Xie-第二章(2)-傳感器的理論基礎(chǔ)

主講：謝榕武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院Email:xierong2008@傳感器原理及其應(yīng)用第二章傳感及傳感基礎(chǔ)（2）

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傳感器的理論基礎(chǔ)內(nèi)容提要：信息獲取與信息感知自然規(guī)律與傳感器傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)傳感器的新型敏感材料彈性敏感元件2.1信息獲取與信息感知信息獲取傳感器基礎(chǔ)理論1.信息獲取信源：自然信源、社會信源、知識信源。自然信源物理、化學(xué)、生物、天體和地學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的自然信息獲取方法：傳感器或傳感檢測系統(tǒng)與設(shè)備社會信源經(jīng)濟、政治、金融、管理和市場等各種信息獲取方法：社會調(diào)查，并經(jīng)數(shù)學(xué)方法處理知識信源古今中外存留下來的知識和專家的經(jīng)驗中包含的大量信息獲取方法：依靠各種記錄媒介和知識工程方法傳感器的基本任務(wù)：信息感知信息感知：遵循一定的規(guī)律將信源的信號轉(zhuǎn)換成便于識別和分析處理的物理量或信號。傳感器應(yīng)該滿足的必需條件：2.傳感器涉及的基礎(chǔ)理論傳感技術(shù)正在成為多學(xué)科傳感理論基礎(chǔ)自然界普遍適用的自然規(guī)律物質(zhì)相互作用的效應(yīng)原理及功能材料測量與誤差理論信息論、系統(tǒng)論與控制論非線性科學(xué)理論相關(guān)學(xué)科的定理、方法及其最新成果自然規(guī)律是傳感技術(shù)的理論依據(jù)自然界普遍適用的自然規(guī)律物質(zhì)相互作用的效應(yīng)原理實現(xiàn)效應(yīng)的功能材料相關(guān)技術(shù)學(xué)科的前沿技術(shù)自然界普遍適用的自然規(guī)律守恒定律能量守恒定律動量守恒定律電荷守恒定律場的定律動力場的運動規(guī)律電磁場感應(yīng)定律光的電磁場干涉定律物質(zhì)定律力學(xué)、熱學(xué)、梯度流動的傳輸和量子現(xiàn)象統(tǒng)計物理學(xué)法則2.2自然規(guī)律與傳感器守恒定律場的定律物質(zhì)定律統(tǒng)計物理學(xué)法則1.守恒定律守恒定律能量守恒動量守恒電荷守恒利用守恒定律可以構(gòu)成傳感器?；緶y量原理以能量守恒定律、伯努利方程和流動連續(xù)性方程為基礎(chǔ)。伯努利方程關(guān)于密封管路中無粘性流體流動的能量守恒定律。伯努利方程定理：流體在忽略粘性損失的流動中，流線上任意兩點的壓力勢能、動能與位勢能之和保持不變。應(yīng)用：流速計、流量計、虹吸管、抽水機等其中，si-橫截面積；vi-速度；pi-壓強；hi-高度；-流體密度皮托管1732年由法國工程師皮托首創(chuàng)。測量流速的常用儀器。用來測量運動流體內(nèi)任一點流速的儀器。2.場的定律法拉第首先提出磁力線、電力線的概念，在電磁感應(yīng)、電化學(xué)、靜電感應(yīng)研究中進一步深化和發(fā)展力線思想，并第一次提出場的思想，建立電場、磁場概念。其后，經(jīng)典電磁場論（麥克斯韋、赫茲）得到確立。在經(jīng)典電磁學(xué)的建立與發(fā)展過程中，形成電磁場概念。MichaelFaraday（1791—1867）物理場某一空間范圍及其各種事物分布狀況的總稱。磁場、電場、重力場、光電磁場、聲場、熱場等空間中存在的一種物理作用或效應(yīng)。場的定律物體在空間排列和分布狀態(tài)與某一時刻作用有關(guān)的客觀規(guī)律電磁場感應(yīng)定律、光電磁場干涉現(xiàn)象、動力場運動定律等基本原理導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動勢的大小與穿過回路的磁通量的變化率d/dt成正比

，即當(dāng)線圈以速度v垂直于磁場運動時，由于切割磁力線，在線圈中產(chǎn)生與運動速度成正比的感應(yīng)電動勢為：=-BlvN

其中，B-磁感應(yīng)強度；l-每匝線圈平均長度；N-線圈匝數(shù)磁電感應(yīng)式傳感器：自感式傳感器、互感式傳感器、感應(yīng)同步器和電渦流式傳感器等用途：測量位移、運動速度、振動等物理量電磁感應(yīng)定律靜電場中兩平行電極板間的電容量C為：

