第一讲自然规律与传感器.ppt

1、1传感器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定义2敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路电量电量被测量被测量辅助电源辅助电源敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路电量电量被测量被测量 传感器的组成传感器的组

2、成3l 根据传感器的工作机理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生物传感器。l 根据传感器的构成原理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

3、式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。l 根据传感器的能量转换情况根据传感器的能量转换情况能量控制型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。传感器的分类传感器的分类4 分类方法分类方法 传感器的类型传感器的类型 说说 明明 按基本效应按基本效应分类分类物理型、化学型、生物型物理型、化学型、生物型分别以效应命名为物理、化学、生物传感器分别以效应命名为物理、化学、生物传感器按构成原理按构成原理分类分

4、类结构型结构型物性型物性型以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件结构物理特性变化实现信号转换以其转换元件结构物理特性变化实现信号转换按作用原理按作用原理分类分类应变式、电容式、压电式、应变式、电容式、压电式、热电式等热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名以传感器对信号转换的作用原理命名按能量关系按能量关系分类分类能量转换型（自源型）能量转换型（自源型）能量控制型（外源型）能量控制型（外源型）传感器输出量直接由被测量能量转换而得传感器输出量直接由被测量能量转换而得传感器输出量能量由外源供给但受被测输入量控传感器输出量能量由外源供给但受被测输入量控制

5、制按敏感材料按敏感材料分类分类半导体传感器、光纤传感器、陶半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等复合材料传感器等以使用的敏感材料命名以使用的敏感材料命名按输入量分按输入量分类类位移、压力、温度、流量、气体、位移、压力、温度、流量、气体、振动、温度、湿度粘度等振动、温度、湿度粘度等以被测量命名（即按用途分类法）以被测量命名（即按用途分类法）按输出信号按输出信号分类分类模拟式模拟式数字式数字式输出量为模拟信号输出量为模拟信号输出量为数字信号输出量为数字信号按与某种高按与某种高新技术结合新技术结合集成传感器、智能传感器、机器集成传感器、智

6、能传感器、机器人传感器、仿生传感器等人传感器、仿生传感器等按基于的高新技术命名按基于的高新技术命名5现代传感技术的发展趋势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。6(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

7、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。7(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-20C 120C，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。8(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

8、，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。9(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。10(6

9、)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。11

10、(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。12(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

11、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13 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，

12、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。n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(wireless networked)14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：论基础有：l守恒定律。包括能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律守恒

13、定律。包括能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律等；等；l场的定律。包括动力场的运动定律、电磁场感应定律、光的电场的定律。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；磁场干涉定律等；l物质定律。包括力学、热学、梯度流动的传输和量子现象等物质定律。包括力学、热学、梯度流动的传输和量子现象等l统计物理学法则。统计物理学法则。15一、守恒定律一、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

14、守恒。包括能量守恒定律、质量守恒定律、动行消失，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。等。1.能量守恒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。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，这个规律叫一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，这个规律叫“能能的转化合守恒定律的转化合守恒定律”。该定律在

15、性质上确定了能量形式的可变。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。性，在数值上肯定了自然界能量总和的守恒性。16 2.动量守恒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。合外力为零时，系统总动量保持不变。3.电荷守恒电荷守恒孤立系统（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

16、变。即：电荷既不会被创造、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。代数和是守恒的。17应用举例：应用举例：差压流量计差压流量计以能量守恒定律、伯努利方程以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础。整和流动连续性方程为基础。整套仪表由节流装置、导压管及套仪表由节流装置、导压管及差压检测仪表组成。差压检测仪表组成。18伯努利方程伯努利方程伯努利方程是关于密封

17、管路中无粘性流体流动的能量守恒定律。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。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：伯努利方程：方程表明：理想流体稳定流动时，同一方程表明：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、流管不同截面处，单位体积流体的动能、势能与该处压强之

