的基本原理 电、光、热、磁、化学、生物等）的作用如何使光纤中传输光的特性参数 （光的振幅、相位、偏振态、波长）发生变化的规律. 传感器的基本构造原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区,在调制区内, 传感器的基本构造原理 外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使光的光学性质(如强度、波长、 频率、相位、偏振态等)发生变化成为被调制的信号光, 经光纤送入光敏器件、 解调器而获得被测参数.传感过程中,光纤可起到导光器和光调制器的作用. 光纤传感器按其传感原理分为两类：一是传光型光纤传感器,一是传感型光纤 光纤传感器按其传感原理分为两类 传感器.两类传感器构造基本相似,都由光源、入射光纤、调制器、出射光纤 和光敏器件组成.前者光纤仅起导光作用,后者光纤兼具导光和光调制器功能.
n2 sinθ c = n1
θ > θ c = arcsin
2
n2 n1
nห้องสมุดไป่ตู้ sin c = 1 2 n 1
图中n1，n2分别为纤芯和包层的折射率，n0为光纤周围媒质的折射率。
一、光纤结构与传光特性
2.2 梯度光纤中光线传输 子午光线的传播 如图可将光纤分为若干阶梯状薄层，认为各薄层的折射率一 定，可采用类似前述的均匀折射率（阶跃光纤）全反射方法分析。例如入射到纤 芯中央折射率最高处的三束光线在各层界面上按折射定律产生折射，并依次进入 折射率较低的薄层中，期间入射角逐渐减小。 光线①入射角最大，大于临界角ψc，经各界面折射后，进入包层中，形成辐 射模，不能在光纤中传播。 光线②入射角较①小，经数次折射后，可在某一界面满足全反射条件而被折 回，趋向中心高折射率层，以至光线与轴向之间夹角变大，到达某一界面后再次 被折回，重复上述过程，因此光束以传输模形式被限制在纤芯内传播。 光线③的入射角比②更小，因此将在比②更靠近光纤中心轴的界面间重复地 进行反射，并沿轴向传播。
传感器与检测技术知识点
第一章传感与检测技术理论基础1．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。
可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。
在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。
采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。
引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。
2．用测量范围为-50～+150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差2140142=-=∆kPa 实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ引用误差%1%10050150140142=⨯---=）（γ3．什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。
随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。
通过增加测量次数估计随机误差可能出现的大小，从而减少随机误差对测量结果的影响。
第二章传感器概述2-1什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的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。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部份；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部份。
光电传感技术第四章-光生伏特器件
1.硅光敏二极管
1)硅光敏二极管的工作原理-基本结构 光敏二极管（photo diode）可分为以P型硅为衬底的2DU型 与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。
在高阻轻掺杂的P型硅片上通过扩散或注入的方式生成很 浅的N型层。在N型层的上面氧化生成极薄的SiO2保护膜，保 护光敏面并增加器件对光的吸收。
雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时，增 益太小；过大时，噪声大，且电压过高可能使管子被击 穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温 度变化相应调整工作电压。
3. 雪崩光敏二极管
3）噪声
由于雪崩光敏二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运 动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光敏二极管要大些。在无倍增 的情况下，其噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光敏二 极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。
2 q ηλ (Φs + Φb ) 2 4 KT∆f I n2 = ∆f + 2qI d ∆f + hc RL
1.硅光敏二极管
光敏二极管正向电阻约10k Ω左右。在无光照情况下， 反向电阻为∞ ；有光照时，反向电阻随光照强度增加而 减小，阻值可达到几k Ω或1k Ω以下。在光照下，其电压 电流与光照强度成比例，电压可达0.2-0.4V。短路电流可 达数十至数百μA。
2.PIN型光敏二极管
为了提高PN结硅光敏二极管的时间响应，消除在PN结 外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I 型层，构成PIN结构光敏二极管。 PIN光敏二极管在反 向电压作用下，耗尽区 扩展到整个半导体，光 生载流子只产生漂移电 流，因此， 它的时间响 应只取决于τdr 与τRC ，在 10-9s左右。
2）工作原理 在强电场作用下，当通过耗 尽区的每个载流子平均能产生一 对电子—空穴时，就发生雪崩击 穿现象。当M→∞时，PN结上所 加的反向偏压就是雪崩击穿电压 UBR。 从伏-安特性曲线可以看出， 在雪崩击穿点附近电流随偏压变 化的曲线较陡，当反向偏压有较 小变化时，光电流将有较大变化。
传感器的概述
第一章 传感器的概述1.传感器的定义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叫做传感器。
2.传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量（位移、速度、加速度、力等）转换成 电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
3.传感器的组成：传感器由有敏感元件、转换元件、信号调理电路、辅助电源组成。
传感器基本组成有敏感元件和 转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
第二章 传感器的基本特性1.传感器的基本特性：静态特性、动态特性。
2.衡量传感器静态特性的主要指标有：线性度 、灵敏度 、分辨率迟滞 、重复性 、漂移。