其中，-電極間距離；s有效相對面積；-介電常數(shù)兩極板相對移動時，C的變化量為：電容傳感器：位移傳感器等基本原理光的直線傳播定律光的干涉現(xiàn)象、光的衍射現(xiàn)象、光的偏振現(xiàn)象光的多普勒效應(yīng)應(yīng)用：影像、干涉、衍射、偏振、光柵、光碼盤等傳感器和測量裝置基本原理光電磁場基本定律3.物質(zhì)定律物質(zhì)定律各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)定律、法則、規(guī)律等。通常以固有的物理常數(shù)加以描述。如胡克定律，歐姆定律、各種效應(yīng)等。與物質(zhì)所固有的物理常數(shù)有關(guān)的現(xiàn)象：熱平衡現(xiàn)象傳輸現(xiàn)象量子現(xiàn)象熱平衡現(xiàn)象：系統(tǒng)在無外界影響的條件下，即外界對系統(tǒng)既不作功，又不傳熱的情況下，系統(tǒng)各個部分之間的能量以熱量的形式而不是以功的形式進行交換，經(jīng)過一定時間后，系統(tǒng)各部分將達到一種宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)的物理量用幾何參量、力學(xué)參量、電磁參量和化學(xué)參量四類狀態(tài)量來定量描述?；疚锢砹渴悄芰?。狀態(tài)量分為：示強變量：溫度、壓力、電場強度、磁場強度等示容變量：能量、熵、位移等熱平衡現(xiàn)象麥克斯韋關(guān)系式設(shè)示容變量為xi，對應(yīng)示強變量為Xi，則能量為：當(dāng)若干個xi有微小變化，則系統(tǒng)能量變化為：xj表示除xi外的容量狀態(tài)量保持固定條件，某個強度量對應(yīng)容量狀態(tài)量的關(guān)系。熱力學(xué)原理（熱力學(xué)第一定律）系統(tǒng)由能量U的平衡狀態(tài)變化到的U+dU平衡狀態(tài)時，其變化與所取得微分途徑無關(guān)，即同理：如果有若干個示強變量Xi發(fā)生微小變化，使系統(tǒng)能量變化，系統(tǒng)在能量變化前和變化后均處于熱平衡狀態(tài)，則麥克斯韋關(guān)系式可寫成：

其中，k表示除Xi，Xj以外強度量保持固定不變示強變量易測量，大小也易調(diào)整（溫度、壓力、磁場強度等），所以實踐中通常以示強變量作為獨立變量予以測量?；騻鬏敩F(xiàn)象：當(dāng)系統(tǒng)中存在強度量的差或梯度時，相應(yīng)的廣延量隨時間而變化，即廣延量的流動。導(dǎo)體兩端有電位差時，就有電流流動物體有溫度差時，就有熱流流動電容兩端有電位差時，就有電荷積累等使相應(yīng)廣延量流動的強度量的差或梯度可視為一種力，稱之為親和力或親和勢。傳輸現(xiàn)象利用一次效應(yīng)可以直接制成各種傳感器。同一種類的親和力和流之間的關(guān)系不能直接用于傳感器中，但是利用它們與其他狀態(tài)量的關(guān)系，仍可制成各種傳感器，這種現(xiàn)象稱為傳輸現(xiàn)象的二次效應(yīng)。量子現(xiàn)象的定義：分子、原子、電子、光子、中子等微觀客體遵循的物理學(xué)規(guī)律是微觀規(guī)律，所具有的各種現(xiàn)象，如物質(zhì)分子和原子的能量是離散跳躍的、核磁共振、隧道效應(yīng)、核輻射等。量子理論：微觀領(lǐng)域結(jié)構(gòu)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運動規(guī)律。量子現(xiàn)象：量子尺寸效應(yīng)、光電效應(yīng)核磁共振、約瑟夫遜效應(yīng)量子現(xiàn)象量子現(xiàn)象：量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。當(dāng)能級的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時，導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特性與常規(guī)材料有顯著的不同。量子現(xiàn)象：光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)部的電子受到光子的作用，吸收光子能量而從表面釋放出來的現(xiàn)象。在1887年由德國人赫茲首先發(fā)現(xiàn)的?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)：在光的照射下，物質(zhì)吸收入射光子的能量，在物質(zhì)內(nèi)部激發(fā)載流子，但這些載流子仍留在物質(zhì)內(nèi)部，從而增加物體導(dǎo)電性或產(chǎn)生電動勢、光電流的現(xiàn)象。量子現(xiàn)象：磁共振磁共振：對原子、分子施加磁場影響加劇材料內(nèi)部電子的熱振，改變材料原來的能量狀態(tài)，使磁場以某一特定頻率變化產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。應(yīng)用：磁場傳感器、溫度傳感器磁共振成像(MRI)掃描顯示：腫瘤位于患者大腦底部。量子現(xiàn)象：約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)：超導(dǎo)體的一種量子干涉效應(yīng)。在兩塊超導(dǎo)體之間放置厚度約為10-9m的極薄的絕緣層，組成約瑟夫結(jié)或稱超導(dǎo)隧道結(jié)。由于絕緣層厚度遠比超導(dǎo)電子相干長度（可達10-6m）小得多，所以絕緣層兩側(cè)超導(dǎo)電子間就會發(fā)生耦合，呈現(xiàn)出超導(dǎo)電流的量子干涉現(xiàn)象，即約瑟夫遜效應(yīng)。利用各種物質(zhì)定律構(gòu)成物性型傳感器。主要性能在很大程度上受相應(yīng)的物理常數(shù)或化學(xué)、生物特性所決定。