18、和保持不变。势能与该处压强之和保持不变。19 差压式流量计测量原理差压式流量计测量原理流体为不可压缩的理想流体流体为不可压缩的理想流体假假 设设不对外做功不对外做功与外界无热交换与外界无热交换流体温度不变流体温度不变差压式流量计的测量原理是基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于流体的机械能相互转换的原理。在理。在水平管道水平管道流动的流体，流动的流体，具有动压能和静压能（位能）具有动压能和静压能（位能）相等，在一定条件下，这两种相等，在一定条件下，这两种形式的能量可以相互转换，但形式的能量可以相互转换，但能量总和不变。能量总和不变。20根据伯努利方程，设流体在根据伯努利方程，

19、设流体在水平管道水平管道中流动，且中流动，且根据流体连续性方程根据流体连续性方程21流体质流体质量流量量流量开孔直径与管道直径的比值开孔直径与管道直径的比值22u法兰取压法兰取压:取压孔直径：取压孔直径：6-12mmuD-D/2取压取压:取压孔直径小于取压孔直径小于0.13D,0.13D,且小于且小于13mm13mm23二、场的定律二、场的定律 物物理理学学中中的的“场场”的的概概念念最最早早是是由由法法拉拉第第和麦克斯韦在电磁场理论的研究中确立的。和麦克斯韦在电磁场理论的研究中确立的。法法拉拉第第首首先先提提出出了了磁磁力力线线、电电力力线线的的概概念念，在在电电磁磁感感应应、电电化化学学、

20、静静电电感感应应的的研研究究中中进进一一步步深深化化和和发发展展了了力力线线思思想想，并并第第一一次次提出场的思想，建立了电场、磁场的概念。提出场的思想，建立了电场、磁场的概念。Michael Faraday（17911867）其其后后，经经典典电电磁磁场场论论（麦麦克克斯斯韦韦、赫赫兹兹）得得到到确确立立。在在经经典典电电磁磁学学的的建建立立与与发发展展过过程中，形成了电磁场的概念。程中，形成了电磁场的概念。24所所谓谓物物理理场场是是指指某某一一空空间间范范围围及及其其各各种种事事物物分分布布状况的总称。状况的总称。场场的的定定律律，都都是是关关于于物物质质作作用用的的客客观观规规律律。这

21、这些些规规律律所所揭揭示示的的是是物物体体在在空空间间排排列列和和分分布布状状态态与与某某一一时时刻刻的的作作用用有有关关的的客客观观规规律律，一一般般可可用用物物理理方方程程给给出出。这这些些方方程程就就是是某某些些传传感感器器工工作作的的数数学学模模型型，而而与与这这些些定定律律有有关关的的参参数数通通常常与与具具体体物物质质的的内内部部结结构构（如如成成分分、材材料料）无无关关，与与物物质质在在空空间间的位置及分布状态与某时刻的作用有关。的位置及分布状态与某时刻的作用有关。25电电磁磁感感应应定定律律指指出出：导导体体回回路路中中感感应应电电动动势势的的大大小小与与穿穿过过回回路的磁通量

22、的变化率成正比。路的磁通量的变化率成正比。当当线线圈圈以以速速度度v垂垂直直于于磁磁场场运运动动时时，由由于于切切割割磁磁力力线线，在在线线圈中产生与运动速度成正比的感应电动势圈中产生与运动速度成正比的感应电动势：利利用用电电磁磁感感应应定定律律可可以以构构成成自自感感式式传传感感器器、互互感感式式传传感感器器、感感应应同同步步器器和和电电涡涡流流式式传传感感器器等等，可可用用来来测测量量位位移移、运运动动速速度、振动等多种物理量。度、振动等多种物理量。26高频反射式电涡流传感器结构和工作原理高频反射式电涡流传感器结构和工作原理1234561-线圈线圈 2-框架框架 3-衬套衬套4-支架支架