3.迟滞产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。
4.产生漂移的原因：①传感器自身结构参数老化；②测试过程中环境发生变化。
5.例题：1．用某一阶环节传感器测量100Hz 的正弦信号，如要求幅值误差限制在±5%以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz 的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？ 解：一阶传感器的频率响应特性： 幅频特性：2.在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率为216Hz 处，并得到最大福祉比为1.4比1，试估算该传感器的阻尼比和固有频率的大小。
3.玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程来表示。
现已知某玻璃水银温度计特性的微分方1)(1)(+=ωτωj j H )(11)(ωτω+=A s rad f n n /135********.014.121)(A )(4)(1)(A n max n 21222=⨯=======⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-ππωωξξωωωωωξωωω所以，时共振，则当解：二阶系统程是x y dtdy310224-⨯=+ ，y 代表水银柱的高度，x 代表输入温度（℃）。
求该温度计的时间常数及灵敏度。
解：原微分方程等价于：x y dt dy3102-=+所以：时间常数T=2S, 灵敏度Sn=10-3第三章 电阻式传感1.应变式电阻传感器的特点： 1）优点：①结构简单，尺寸小，质量小，使用方便，性能稳定可靠；②分辨力高，能测出极微小的应变；③灵敏度 高，测量范围广，测量速度快，适合静、动态测量；④易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距离 测量和遥测；⑤价格便宜，品种多样，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量多种物理量。
光电材料与器件
二 直接带隙和间接带隙半导体
直接带隙半导体： 下图左为砷化镓的动量-能量关系曲线，其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p＝0)。因此，当电子从价带
F(E)
=
1
+
1 E exp(
−
EF
)
kT
其中k 是玻尔兹曼常数，T 是以开(Kelvin)为单位的绝对温度，EF 是费米能级度分别为n、p 时半导体的费米能级为：
EF
=
Ei
+
kT 2
ln( n ) p
式中Ei 为导带底和价带顶的中部位置，处于禁带中间。 显然，n 型半导体的费米能级接近导带的底部，p 型半导体的费米能级 更低，接近价带的顶部。费米能级是半导体器件设计的重要依据，不同 半导体结合时它们的费米能级始终在同一水平。如一个p-n 结的能带结 构如图：
被击穿并离化从而导通，这时镇流器则起到限流的作用，维持灯管安全稳定工作。
图2-1：荧光灯接线图
特点：
（1）光效高，60~100 lm/W。镇流器消耗电能占20%。
（2）光色好，可通过控制荧光粉，控制其显色，适应多种场所需要。
（3）表面温度低。
（4）寿命长，质量较好的可达10000小时。
2 高压汞灯：
第2章 光源技术
§1 光源概述
图1-2：p-n结能带结构示意图
一 电光源的主要性能指标：
1 光通量：表征光源的发光能力，以流明值（lm）表示； 2 光效：灯发出的光通量与它消耗的电功率之比（lm/W）； 3 显色性：能够真实体现照明对象的颜色； 4 寿命：有效寿命和平均寿命；
试卷集锦(传感器)
第一部分填空题第一章1、衡量传感器静态特性的重要指标是_灵敏度______、__线性度_____、____迟滞___、___重复性_____ 等。
2、通常传感器由＿＿敏感元件＿＿、＿＿转换元件＿＿＿＿、＿转换电路＿＿＿＿三部分组成，是能把外界＿非电量＿＿＿＿＿转换成＿＿＿电量＿＿＿器件和装置。
3、仪表的精度等级是用仪表的＿＿＿引用误差＿＿＿＿来表示的。
4.传感器的＿＿标定＿＿＿是通过实验建立传感器起输入量与输出量之间的关系，并确定不同使用条件下的误差关系。
5．测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为粗大、系统和随机误差三类，其中随机误差可以通过对多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。
第二章1、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称__应变_____效应；半导体或固体受到作用力后_电阻率______要发生变化，这种现象称__压阻_____效应。
直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为____横向___效应。
2、在压阻式传感器的测量桥路中，补偿灵敏度温漂可以利用在电源回路__串并联电阻______的方法实现。
3、产生应变片温度误差的主要因素有＿电阻温度系数的影响、＿试验材料和电阻丝材料的线性膨胀系数的影响＿。
4.应变片温度补偿的措施有＿＿＿电桥补偿法＿、＿应变片的自补偿法＿。
5. 在电桥测量中，由于电桥接法不同，输出电压的灵敏度也不同，_全桥__接法可以得到最大灵敏度输出。
6．半导体应变片工作原理是基于压阻效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大十倍。
7、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除线性误差同时还能起到温度补偿的作用。
第三章1.变间隙式自感传感器的＿测量范围＿和＿灵敏度及线性度＿是相互矛盾的，因此在实际测量中广泛采用＿差动＿结构的变隙电感传感器。
2.电感式传感器是利用被测量改变磁路的＿磁阻＿，导致＿线圈电感量＿变化的。
传感器功能材料
纳米材料旳特征
➢晶粒极小，比表面积特大 ➢高度旳弥散性 ➢大量旳界面
经典纳米材料
1）碳纳材料
2）纳米陶瓷
五、智能材料
• 新型复合材料，是继天然材料、人造材料、精细材料之后旳第 四代功能材料。具有感知内外环境刺激，对之进行分析、处理、 判断、并采用一定旳措施进行适度响应旳智能特征旳材料。
氮化硅比氧化硅绝缘性能更加好，常用于在器件 之间以及器件与衬底材料之间提供绝缘。
碳化硅是一种性能优良旳制模材料，硬度高，尤 其在高温下耐化学腐蚀性能好，可用于制作高温 压力传感器旳压敏膜片。
（4）锗，砷化镓
锗是一种单晶材料，电子迁移率约为硅旳2.5 倍，霍尔系数为硅旳2倍，适合制作霍尔器件。 单晶硅和锗能够经过掺杂工艺制成光敏电阻， 但硅敏捷度更大，工作波长约为0.8微米，锗约 为1.4微米。 砷化镓是一种半导体化合物，是霍尔元件旳理 想材料，其缺陷是屈服强度低，仅为硅旳1/3， 所以不适合作基底材料。
光电势效应
光二极管、CCD
磁阻效应 I层中旳电势效应 霍尔效应
磁阻器件
InSb、Si、Ge
PIN光电二极管
霍尔元件、霍尔IC、、 Si、Ge、InSb、、、
二、功能陶瓷材料
指利用材料旳电、磁、声、光、热等方面直接旳或耦合旳 效应以实现某种使用功能旳多晶无机固体材料。 功能陶瓷一般经过高温烧结制成，其一般工艺流程为：
3.智能材料种类
• 功能：光导纤维、形状记忆、压电、电流变体、电 （磁）致伸缩材料等。