也與物質(zhì)的材料密切相關(guān)。利用半導(dǎo)體物質(zhì)具有的壓阻、熱阻、光阻、濕阻和霍爾等效應(yīng)，可分別制成力、壓力、溫度、光強、濕度和磁場等傳感器。利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)可制成壓電式、聲表面波和超聲波等傳感器。利用生物、化學(xué)敏感特性制成生物、化學(xué)傳感器等。物性型傳感器的特點構(gòu)造簡單、體積小、無可動部件、反應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易集成4.統(tǒng)計物理學(xué)法則觀測發(fā)現(xiàn)，在一定宏觀條件下，大量的微觀粒子的集體運動遵循著一種統(tǒng)計規(guī)律。統(tǒng)計物理學(xué)通過對大量微觀粒子運動規(guī)律的研究來解釋物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。統(tǒng)計物理學(xué)認(rèn)為：所有宏觀上可觀測的物理量都是相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計平均值，許多看似雜亂無章的微觀運動表現(xiàn)出統(tǒng)計規(guī)律性。奈奎斯特定理：由統(tǒng)計物理可知，電子熱運動的漲落，在電阻R的兩端產(chǎn)生熱噪聲的電位波動。電阻R兩端的熱噪聲電壓Un的方均值為：ūn2=4kRfT

其中，k-波耳茲曼常數(shù)；T-熱力學(xué)溫度；f-熱噪聲的頻帶寬度。熱噪聲傳感器：利用熱噪聲電壓和熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，可直接用來測量熱力學(xué)溫度，制作標(biāo)準(zhǔn)溫度計。測溫范圍寬，可在高溫高壓下，甚至在原子反應(yīng)堆的放射線等惡劣環(huán)境下使用。由于熱噪聲的頻帶寬度不易正確測定，目前多采用與基準(zhǔn)噪聲電壓相比較的方法來測量溫度。UrUnSRr(Tr)R(Tx)U2∫Δ被測溫度基準(zhǔn)溫度自然規(guī)律與傳感器反映自然規(guī)律的定律一般用物理方程給出。這些方程是某些傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。與定律有關(guān)參數(shù)通常與具體物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)，與物質(zhì)在空間的位置及分布狀態(tài)與某時刻的作用有關(guān)。小結(jié)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)(光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng))電光效應(yīng)泡克耳斯效應(yīng)克爾效應(yīng)光彈效應(yīng)電致發(fā)光效應(yīng)電致變色效應(yīng)磁光效應(yīng)法拉第效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)科頓-穆頓效應(yīng)塞曼效應(yīng)光磁效應(yīng)磁電效應(yīng)霍爾效應(yīng)磁阻效應(yīng)巨磁阻效應(yīng)熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)珀耳貼效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)熱釋電效應(yīng)壓電

、壓阻和磁致伸縮效應(yīng)壓電效應(yīng)（正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)）電致伸縮效應(yīng)壓阻效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)（磁致伸縮效應(yīng)、逆磁致伸縮效應(yīng)、威德曼效應(yīng)）約瑟夫遜效應(yīng)與核磁共振約瑟夫遜效應(yīng)（隧道效應(yīng)、直流約瑟夫遜效應(yīng)、交流約瑟夫遜效應(yīng)核磁共振光的多普勒效應(yīng)與薩克納克效應(yīng)光的多普勒效應(yīng)薩克納克效應(yīng)聲音多普勒效應(yīng)與聲電、聲光效應(yīng)聲音多普勒效應(yīng)聲電效應(yīng)聲光效應(yīng)磁聲效應(yīng)與化學(xué)有關(guān)的效應(yīng)科頓效應(yīng)中性鹽效應(yīng)電泳效應(yīng)彼德效應(yīng)貝克。