23、5-电缆电缆 6-插头插头2728利利用用静静电电场场的的有有关关定定律律制制成成电电容容传传感感器器。静静电电场场中中两两平平行行电极板间的电容量电极板间的电容量C为：为：两极板相对移动两极板相对移动时，时，C的变化量：的变化量：29波波是场的一种运动形态，是场的一种运动形态，光波光波是一种广泛存在的电磁波。是一种广泛存在的电磁波。利利用用光光电电磁磁场场的的基基本本定定律律，如如光光的的直直线线传传播播定定律律、光光波波之之间间的的相相互互作作用用，如如光光的的干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振现现象象、光光的的多多普普勒勒效效应应等等，可可以以制制成成影影像像、干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振、光

24、光栅栅、光光码码盘盘等等各式各样的传感器和测量装置。各式各样的传感器和测量装置。30利利用用场场的的定定律律构构成成的的传传感感器器，其其性性能能由由定定律律决决定定，与使用材料无关与使用材料无关。这这类类传传感感器器的的形形状状、尺尺寸寸等等参参数数决决定定了了传传感感器器的的量量程程、灵灵敏敏度度等等性性能能，因因此此这这类类传传感感器器统统称称为为结结构构型型传感器。传感器。它它们们具具有有设设计计的的自自由由度度较较大大、选选择择材材料料的的限限制制较较小小等优点，但体积一般较大，并且不易集成。等优点，但体积一般较大，并且不易集成。31三、物质定律三、物质定律 物物质质定定律律是是指指

25、各各种种物物质质本本身身内内在在性性质质的的定定律律、法法则则、规规律律等等。它它们们通通常常以以固固有有的的物物理理常常数数加加以以描描述述。如如胡胡克克定定律律，欧欧姆姆定定律律等等。这这些些定定律律都都含含有有物物质质所所固固有有的的常常数数，即即定定律律是是定定义义各各种物理常数的公式。种物理常数的公式。利利用用各各种种物物质质定定律律构构成成的的传传感感器器统统称称为为物物性性型型传传感感器器。这这些些传传感感器器的的主主要要性性能能在在很很大大程程度度上上受受相相应应的的物物理理常常数数或或化化学学、生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关。生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关

26、。32利利用用半半导导体体物物质质具具有有的的压压阻阻、热热阻阻、光光阻阻、湿湿阻阻和和霍霍尔尔等等效效应应，可可以以分分别别制制成成力力、压压力力、温温度度、光光强强、湿湿度度和和磁磁场场等等传传感器；感器；利利用用压压电电材材料料所所具具有有的的压压电电效效应应可可制制成成压压电电式式、声声表表面面波波和和超声波等传感器；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。利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。33霍尔效应演示霍尔效应演示 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，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，在半导体薄片在半导

27、体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。A AB BC CD D 霍尔电势霍尔电势E EH H等于：等于：EH=KH IB34压电效应演示压电效应演示光电导效应演示光电导效应演示35由由于于利利用用物物质质定定律律的的物物性性型型传传感感器器具具有有构构造造简简单单、体体积积小小、无无可可动动部部件件、反反应应快快、灵灵敏敏度度高高、稳稳定定性性好好、易易集集成成等等特特点点，因此是当代传感技术领域中具有广阔发展前景的传感器。因此是当代传感技术领域中具有广阔发展前景的传感器。与与物物质质所所固固有有的的物物理理常常数数有有关关的的各各种种现现象象可可分分

28、为为三三大大类类：热热平衡现象平衡现象、传输现象传输现象和和量子现象量子现象。36一一个个系系统统在在没没有有外外界界影影响响的的条条件件下下，即即外外界界对对系系统统既既不不作作功功，又又不不传传热热的的情情况况下下，系系统统各各个个部部分分之之间间的的能能量量以以热热量量的的形形式式而而不不是是以以功功的的形形式式进进行行交交换换，经经过过一一定定的的时时间间后后，系系统统各各部部分分将将达达到到一一种种宏宏观观性性质质不不随随时时间间变变化化的的状状态态，这这种种现现象象就就称称为为热平衡热平衡。处处于于热热平平衡衡状状态态的的系系统统的的宏宏观观物物理理量量具具有有确确定定的的数数值值