• 起源：金属（形状记忆合金、形状记忆复合材料）、 无机非金属（电流变体、压电陶瓷、光致变色和电 致变色材料）、高分子（凝胶、膜材、粘合剂）。
功能材料介绍PPT
现代社会对研制新一代材料提出了结构和功能相结 合的要求。即材料不仅能作为结构材料使用，而且具 有特殊功能或多种功能。同一构件、设备、器件可能 是结构材料和功能材料的结合。如航天航空器既有特 殊结构材料，又有特殊的功能材料。
分类： 很难有统一的认识，常见的分类方法有：
中国在商周处于青铜时代的鼎盛时期，湖北隋县出 土的编钟、西安青铜马车都反映当时中国冶金技术水 平和高超的制造工艺。
公元前13-14世纪，人类开始使用铁。3000年前的 铁器比青铜器更为普遍，人类开始进入铁器时代。
到春秋末期，中国的生铁技术遥遥领先于其他国家。 如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明， 促进了当时生产力的大发展，对农业、水利和军事的 发展起到了极大的作用，推动了世界的文明与进步。
6、扩展功能材料的应用范围，尤其是尖端技术与民 用高技术领域中的应用。
Байду номын сангаас
2、材料的发展史
人类发展的历史证明，材料的发展导致时代变迁。 人类的历史曾以使用的主要材料来划分，如石器时代、 铜器时代和铁器时代等。
早在100万年前，人类开始使用石头做工具，使人 类进入旧石器时代。大约1万年前，人类能对石头进行 加工，使石头成为精制的器皿和工具，从而进入新石 器时代。在新石器时代，人类开始用毛皮遮身。8000 年前，中国开始用蚕丝做衣服。4500年前，印度人开 始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进人类文 明进步。此外，人类还使用竹、木、骨等原始天然材 料，不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发 展的初始阶段，其特点是人类单纯选用天然材料。
人类还处于新石器时代，就已经发明了粘土成型， 在火烧固化而得到陶器，用作器皿或装饰品。陶器的 出现，是对人类文明的一大促进。在烧制陶器的过程 中，又偶然发现了铜和锡，实际上是铜和锡的氧化物 在高温下被碳还原的产物，进而生产出色泽鲜艳且能 浇铸的青铜，使人类进入青铜时代。这是人类较大量 使用金属的开始。希腊、印度、埃及和中国都在公元 前3000年左右进入青铜时代。
传感器简介
基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生 物传感器。
按工作原理 应变式 电容式 电感式 电磁式 压电式 热电式；等等
根据传感器使用的敏感材料 半导体传感器 光纤传感器 陶瓷传感器 金属传感器 高分子材料传感器 复合材料传感器；等等
（广义）传感器是一种能把特定的信息（物理、 化学、生物）按一定规律转换成某种可用信 号输出的器件和装置。
(狭义）能把外界非电信息转换成电信号输出 的器件。
(国家标准）能够感受规定的被测量并按照一 定的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——传感器中能直接感受或响应 被测量（输入量）的部分；
盖层
引线
敏感栅 粘贴剂
基片
丝式应变片
箔式应变片
敏感栅的材料应满足下列要求
1）受力后电阻率基本不变，变化可以忽略不计 2）灵敏系数保持常数，并能在较大的应变范围 内保持线性； 3）电阻率高，可制造小型应变片，供测量应力 集中时使用； 4）电阻温度系数小，具有足够的热稳定性； 5）加工和焊接性能好，以利于制片； 6）具有足够的机械强度，以防制片时被拉断。
P
S
D D+dD
L
dL
拉伸
P
式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数
➢金属导线的应变电阻效应：
当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增 大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减 小。
输入输出定量关系
dR dp (1 2) R
R l
dp
所以为了利用应变-电阻效应，希望 最 好是0，这就需要找材料，使其受力后电阻
传感器基础教材（可编辑）
传感器基础教材总序我们所处的时代被称为信息时代信息科学与技术的迅速发展和广泛应用深深地改变着人类生产生活的各个方面人类社会生产力发展和人们生活质量的提高越来越得益于和依赖于信息科学与技术的发展自动化科学与技术涉及到信息的检测分析处理控制和应用等各个方面是信息科学与技术领域的重要组成部分在我国经济建设的进程中工业化是不可逾越的发展阶段面对全面建设小康社会的发展目标党和国家提出走新型工业化道路的战略决策这是一条我国当代工业化进程的必由之路实现新型工业化就是要坚持走科技含量高经济效益好资源消耗低环境污染少人力资源优势得到充分发挥的可持续发展的科学发展之路在这个过程中自动化科学与技术起着不可替代的重要作用高等学校的自动化学科肩负着人才培养和科学研究的光荣的历史使命我国高等教育中工科在校大学生数占在校大学生总数的 35～40 其中自动化类的学生是工科各专业中学生人数最多的专业之一在我国高等教育已走进大众化阶段的今天人才培养模式多样化已成为必然的趋势其中应用型人才是我国经济建设和社会发展需求最多的一大类人才为了促进自动化领域应用型人才培养发挥院校之间相互合作的优势北京大学出版社组织了此套《21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》参加这一系列教材编写的基本上都是来自地方工科院校自动化学科的专家学者由此确定了教材的使用范围也为实用教材的定位找到了落脚点本系列教材具有如下特点1 注重实用性地方工科院校的人才培养规格大多定位在高级应用型对这一大类人才的培养要注重面向工程实践培养学生理论联系实际解决实际问题的能力从这一教学原则出发本系列教材注重实用性注意引用工程中的实例培养学生的工程意识和工程应用能力因此将更适合地方工科院校的教学要求2 体现新颖性更新教材内容跟进时代加入一些新的先进实用的知识同时淘汰一些陈旧过时的内容3 院校间合作交流的成果每一本教材都有几所院校的教师参加编写北大出版社事先在西安市和长春市召开了编写计划会和审纲会来自各院校的教师比较充分地交流了情况在相互借鉴取长补短的基础上形成了编写大纲确定了编写原则因此这一系列教材可以反映出各参编院校一些好的经验和做法4 这一系列教材几乎涵盖了自动化类专业从技术基础课到专业课的各门课程到目前为止列入计划的已有 30 多门教材门数多参与的院校多参加编写人员多前言现代化生产与自动控制系统是以计算机为核心以传感器为基础组成的传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节没有好的传感器就没有精确可靠的自动检测和控制系统近年来随着科学技术的发展各种类型的传感器已广泛应用到工业生产与控制的各个领域中要及时准确地获取各种信息解决工程生产及科研中遇到的各种具体的检测问题就必须了解和熟悉传感器同时也要学会合理选择和应用各种传感器及传感技术本书是自动化系列教材之一书中内容丰富全面原理描述由浅入深浅显易懂应用实例广泛实用全书以传统的典型传感器为主同时增加了新型的传感器主要介绍传感器的原理结构特点测量电路以及传感器在工业生产日常生活中的实际应用本书共分 12 章包括三个单元第一单元介绍传感器的基础知识第二单元介绍各种传感器的原理结构及应用第三单元介绍传感器的补偿和抗干扰技术书中每章内容具有独立性使用本教材时可根据不同专业的要求和特点有选择性地进行教学本书由北华大学赵玉刚长春工业大学邱东任主编长春大学曹昕燕武汉理工大学徐沪萍长春工业大学崔利娜任副主编赵玉刚编写第 