納贊效應(yīng)飽和效應(yīng)努森效應(yīng)納米效應(yīng)表面效應(yīng)與界面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)物質(zhì)效應(yīng)2.3傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)與物理有關(guān)的效應(yīng)光電效應(yīng)定義：某些物質(zhì)在光的作用下電特性發(fā)生變化的現(xiàn)象。光電效應(yīng)現(xiàn)象.flv分類外光電效應(yīng)Externalphotoelectriceffect內(nèi)光電效應(yīng)Internalphotoelectriceffect光電導(dǎo)效應(yīng)Photoconductiveeffect光生伏特效應(yīng)Photovoltaiceffect應(yīng)用：…現(xiàn)象發(fā)生在物體表面現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部光電效應(yīng)規(guī)律.flv在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)部的電子受到光子的作用，吸收光子能量而從表面釋放出來的現(xiàn)象。應(yīng)用：光電管、光電倍增管外光電效應(yīng)在光的照射下，物質(zhì)吸收入射光子的能量，在物質(zhì)內(nèi)部激發(fā)載流子，但這些載流子仍留在物質(zhì)內(nèi)部，從而增加物體導(dǎo)電性或產(chǎn)生電動勢、光電流的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：某些物體受到光照射時，其內(nèi)部原子釋放的電子留在內(nèi)部而使物體的導(dǎo)電性增加、電阻值下降的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：物體在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。

例：“光機鼠”根據(jù)工作原理，鼠標(biāo)大致可分為機械式、光學(xué)機械式、光電式以及軌跡球、無線等類型?！肮鈾C鼠”-光學(xué)機械式的鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)：鼠標(biāo)內(nèi)有一個圓的實心的橡皮球，其上下方向和左右方向各有一個轉(zhuǎn)輪和它相接觸，兩個轉(zhuǎn)輪各連接著一個光柵輪，光柵輪的兩側(cè)各有一個發(fā)光二級管和光敏三極管。鼠標(biāo)移動時，光敏三級管感受光線的變化，由于光電效應(yīng)，反應(yīng)出電學(xué)上的相應(yīng)變化，并把電信號傳輸?shù)绞髽?biāo)內(nèi)的控制芯片，由芯片將鼠標(biāo)的變化數(shù)據(jù)傳給電腦，控制鼠標(biāo)箭頭移動。發(fā)光二極管產(chǎn)生光機鼠工作時所需光源，光敏三極管負(fù)責(zé)接收光，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。把移動距離及方向的位置信息變成脈沖傳給計算機，再由計算機把脈沖轉(zhuǎn)換成鼠標(biāo)光標(biāo)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以達到指示位置的目的。電光效應(yīng)定義：物質(zhì)的光學(xué)特性受外電場的影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象。包括泡克耳斯效應(yīng)Pockelseffect克爾效應(yīng)Kerreffect光彈效應(yīng)Photoelasticeffect電致發(fā)光效應(yīng)ElectroLuminescenceeffect電致變色效應(yīng)Electrochromiceffect應(yīng)用：…一些晶體在縱向電場（電場方向與光的傳播方向一致）作用下會改變其各向異性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射現(xiàn)象。泡克耳斯效應(yīng)雙折射現(xiàn)象.flv壓電材料：磷酸二氫鉀等應(yīng)用：電光調(diào)制器或電光開關(guān)等光照射具有各向同性的透明物質(zhì)(如玻璃，石蠟，水，硝基苯等)（也可以是液體），在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發(fā)生雙折射現(xiàn)象，即一束入射光變成尋常和異常兩束出射光?？藸栃?yīng)應(yīng)用：光閘，高速攝影、光纖、激光技術(shù)等把液體裝在玻璃容器中，外加電場通過平行板電極作用在液體上，光垂直于電場方向通過玻璃容器，以觀察克爾效應(yīng)。這種裝置稱為克爾盒。又稱為應(yīng)力雙折射效應(yīng)某些非晶體物質(zhì)（如環(huán)氧樹脂、玻璃）在機械力的作用下，彈性體的折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)的效應(yīng)。