29、，通通常常用用几几何何参参量量、力力学学参参量量、电电磁磁参参量量和和化化学学参参量量四四类类状状态态量量来来定定量量描描述述，而而描描述述系系统统冷冷热热程程度度的的温温度度则则是是该该四四类类状状态态量量的的函数。函数。在热平衡状态中，基本的物理量是能量。在热平衡状态中，基本的物理量是能量。1.1.热平衡现象热平衡现象37 描描述述热热平平衡衡状状态态系系统统的的物物理理量量称称为为状状态态量量。如如果果把把这这个个系系统分割成若干个小系统，则状态量可分为两种：统分割成若干个小系统，则状态量可分为两种：与与分分割割方方法法无无关关，其其性性质质由由其其量量的的大大小小来来决决定定的的状状态

30、态量量。称称为为强强度度型型状状态态量量，简简称称示示强强变变量量。如如温温度度、压压力力、电电场场强强度度、磁场强度。磁场强度。具具有有与与系系统统的的大大小小（体体积积、面面积积等等）成成正正比比性性质质的的状状态态量量，称称为为容容量量型型状状态态量量，简简称称示示容容变变量量，又又叫叫容容量量量量或或广广延延量量。如如能量、熵、位移等。能量、熵、位移等。38从能量的角度看，传感器实质上是一种能量转换器件，是把从能量的角度看，传感器实质上是一种能量转换器件，是把一种非电量或不易测量的电量转换为便于测量的物理量的器一种非电量或不易测量的电量转换为便于测量的物理量的器件或装置。件或装置。根据

31、与被测对象有关的物理量的特点，可将被测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。物理量大致分为示容变量和示强变量两大类。n示容变量和示强变量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。容变量。示强变量（作用变量）示强变量（作用变量）表示在某种场合下作用程度的量，表示

32、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。如力、压力、温度、电压等都属于示强变量。39n传感器的能量变换传感器的能量变换 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。荷的积是电能，电压与电流之

33、积是电功率等。40输出输出IdU示强变量示强变量dU示容变量示容变量I输入输入PdV示强变量示强变量P示容变量示容变量dV气体力气体力学能量学能量电能电能可见，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。电能量输出，进行能量变换。41设示容变量为设示容变量为xi，对应的示强变量为对应的示强变量为Xi，它们的积为，它们的积为能量：能量：当若干个当若干个xi有微小的变化，则系统能量变化为：有微小的变化，则系统能量变化为：xj表示除表示除xi外的示容变量保持固定不变，某个强度量对应容外的示容变量保持固定不变，某个强度

34、量对应容量状态量的关系。量状态量的关系。（1）麦克斯韦关系式）麦克斯韦关系式式中式中42根根据据热热力力学学原原理理（热热力力学学第第一一定定律律）：系系统统由由能能量量U的的平平衡衡状状态态变变化化到到的的U+dU平平衡衡状状态态时时，其其变变化化与与所所取取得得微微分分途途径径无关，用数学式表示为无关，用数学式表示为由于由于；麦克斯韦麦克斯韦关系式关系式43同同理理：如如果果有有若若干干个个示示强强变变量量发发生生微微小小变变化化，使使系系统统能能量量变变化化时时，但但系系统统在在能能量量变变化化前前和和变变化化后后均均处处于于热热平平衡衡状状态态，则则麦克斯韦关系式可写成：麦克斯韦关系式