4 章第 5 章和第 10 章邱东编写第 1 章第 2 章和第 11 章曹昕燕编写第 6 章和第 7 章徐沪萍编写第 3 章和第 9 章崔利娜编写第 8 章和第 12 章该书在编写过程中得到了许多同行的支持和帮助他们提出了许多宝贵意见同时也得到了北京大学出版社第六事业部和中国林业出版社编辑的指导和支持对他们的悉心指导和帮助表示真挚的谢意对本书参考文献中的有关作者致以衷心的感谢由于编者水平有限书中错误和不妥之处在所难免恳请广大读者批评指正提出宝贵意见编者2006 年 6 月目录第 1 章传感器理论基础 1 思考题与习题 6111 传感器基础 1 第 3 章电感式传感器 63com 传感器的概念 131 自感式传感器 63com 传感器的组成和分类 2com 工作原理 63com 传感器的基本特性 4com 电感计算及输出特性分析 65com 传感器的命名代号和图形com 测量电路 67符号 1032 差动变压器式传感器 70com 传感器的发展趋势 12 com 工作原理及特性 7012 检测技术理论基础 15com 测量电路 73com 检测技术 15com 零点残余电压及消除方法 74com 测量方法 1533 电涡流式传感器 76com 检测系统 17com 工作原理 76com 测量误差及数据处理 19 com 测量电路 79本章小结 3034 电感式传感器的应用 81思考题与习题 30com 自感式传感器的应用 81第 2 章电阻式传感器 32 com 差动变压器式传感器的应用 83com 电涡流式传感器的应用 8521 电位器式电阻传感器 32本章小结 87com 工作原理 32思考题与习题 88com 结构与材料 3722 应变式电阻传感器 39 第 4 章电容式传感器 89com 应变效应和工作原理 3941 工作原理和结构类型 89com 电阻应变片的种类材料com 工作原理 89及粘贴 41com 结构类型 89com 电阻应变片的主要特性 4442 转换电路 93com 电阻应变片的温度误差com 等效电路 93及补偿 47com 测量电路 93com 测量电路 4943 电容式传感器的主要性能特点 9823 压阻式传感器 53com 主要性能 98com 工作原理 53com 特点 100com 影响压阻系数的因素 54 44 电容式传感器的应用 100com 压阻式传感器的材料 55 com 电容式压力传感器 10024 电阻式传感器的应用 57com 电容式加速度传感器 102本章小结 61·VI · 传感器基础com 电容式测厚传感器103 com CCD 图像传感器 134com 电容式液位传感器103 com 图像传感器的应用 137com 电容式温度传感器104 本章小结 138本章小结 105 思考题与习题 138思考题与习题 105第 7 章光纤传感器 140第 5 章压电式传感器10771 光导纤维 14051 工作原理 107 com 光纤的结构 140com 压电效应及压电材料107 com 光纤的分类 140com 压电式传感器111 com 光纤的传光原理 14152 等效电路和测量电路112 72光纤传感器概述 143com 等效电路 112 com 光纤传感器的组成 143com 测量电路 113 com 光纤传感器的性能特点 14353 压电式传感器的应用115 com 光纤传感器的分类 143com 压电式测力传感器115 com 光纤传感器的工作原理 144com 压电式加速度传感器115 73 光纤传感器的应用 146com 压电式报警器116 com 光纤加速度传感器 146com 压电式测量均匀压力com 光纤速度传感器 146传感器 117 com 光纤压力传感器 147本章小结 117 com 光纤温度传感器 148思考题与习题 118 com 光纤声传感器148com 光纤光电传感器 149第 6 章光电式传感器119com 光纤图像传感器 15061 光电效应 119 本章小结 150com 外光电效应 119 思考题与习题150com 内光电效应119第 8 章热电式传感器 15162 外光电效应器件 121com 光电管 121 81 热电偶温度传感器151com 光电倍增管 122 com工作原理 151com 外光电效应器件的应用123 com 基本定律 15463 光电导器件 125 com 热电偶的材料结构及常用com 光敏电阻 125 热电偶 155com 光电导器件的应用126 com 热电偶冷端温度补偿 15864 光生伏特器件 129 82 热电阻温度传感器 160com 光敏二极管 129 com热电阻测温原理及类型 160com 光敏三极管 130 com热电阻的结构 161com 光电池 131 com 测量电路161com 光生伏特器件的应用132 83 热敏电阻温度传感器 16265 图像传感器134 com 热敏电阻测温原理 162·VI ·目录·VII ·com 结构与材料和特性162 com 红外传感器 208com 热敏电阻的应用165 com 核辐射式传感器 20984 集成温度传感器 166 com 辐射式传感器的应用 213com 工作原理 166 本章小结 214com 集成温度传感器的应用167 思考题与习题 215本章小结 169第 11 章智能传感器 216思考题与习题 170111 智能传感器概述 216第 9 章半导体式传感器171com 智能传感器的概念 21691 半导体气敏传感器 171 com智能传感器的功能 217com 半导体气敏传感器的分类171 com 智能传感器的特点 217com 电阻型半导体气敏传感器172 112 智能传感器的实现途径 218com 气敏传感器的应用174 com 非集成化实现 21892 半导体湿敏传感器 176 com集成化实现 219com 概述 176 com 混合实现 221com 湿敏电阻的类型及原理178 113 集成化智能传感器 222com 湿敏传感器的应用181 com 集成化智能传感器的几种93 半导体磁敏传感器182 形式 222com 磁敏电阻器 182 com 集成智能传感器实例 223com 霍耳式传感器186 114 智能传感器的发展方向 22594 离子敏传感器 192 本章小结 228com ISFET 传感器的结构和工作思考题与习题 229原理 192第 12 章传感器的补偿和抗干扰技术 230com ISFET 传感器的应用195本章小结 197 121 传感器的补偿技术 230思考题与习题 198 com 非线性误差及补偿230com 温度误差及补偿 232第 10 章波式和辐射式传感器199122 传感器的标定 233101 超声波传感器 199 123 抗干扰技术 235com 超声波的测量原理199 com 干扰的产生 235com 超声波传感器的应用201 com 干扰的类型 236102 微波传感器 204 com 干扰信号的耦合方式 236com 微波传感器的原理204 com 常用的抑制干扰的措施 239com 微波传感器的组成和分类205 本章小结 241com 微波传感器的应用206 思考题与习题 241103 辐射式传感器 208参考文献 242·VII ·第 1 章传感器理论基础在系统学习各类传感器之前首先应该掌握传感器的基本理论及检测技术的相关知识主要包括传感器的概念分类和基本特性检测系统的组成与功能基本测量方法测量误差及数据处理等内容为后续知识的学习打下基础11 