應(yīng)可用于研究機械零件、建筑構(gòu)件等物體內(nèi)部應(yīng)力的情況?？芍瞥蓧毫?、振動、聲響傳感器。光彈效應(yīng)某些固態(tài)晶體（如高純度鍺、硅和砷化鎵等化合物半導(dǎo)體）在光和外加電場作用下發(fā)出冷光（指熒光和磷光）的現(xiàn)象；某些固態(tài)晶體（如磷化鎵、磷化銦等）無需外加激發(fā)光而在外加電場作用下即可發(fā)光的現(xiàn)象。實質(zhì)：將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程。電致發(fā)光顯示特點：主動發(fā)光冷光源，面發(fā)光且亮度均勻無光斑，功耗小，壽命長（大于5000h），工作溫度范圍寬(－40~+70℃)，超薄，可根據(jù)要求任意剪裁形狀和尺寸，其抗沖擊性、抗震動性好。應(yīng)用：LCD模塊、手提電話、IC卡電話機、磁卡電話、電池供電的顯示屏、BP機、手表、汽車儀表板、音響及電視遙控器，手持GPS接收器、便攜式計算機等的主動顯示或背光顯示。電致發(fā)光效應(yīng)電致發(fā)光繩室內(nèi)裝潢模型.flv20世紀(jì)初，虞瑟福發(fā)現(xiàn)SiC晶體在電場作用下發(fā)光現(xiàn)象；50年代，人們將硫化鋅和有機介質(zhì)涂敷在透明導(dǎo)電玻璃上，再做上電極，加上交流電壓，實現(xiàn)穩(wěn)定的電致發(fā)光；1981年開發(fā)出薄膜電致發(fā)光顯示器件。材料在交替的高低或正負(fù)外電場的作用下，通過注入或抽取電荷（離子或電子），在低透射率的致色狀態(tài)或高透色率的消色狀態(tài)之間產(chǎn)生可逆變化的一種特殊現(xiàn)象，在外觀性能上表現(xiàn)為顏色及透明度的可逆變化。應(yīng)用：信息顯示器件、電致變色靈巧窗、無眩反光鏡、電色儲存器件等電致變色效應(yīng)磁光效應(yīng)定義：置于外磁場的物體，在光和外磁場的作用下，其光學(xué)特性（如吸光特性、折射率）發(fā)生變化的現(xiàn)象。反映光與物質(zhì)磁性間的聯(lián)系。分類法拉第效應(yīng)Faradayeffect磁光克爾效應(yīng)Magneto-opticalKerreffect科頓-穆頓效應(yīng)Cotton-Moutoneffect塞曼效應(yīng)Zeemaneffect光磁效應(yīng)Magneto-opticaleffect磁光效應(yīng).flv1845年，法拉第在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束線偏振光通過非旋光性介質(zhì)時，如果在介質(zhì)中沿光傳播方向加一外磁場，則光通過介質(zhì)后，光振動（指電矢量）的振動面轉(zhuǎn)過一個角度θ，磁場使介質(zhì)產(chǎn)生旋光性的現(xiàn)象。法拉第效應(yīng)第一次顯示了光和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促進了對光本性的研究。之后費爾德（Verdet）對許多介質(zhì)的磁致旋光進行了研究，發(fā)現(xiàn)了法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)實驗裝置：由光源產(chǎn)生的復(fù)合白光通過小型單色儀后可以獲得波長在360～800nm的單色光，經(jīng)過起偏鏡成為單色線偏振光，然后穿過電磁鐵。電磁鐵采用直流供電，中間磁路有通光孔，保證入射光與磁場方向一致。根據(jù)勵磁電流的大小可以求得對應(yīng)的磁場值。入射光穿過樣品后從電磁鐵的另一極穿出入射到檢偏器上，透過檢偏器的光進入光電倍增管，由數(shù)顯表顯示光電流的大小，即出射光強的大小。入射的線偏振在已磁化的物質(zhì)表面發(fā)射時，振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。磁光克爾效應(yīng)原理：克爾磁光效應(yīng)分極向、縱向和橫向三種，分別對應(yīng)物質(zhì)的磁化強度與反射表面垂直、與表面和入射面平行、與表面平行而與入射面垂直三種情形。極向和縱向磁致旋光都正比于磁化強度，一般極向效應(yīng)最強，縱向次之，橫向則無明顯磁致旋光。極向橫向縱向三種磁光克爾效應(yīng)最重要應(yīng)用是觀察鐵磁體的磁疇。不同磁疇有不同自發(fā)磁化方向，引起反射光振動面的不同旋轉(zhuǎn)，通過偏振片觀察反射光時，將觀察到與各磁疇對應(yīng)的明暗不同的區(qū)域。用此方法還可對磁疇變化作動態(tài)觀察。1907年A.科頓和H.穆頓在液體中發(fā)現(xiàn)。光在透明介質(zhì)中傳播時，若在垂直于光的傳播方向上加一外磁場，則介質(zhì)表現(xiàn)出單軸晶體的性質(zhì)，光軸沿磁場方向，主折射率之差正比于磁感應(yīng)強度的平方。此效應(yīng)也稱磁致雙折射?？