35、可写成：k表示除表示除Xi，Xj以外的强度量保持固定不变。以外的强度量保持固定不变。因因为为示示强强变变量量易易测测量量，大大小小也也易易调调整整（温温度度、压压力力、磁磁场场强强度等），所以实践中通常以示强变量作为独立变量予以测量。度等），所以实践中通常以示强变量作为独立变量予以测量。或或44（2 2）热平衡一次效应）热平衡一次效应麦麦克克斯斯韦韦关关系系式式说说明明不不同同种种类类能能量量所所对对应应的的强强度度型型状状态态量量与与容容量量型型状状态态（或或相相反反）微微分分之之比比为为定定值值，具具有有这这种种关关系系的的效效应称为应称为热平衡一次效应热平衡一次效应。一次效应是一次效应是

36、可逆可逆的，如压电效应。的，如压电效应。45热平衡一次效应：热平衡一次效应：压电效应压电效应当当某某些些电电介介质质沿沿一一定定方方向向受受外外力力作作用用时时，在在其其一一定定的的两两个个表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。面上产生异号电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。其其中中电电荷荷大大小小与与外外力力大大小小成成正正比比，极极性性取取决决于于受受力力方方向向，即即变变形形是是压压缩缩还还是是伸伸长长；比比例例系系数数为为压压电电常常数数，它它与与形形变变方方向向有关，固定材料的确定方向上为常量。有关，固定材料的确定方向上为常量。46正压电效应正压电效应 当对

37、压电材料施以外力（压力）时，材料体内的电偶极矩会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。产生正负电荷，以保持原状。47逆压电效应逆压电效应 当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，某某些些电电介介质质在在一一定定方方向向上上将将产产生生机机械械变变形形或或机机械械应应力力，当当外外电电场场撤去后，变形或应力也随之消失。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

38、化。正比，方向随电场方向变化而变化。当当对对压压电电材材料料表表面面电电场场（电电压压），因因电电场场作作用用时时材材料料体体内内的的电电偶偶极极矩矩会会被被拉拉长长，压压电电材材料料为为抵抵抗抗这这一一变变化化会会沿沿电电场场方方向向拉伸。拉伸。48 分析：分析：l机械能（机械能（输入输入）：力）：力F F强度型状态强度型状态l V V0 0变形引起体积变化变形引起体积变化l电能（电能（输出输出）：）：电荷电荷Q Q容量型状态量容量型状态量l 电场强度电场强度E E强度型状态量强度型状态量l其其中中：F F、E E为为不不同同种种类类强强度度量量；V V0 0、Q Q为为不不同同种种类类的的

39、容容量量量。量。l根据麦氏关系式：根据麦氏关系式：l即即，对对于于选选定定材材料料和和尺尺寸寸的的压压电电晶晶体体，上上式式为为常常量量，它它说说明明压压电电效效应应是是可可逆逆的的，是是一一次次效效应应，既既可可将将机机械械量量（力力）变变换换成成电电量量（电电荷荷），也也可可将将电电量量（E E）变变换换为为机机械械量量（V V0 0 ）。）。49状态量名称状态量名称输出示容量输出示容量位移（体积）位移（体积）热（熵）热（熵）电极化作用电极化作用磁极化作用磁极化作用输入示输入示强变量强变量力（压力）力（压力）应力发热应力发热正压电效应正压电效应压磁效应压磁效应温度温度热膨胀热膨胀热释电效应

40、热释电效应减磁减磁电压电压逆压电效应逆压电效应热电效应热电效应磁场强度磁场强度磁致伸缩效磁致伸缩效应应磁热效应磁热效应热平衡型一次效应热平衡型一次效应50（3 3）热平衡二次效应热平衡二次效应同同一一种种类类能能量量的的强强度度型型状状态态量量与与容容量量型型状状态态量量微微分分之之比比 ，或或同同一一种种类类能能量量的的示示容容变变量量与与示示强强变变量量微微分分之之比比 ，是不能直接构成传感器的。，是不能直接构成传感器的。例如：例如：膜膜盒盒或或膜膜片片等等弹弹性性敏敏感感元元件件在在力力F(或或压压力力)作作用用下下产产生生形形变变l，刚度系数：，刚度系数：电场电势电场电势U作用于电容器