传感器基础在当今的信息时代人们越来越迫切地希望能准确地掌握自然界和生产领域更多的各类信息而传感器则是人们获取这些信息的主要途径和手段因此传感器与人们的关系越来越密切传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节它对于提高生产的自动化程度促进现代科学技术的发展具有极其重要的作用com 传感器的概念关于传感器的概念我国国家标准 GB 7665 1987 规定传感器 sensor 是能感受规定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置也就是说传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的便于应用的某种物理量的测量器件或装置用于满足系统信息传输存储显示记录及控制等要求①传感器首先是一种测量器件或装置它的作用体现在测量上例如我们常见的发电机它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置从能量转换的角度看它是一种发电设备不能称之为传感器但从另一个角度看人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速这时发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置是一种速度传感器通常称之为测速发电机应用传感器的目的就是为了获得被测量的准确信息这也是本课程的学习目的②传感器定义中所谓可用输出信号是指便于传输转换及处理的信号主要包括气光和电等信号现在一般就是指电信号如电压电流电势及各种电参数等而规定的测量量一般是指非电量信号主要包括各种物理量化学量和生物量等在工程中常需要测量的非电量信号有力压力温度流量位移速度加速度转速浓度等正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换③传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系并且应保证一定的精度④关于传感器这个词目前国外还有许多提法如变换器 transducer 转换器converter 检测器 detector 和变送器 transmitter 等而根据我们国家的规定传感器定名为 sensor 当传感器的输出信号为标准信号 1V ～5V 4mA ～20mA 时称为变送器transmitter 注意二者不要混淆·2 ·传感器基础com 传感器的组成和分类1 传感器的组成传感器的种类繁多其工作原理性能特点和应用领域各不相同所以结构组成差异很大但总的来说传感器通常由敏感元件转换元件及测量电路组成有时还加上辅助电源如图 11 所示图 11 传感器组成框图1 敏感元件 sensing element敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件敏感元件是传感器的核也是研究设计和制作传感器的键如图 12所示是一气体压力传感器的示意图膜盒 2 的下半部与壳体 1 固定上半部通过连杆与磁芯 4 相连磁芯 4 置于两个电感线圈 3 中后者接入测量电路 5 这里的膜盒就是敏感元件其外部与大气压力 p a 相通内部感受被测压力 p 当p 变化时引起膜盒上半部移动即输出相应的位移量图 12 气体压力传感器1壳体2膜盒3电感线圈4磁芯5测量电路2 转换元件 transduction element转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分在图 12 中转换元件是可变电感线圈 3它把输入的位移量转换成电感的变化需要指出的是并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分有的传感器转换元件不止一个需要经过若干次的转换有的则是二者合二为一3 测量电路 measuring circuit测量电路又称转换电路或信号调理电路它的作用是将转换元件输出的电信号进行进·2 ·第 1 章传感器理论基础·3 ·一步的转换和处理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测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定一般有电桥电路阻抗变换电路振荡电路等2 传感器的分类通常一种传感器可以检测多种参数一种参数又可以用多种传感器测量所以传感器的分类方法也很多至今尚无统一规定归纳起来一般有以下几种1 按工作原理分类这是传感器最常见的分类方法这种分类方法将物理化学生物等学科的原理规律和效应作为分类的依据有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析本书主要就是按这一分类方法作为编写体系介绍各种类型的传感器按照传感器工作原理的不同传感器可分为电参数式传感器包括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包括一般光电式光纤式激光式和红外式传感器等热电式传感器半导体式传感器波式和辐射式传感器等这些类型的传感器大部分是分别基于其各自的物理效应原理命名的2 按被测量分类按被测量的性质进行分类有利于准确表达传感器的用途对人们系统地使用传感器很有帮助为更加直观清晰地表述各类传感器的用途将种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量见表 1-1对于各派生被测量的测量亦可通过对基本被测量的测量来实现表 1- 1 基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量线位移长度厚度应变振动磨损平面度位移角位移旋转角偏转角角振动线速度振动流量速度角速度转速角振动线加速度振动冲击质量加速度角加速度角振动转矩转动惯量力压力质量应力力矩时间频率周期计数光光通量与密度光谱温度热容湿度水汽含水量露点浓度气液体成分黏度3 按结构分类按传感器的结构构成可分为结构型物性型和复合型传感器结构型传感器是依靠传感器结构参数如形状尺寸等的变化利用某些物理规律·3 ··4 ·传感器基础实现信号的变换从而检测出被测量它是目前应用最多最普遍的传感器这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构位置的变化为基础而与其材料特性关系不大物性型传感器则是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器例如热电偶传感器就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量的而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的压电效应实现对压力的测量这类传感器的敏感元件就是材料本身无所谓结构变化因此通常具有响应速度快的特点而且易于实现小型化集成化和智能化复合型传感器则是结构型和物性型传感器的组合同时兼有二者的特征4 按能量转换关系分类按照传感器的能量转换情况传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类所谓能量控制型传感器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电阻电感电容等电参数传感器霍耳传感器等都属于这一类传感器能量转换型传感器主要由能量变换元件构成它不需要外电源如基于压电效应热电效应光电效应等的传感器都属于此类传感器此外根据被测量的性质可以将传感器分成物理型化学型和生物型传感器三大类根据传感器的使用材料也可以将传感器分为半导体传感器陶瓷传感器金属材料传感器复合材料传感器高分子材料传感器等根据应用领域的不同还可分为工业用农用民用医用及军用等不同类型根据具体的使用目的又可分为测量用监视用检查用诊断用控制用和分析用传感器等com 传感器的基本特性为了更好地掌握和使用传感器必须充分地了解传感器的基本特性传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性即系统输出信号 y t 与输入信号被测量 x t 之间的系如图 13 所示图 13 传感器系统根据传感器输入信号 x t 是否随时间变化其基本特性分为静态特性和动态特性它们是系统对外呈现出的外部特性但与其内部参数密切相关不同的传感器内部参数不同因此其基本特性也表现出不同的特点一个高精度传感器必须具有良好的静态特性和动态特性才能保证信号无失真地按规律转换1 静态特性当传感器的输入信号是常量不随时间变化或变化极缓慢时其输出输入关系特性称为静态特性传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述·4 ·第 1 章传感器理论基础·5 ·1 测量范围 measuring range传感器所能测量到的最小输入量 xmin 与最大输入量 x 之间的范围称为传感器的测量范围2 量程 span传感器测量范围的上限值x 与下限值xmin 的代数差x xmin 称为量程3 精度 accuracy传感器的精度是指测量结果的可靠程度是测量中各类误差的综合反映测量误差越小传感器的精度越高传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差由系统误差和随机误差两部分组成如用 S 表示传感器的精度则ΔS × 100 1-1y FS式中Δ测量范围内允许的最大基本误差y FS 满量程输出 FS 是英文 Full Scale 满量程的缩写工程技术中为简化传感器精度的表示方法引用了精度等级的概念精度等级以一系列标准百分比数值分档表示代表传感器测量的最大允许误差如果传感器的工作条件偏离正常工作条件还会带来附加误差温度附加误差就是最主要的附加误差4 线性度 linearity所谓传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度又称为非线性误差如不考虑迟滞蠕变等因素一般传感器的输出输入特性关系可用 n 次多项式表示为y a a x a x2 a xn 1-20 1 2 n式中x 为输入量 y 为输出量 a 为零输入时的输出也叫零位输出 a 为传感器线性1项系数也称为线性灵敏度 a2 a3 an 为非线性项系数在不考虑零位输出的情况下传感器的线性度可分为以下几种情况1 理想线性特性当式 1-2 中a 为常数而 a a a a 0 时即1 023 ny a x 1-31称为理想线性特性如图 14 a 所示这时传感器的线性最好也是我们最希望传感器所具有的特性具有该特性的传感器的灵敏度为直线y a x 的斜率即1yk a1 常数1-4x2 仅有偶次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 2 a x 4 a nx 2n n 0 1 2 1-50 2 4 2由于没有对称性此特性线性范围较窄线性度较差如图 14 b 所示一般传感器设计很少采用这种特性·5 ··6 · 传感器基础3 仅有奇次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 3 a x 5 a n x 2n1 n 0 1 2 1-61 3 52 1此传感器特性相对于坐标原点对称其线性范围较宽线性度较好如图 14 c 所示是比较接近于理想直线的非线性特性4 普遍情况一般情况下传感器的输出输入特性为y a x a x2 a x3 a x n 1-71 2 3 n如图 14 d 所示图 14 传感器的非线性在实际使用非线性传感器时如果非线性项的次数不高则在输入量变化范围不大的情况下可采用直线近似地代替实际输入输出特性曲线的某一段使传感器的非线性特性得到线性化处理这里所采用的直线称为拟合直线实际输入输出特性曲线与拟合直线的最大相对误差就是非线性误差用γ L 来表示即ΔLγL ± × 100 1-8y FS式中ΔL 非线性最大误差y FS 满量程输出值目前常用的拟合方法有理论拟合过零旋转拟合端点拟合端点平移拟合及最小二乘拟合等在图 15 a 中拟合直线为传感器的理论特性与实际测试值无关这种方法称为理论拟合应用十分简便但一般说来ΔL 很大图 15 b 为过零旋转拟合常用于校正特性曲线过零的传感器拟合时使ΔL ΔL1 2ΔL 这种方法也比较简单非线性误差比前一种小很多图 15 c 所示的端点拟合是把实际特性曲线两端点的连线作为拟合直线这种方法比较简便但ΔL 较大。
电子功能材料与元器件：1-1 材料与功能材料的分类
1293.2：发（质现子轰中击L子i） 及轻原素裂变
7
1
8
4
4
3.重L元i 素H 裂（变Be及） 链H式e 反He应发出1690万eV
3
1
4
2
2
30万eV
860万eV
5.高新技术及其应用材料的典型例子 LOGO
2 中子的发现轻元素的裂变
1932年，英国的查德威尔：α粒子轰击Be，发现了中子。
1934年，居里夫妇：α粒子轰击Al
27
4
30 1
Al He P n(中子)
13
2
15 0
28
1
1
Si H n
3 重核裂变及链式反应 14
1
0
费米
哈恩
5.高新技术及其应用材料的典型例子 LOGO
5.高新技术及其应用材料的典型例子 LOGO
我国进行的 原子弹实验
5.高新技术及其应用材料的典型例子 LOGO
秦山核电站
5.高新技术及其应用材料的典型例子 LOGO
合成纤维（锦纶、腈纶、涤纶、丙纶、维纶等） 合成橡胶（丁苯、氯丁、丁腈、聚氨酯、氟橡胶、硅橡胶等） 合成塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚砜等） 合成胶黏剂和涂料（聚氨酯、环氧-丁腈、酚醛-缩醛） 部分液晶（近晶型、项列型、胆甾型）
2. 材料的分类
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四、按材料功能用途分类
结构材料：具有较好的力学性能（比如强度、韧性及 高温性能等等）、可用作结构件的材料，它主要利用 的是材料或制品机械结构的强度性能。例如，利用材 料机械结构刚度的建筑材料及工程材料，如水泥制品、 建筑陶瓷等等。
1-1 材料与功能材料的分类
1. 材料科学的重要性
第四章 位移传感器
第一节 电容式传感器 （capacitive sensors) 特点：结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触 测量、具有平均效应，能在高温、辐射等恶劣条件工作。 应用：可用来检测位移 、压力等参量。 一、工作原理 从结构上来分有：平板式、园柱式电容器。以平板式电容 器为例：平板电容器的容量
C r 0
螺管式 L=KX 几十毫米 线性灵敏度小
二、互感式传感器(差动变压器) （LVDT） 1.原理： 衔铁位移x变化=>互感（M1，M2）变化,如图所示。
I 1 + U 1 L1
x
R1
M1 L21 + U - 21 + U o L22 M2 + U 22 -
说明： （1）与变压器的区别：变压器：闭合磁路，M 为常数； M f ( x) 。 差动变压器：开磁路， （2）输出端采用“反向串联”：其输出为电压，和差动电 桥方式相比，后者灵敏度低一倍： 反向串联与交流电桥的比较如图所示。