41、导电极板产生电荷作用于电容器导电极板产生电荷Q，电容系数：，电容系数：温度温度T产生产生热量热量Q，热容量：，热容量：51利利用用弹弹性性元元件件受受力力产产生生变变形形，其其应应变变与与应应变变片片电电阻阻值值的的关关系系可可制制成成电阻应变式力电阻应变式力(压力压力)传感器。传感器。上述这种变换称为二次效应，上述这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。二次效应没有逆效应。52当当系系统统中中存存在在有有强强度度量量的的差差或或梯梯度度时时，相相应应的的广广延延量量(示示容容变变量量)就就随随时时间间而而变变化化，即即广广延延量量的的流流动动，这这种种现现象象称称为为传输现象传输现象。例例

42、如如，导导体体两两端端有有电电位位差差时时，就就有有电电流流流流动动；物物体体有有温温度度差差时时，就就有有热热流流流流动动；电电容容两两端端有有电电位位差差时时，就就有有电电荷荷积累等。积累等。这这种种使使相相应应广广延延量量流流动动的的强强度度量量的的差差或或梯梯度度可可视视为为一一种种力力，称之为称之为亲和力亲和力或或亲和势亲和势。一一种种亲亲和和力力可可以以产产生生一一种种流流，一一种种流流也也可可以以由由两两种种以以上上的的亲和力产生。利用传输现象可以制成某些传感器。亲和力产生。利用传输现象可以制成某些传感器。2.2.传输现象传输现象53例：塞贝克效应例：塞贝克效应由由两两种种导导体

43、体或或半半导导体体闭闭合合构构成成的的热热电电偶偶，当当其其两两结结点点有有温温度度差差时时，就就有有热热流流在在两两结结点点间间流流动动，由由于于塞塞贝贝克克效效应应（又又称称热热电效应），则在两结点间产生电动势，回路中就有电效应），则在两结点间产生电动势，回路中就有电流电流。接触接触电动势电动势温差温差电动势电动势54两种导体的两种导体的接触接触电动势电动势55单一导体的单一导体的温差温差电动势电动势56塞贝克效应：总电动势塞贝克效应：总电动势57金金属属的的塞塞贝贝克克系系数数约约为为0 080v/k80v/k，温温差差电电效效应应较较小小，可可制成热电偶，用于测温等。制成热电偶，用于测

44、温等。两两种种不不同同半半导导体体联联接接回回路路两两端端保保持持不不同同温温度度，其其约约为为5050100v/k100v/k，可制成温差发电器。，可制成温差发电器。58珀耳帖效应珀耳帖效应如如果果热热电电偶偶处处于于某某一一环环境境温温度度下下，并并在在其其回回路路中中通通入入电电流流，由由于于珀珀耳耳帖帖效效应应（塞塞贝贝克克效效应应的的逆逆效效应应），则则在在两两结结点点处处分分别别放放出出和和吸吸收收与与电电流流成成正正比比关关系系的的热热量量，其其通通入入的的电电流流是是由由电位差电位差产生的，输出的产生的，输出的热量热量是由温度差产生的。是由温度差产生的。59由由此此可可知知，塞

45、塞贝贝克克效效应应是是因因温温度度差差而而产产生生电电流流，珀珀耳耳帖帖效效应应是由电位差而产生热流，他们是是由电位差而产生热流，他们是可逆可逆的。的。把把这这种种不不同同种种类类的的亲亲和和力力和和流流之之间间的的效效应应称称为为一一次次效效应应，利利用一次效应可以直接制成各种传感器。见下表。用一次效应可以直接制成各种传感器。见下表。60名称名称输出输出力学量力学量热学量热学量电学量电学量磁学量磁学量物质量物质量输入输入力学量力学量热学量热学量热传导热传导塞贝克效塞贝克效应应能斯脱效能斯脱效应应电学量电学量电磁力电磁力珀耳贴效珀耳贴效应应霍尔效应霍尔效应电解电解磁学量磁学量物质量物质量浓差电

46、池浓差电池化学效应化学效应传输现象的一次效应传输现象的一次效应61同同一一种种类类的的亲亲和和力力和和流流之之间间的的关关系系不不能能直直接接用用于于传传感感器器中中，但但是是利利用用它它们们与与其其他他状状态态量量的的关关系系，仍仍可可制制成成各种种传传感感器器，这种现象称为传输现象的这种现象称为传输现象的二次效应二次效应。如下表所示。如下表所示。例例如如，电电阻阻率率是是电电场场强强度度与与其其所所引引起起的的电电流流密密度度之之比比，是是电电导导率率的的倒倒数数，若若利利用用它它与与变变形形、压压力力、温温度度等等的的关关系系，则则可可构成电阻应变式、压敏电阻、热敏电阻等传感器。构成电阻

47、应变式、压敏电阻、热敏电阻等传感器。电电介介质质的的介介电电常常数数是是其其电电容容率率与与真真空空电电容容率率之之比比，不不能能直直接接构构成成传传感感器器，但但若若利利用用介介电电常常数数与与温温度度、湿湿度度、容容量量等等的的关关系系，则则可可制制成成电电容容式式温温度度传传感感器器、电电容容式式湿湿度度传传感感器器、电电容容式液位传感器等。式液位传感器等。62名称名称定定 义义亲和力亲和力流流刚度系数刚度系数弹性元件在弹性变形范围内所受外力弹性元件在弹性变形范围内所受外力与其变形量之比与其变形量之比力力变形变形热导率热导率热流密度与温度梯度之比热流密度与温度梯度之比温度梯度温度梯度热流

48、密度热流密度电容率电容率电介质中的电位移与电场强度之比电介质中的电位移与电场强度之比电场强度电场强度电位移电位移电导率电导率导体中电流密度与相应电场强度之比导体中电流密度与相应电场强度之比电场强度电场强度电流密度电流密度磁化率磁化率磁媒质的磁化强度与其磁场强度之比磁媒质的磁化强度与其磁场强度之比磁场强度磁场强度磁化密度磁化密度同一种类的亲和力与流之间的关系同一种类的亲和力与流之间的关系63量量子子现现象象：分分子子、原原子子、电电子子、光光子子、中中子子等等微微观观客客体体遵遵循循的的物物理理学学规规律律是是微微观观规规律律，它它所所具具有有的的各各种种现现象象，如如物物质质分分子子和和原原子

49、子的的能能量量是是离离散散跳跳跃跃的的、核核磁磁共共振振、隧隧道道效效应应、核核辐辐射等。射等。例例如如，量量子子尺尺寸寸效效应应：即即指指当当粒粒子子尺尺寸寸下下降降到到某某一一数数值值时时，费费米米能能级级附附近近的的电电子子能能级级由由准准连连续续变变为为离离散散能能级级或或者者能能隙隙变变宽宽的的现现象象。当当能能级级的的变变化化程程度度大大于于热热能能、光光能能、电电磁磁能能的的变变化化时时，导导致致了了纳纳米米微微粒粒磁磁、光光、声声、热热、电电及及超超导导特特性性与与常常规材料有显著的不同。规材料有显著的不同。3.3.量子现象量子现象64 例如，外光电效应：例如，外光电效应：在在

50、光光的的照照射射下下，物物质质内内部部的的电电子子受受到到光光子子的的作作用用，吸吸收收光光子子能能量量而而从从表表面面释释放放出出来来的的现现象象，称称为为外外光光电电效效应应，被被释释放放的的电子称为光电子，所以又称光电子发射效应。电子称为光电子，所以又称光电子发射效应。它是在它是在18871887年由德国人赫兹首先发现的。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。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。65 例如，内光电效应：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