（2）相敏检波电路 交流电桥输出的相量可反映被测量的大小和方向，但用一般 的指示仪表却丢失了方向信号。 当衔铁居中时，Z1=Z2。当Z1↑，Z2↓时：
正半周 Ua正，Ub负 VD1、VD4导通 Ua负，Ub正 VD2、VD3导通
AECB支路： Uc↓ AFDB支路： Ud↑ BCFA支路： ↓ BDEA支路： ↑
E Z1 A +
Z2 U
u0 负 u0
u0 负
负半周
负
同理，当Z1↓，Z2↑时， UO 为正。故UO不仅反映线 圈阻抗变化大小，还能反映 变化方向。
VD1 VD2
C Z3 + B U o Z4 D -
A VD3 F VD4
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对用于制造热电阻材料的要求：
• 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率
• R-t关系最好成线性
• 物理化学性能稳定
• 复现性好等。
2020/4/1目5 前最常用的热电阻金属是铂、铜和镍。
28
主要金属测温电阻器的性能
项目
使用温度/℃ 电阻丝直径/mm 电阻率/(Ω·mm2/m） 0～100 ℃电阻温度系数
（4） 粘结剂
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴 在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基 底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力 后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。
常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂
用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树
脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，
在应变计轴线方向 的应变ε之比，称为
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电阻应变计的灵敏
系数K。
12
2.2 半导体压阻材料
压阻效应 指当半导体受到机械力作用时，由于载流子迁移 率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在 1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。
压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化
15
将一个结构单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子的 排列在垂直于晶体Z轴的平面内投影，可得到等效于 下图的正六边形排列。
图中⊕代表Si4+, 代表2O2-
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石英晶体压电效应示意图
16
3. 热敏传感材料
热敏传感材料：对温度变化具有灵敏响应的材料。
接触式测温
通过测温元件与被测 物体的接触而感知物 体的温度
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应变片的结构与材料
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组 成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。 因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
43
b
2
l
栅宽
栅长
1
电阻应变片结构示意图
（1） 敏感栅
由 金 属 细 丝 绕 成 栅 形 。 电 阻 应 变 片 的 电 阻 值 为 60Ω 、
R (1 1 )
R R0e T T0
T
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30
热敏电阻的电阻－温度特性
• 大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻－温 度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。 NTC（负电阻温度系数）热敏电阻具有很高的负电阻温 度系数，特别适用于：－100～＋300℃之间测温。
• PTC（正电阻温度系数）热敏电阻的阻值随温度升高而 增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时， 其电阻值朝正的方向快速变化。
可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到 被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。
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热电偶测温基本定律
T
T0
1)均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导
体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产
生热电动势。
T
T0
V
2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只
（2） 基底和盖片
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖 片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏 感栅202。0/4/1基5 底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。10
（3） 引线
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材 料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性 能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
力敏传感材料
热敏传感材料
光敏传感材料
磁敏传感材料
气敏传感材料
湿敏传感材料
光纤传感材料
生物传感材料
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2. 力敏传感材料
力敏传感材料指在外力作用下，电学性质会发生明显变 化的材料，分为应变电阻材料、压阻材料和压电材料。 力敏传感器主要用于测量力、加速度、扭矩、压力、流 量等物理量。
2.1 电阻应变材料
要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响 热电偶回路的总热电动势。
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3)参考电极定律
两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如 果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后 的热电动势可用下式求得：
EAB (T ,T0 ) EAC (T ,T0 ) EBC (T ,T0 )
• CTR（临界温度热敏电阻）也具有负温度系数，但在某
个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别 陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。
• 线性热敏电阻
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电阻RT/Ω
CTR
PTC
NTC
0
温度T/0C
三类热敏电阻的温度特性曲线
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半导体热敏电阻材料
• PTC材料
顺压电效应：机械能 逆压电效应：电 能
电能 机械能
压电材料
压电晶体：石英晶体、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵、硫酸锂
性能稳定、不需极化处理、无热释电效应
压电陶瓷：人工极化处理的钛酸钡、锆钛酸钡
压电常数大、灵敏度高、工艺成熟、价格低廉
压电半导体：ZnS、ZnO、CdS、CdTe等
2压020/电4/15高分子材料：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯
机械力作用——晶格间距变化——禁带宽度变化——载 流子相对能量改变——电阻率变化 优点：
①灵敏度与精度高； ②易于小型化和集成化； ③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变； ④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。 用来202制0/4/成15 各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器 13
T0 ) ln
nA nB
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讨论
•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关
•两热电极相同时，总电动势为0
•两接点温度相同时，总电动势为0
•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c 为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，
即
EAB (t,t0 ) f (t) f (t0 ) f (t) C (t)
BaTiO3基热敏材料：用于家用电器的温度传感器、限流器等。 V2O3基热敏材料：常温电阻率极小，用于大电流领域的过流保护，
金属-绝缘体相变。
• NTC材料
低温：AB2O4尖晶石型氧化物半导体陶瓷 常温： AB2O4尖晶石型的含锰氧化物 高温：AO2萤石型、AB2O4尖晶石型、ABO3钙钛矿型和刚玉型。
/(×10-3/℃)
Pt
Ni
Cu
-200~600 -100～300 -50～150
0.03~0.07 0.0981~0.106
3.92～3.98
0.05 0.118～0.138 6.21～6.34
0.1 0.017 4.25～4.28
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半导体热敏电阻
半导体热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变 化这一特性制成的一种热敏元件。
电阻-应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产生变形 （伸长或缩短）时发生变化的物理现象。当金属电阻丝 受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻 增加。反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小。
电阻应变式传感器就是利用金属电阻应变片的电阻应变
效应实现应力（应变）的传感的，金属应变片电阻值变 化正比于应力大小。 常用的金属应变片由金属丝式、箔式、薄膜式等。
热膨胀式 热电势式 热电阻式 PN结型 集成电路型 热释电式
优点： 技术成熟 传感器种类多 测量系统简单 精度较高
非接触式测温
通过接收被测物体发 出的辐射来得知物体 2020/4/15的温度
光学高温传感器 优点： 不受测温元件耐热
程度限制 热辐射式温度传感器 测温速度快
可测运动物体1温7 度
3.1 双金属温度计 （热膨胀式）
把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起 制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变 化转换成机械量变化。
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优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆
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3.2 热电势式温度计(热电偶)
热电效应
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合 回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产 生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。
常用202的0/4/有15 磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
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金属电阻应变片材料
栅长度一般为 0.2～100毫米，直径 0.015～0.05毫米的 金属丝 ，厚度 0.002～0.005毫米的金属箔。 电阻为60～1000欧（最常用的为120欧），测量范围为 几微应变至数万微应变（με，1微应变=10-6毫米／毫 米）
120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅
长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大
小是20应20/4变/15 片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量9。
对敏感栅的材料的要求：
①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。
第四章 信息传感材料与器件
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1. 传感器与传感材料
定义：传感器是能够感受规定的被测量并按一 定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
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