祁D-穆頓效應(yīng)原理：當(dāng)光的傳播方向與磁場垂直時，平行于磁場方向的線偏振光的相速不同于垂直于磁場方向的線偏振光的相速而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。當(dāng)光源放在足夠強的磁場中時，光源發(fā)出的每條光譜線都分裂成若干條偏振化的光譜線，分裂的譜線條數(shù)隨能級的類別而不同的現(xiàn)象。塞曼效應(yīng)是研究原子結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。在天體物理中，塞曼效應(yīng)被用來測量天體磁場及星際磁場。因變化量極小，難用于傳感器，但可用于激光穩(wěn)頻，制成雙頻激光器。塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)-引言、實驗原理.flv在光輻射情況下，物質(zhì)的磁性（如磁化率、磁晶各向異性、磁滯回線等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。光磁效應(yīng)是光感生的磁性變化光磁效應(yīng)例：“光電池”密歇根大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)光也能產(chǎn)生巨大的磁效應(yīng)，有望開發(fā)出存儲太陽能的“光電池”，替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體太陽能電池。這種制造“光電池”的方法可能推翻物理學(xué)的百年教條。光具有電性和磁性，但一直以來，科學(xué)家認(rèn)為光的磁場效應(yīng)非常弱，可以被忽略。在傳統(tǒng)太陽能電池中，光進入材料被吸收，產(chǎn)生熱量分離電荷。在我們的方法中，光不是被吸收，而是將能量存儲在磁矩中，這將帶來一種不需要半導(dǎo)體的新型太陽能電池，熱負(fù)荷很低。強光也能產(chǎn)生很高的磁感應(yīng)強度，最終提供一種類似電容供電器的光容式電源。光電池DIY.mp4磁電效應(yīng)將材質(zhì)均勻的金屬或半導(dǎo)體通電并置于磁場中產(chǎn)生各種物理變化。分類霍爾效應(yīng)Halleffect磁阻效應(yīng)Magneto-resistiveeffect巨磁阻效應(yīng)GiantMagneto-resistiveeffect當(dāng)電流垂直于外磁場的方向通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片時，在薄片垂直與電流和磁場方向的兩側(cè)表面之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象?；魻栃?yīng)霍爾效應(yīng)傳感器.flv應(yīng)用：用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。原理：同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。在達到穩(wěn)態(tài)時，某—速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。分類：橫向磁阻效應(yīng)（外加磁場與外加電場垂直）、縱向磁阻效應(yīng)若（外加磁場與外加電場平行）應(yīng)用：磁傳感、磁力計、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領(lǐng)域。磁阻效應(yīng)磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。一種量子力學(xué)效應(yīng)?？梢栽诖判圆牧虾头谴判圆牧舷嚅g的薄膜層（幾個納米厚）結(jié)構(gòu)中觀察到。這種結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關(guān)，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大于磁化方向相同時的電阻值，電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。被成功運用在硬盤生產(chǎn)上，具有重要的商業(yè)應(yīng)用價值。巨磁阻效應(yīng)熱電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)定義：溫差轉(zhuǎn)換成電的物理效應(yīng)分類塞貝克效應(yīng)Seebeckeffect珀耳貼效應(yīng)Peltiereffect湯姆遜效應(yīng)Thomsoneffect熱釋電效應(yīng)Pyroelectriceffect應(yīng)用又稱為第一熱電效應(yīng)在兩個金屬A和B組成的賄賂中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中出現(xiàn)電流的現(xiàn)象。塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)_可以為手機充電的靴子.flv又稱為第二熱電效應(yīng)兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產(chǎn)生溫差。珀耳貼效應(yīng)物理解釋：電荷載體在導(dǎo)體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當(dāng)它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。又稱為第三熱電效應(yīng)用同一種金屬繞成回路，其中一側(cè)的溫度保持為T1℃，另一側(cè)的溫度保持為(T1+T)℃，此時，若回路中通過的電流為I時，則回路的溫度轉(zhuǎn)折處m點附近會產(chǎn)生比例于IT吸熱或放熱現(xiàn)象。湯姆遜效應(yīng)晶體受熱產(chǎn)生溫度變化，其原子排列發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷現(xiàn)象。由熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。常用材料：單晶體、壓電陶瓷、高分子薄膜應(yīng)用：紅外探測器件、輻射和非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、工業(yè)自動控制、課件技術(shù)及紅外攝像等熱釋電效應(yīng)壓電效應(yīng)定義：某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用，在其一定的兩個表面產(chǎn)生異號電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)的現(xiàn)象。原理：機械能與電能互換的現(xiàn)象。晶格內(nèi)原子間特殊的排列方式，使得材料有應(yīng)力場與電偶的效應(yīng)。FF極化面Q壓電介質(zhì)機械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)分類正壓電效應(yīng)：由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男?yīng)。逆壓電效應(yīng)：由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的效應(yīng)。正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)應(yīng)用：壓電傳感器由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男?yīng)。原理：當(dāng)對壓電材料施加外力，材料體內(nèi)的電偶極矩會因壓縮而變短，壓電材料為抵抗變化會在材料表面產(chǎn)生正負(fù)電荷，以保持原狀。正壓電效應(yīng)分類：縱向壓電效應(yīng)：電位差與壓力方向一致橫向壓電效應(yīng)：電位差與壓力方向垂直切向壓電效應(yīng)：在一定的方向上施加切應(yīng)力連接+Q和–Q兩個點電荷的直線稱為電偶極子的軸線，從–Q指向+Q的矢徑l和電量Q的乘積定義為電偶極子的電矩，也稱電偶極矩，通常用矢量p表示。即:p=Ql由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的效應(yīng)。當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場時，某些介質(zhì)在一定方向上將產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力。當(dāng)外電場撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消失。逆壓電效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)電介質(zhì)材料在電場作用下，發(fā)生與電場強度的平方成比例的應(yīng)變現(xiàn)象。都是電能轉(zhuǎn)換成機械能的效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)與電場方向無關(guān)，應(yīng)變大小與電場強度的平方成正比。逆壓電效應(yīng)與電場方向有關(guān)，應(yīng)變大小與電場強度成正比；當(dāng)外加電場反向時，產(chǎn)生的應(yīng)變也同時反向。材料：鐵電陶瓷應(yīng)用：制成微位移計用于精密機械、光學(xué)顯微鏡、天文望遠鏡和自動控制等。與逆壓電效應(yīng)的異同?壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料（如硅、鍺等）收到外力或應(yīng)力作用時，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。原理：在外力作用下，原子點陣排列發(fā)生變化，晶格間距改變、禁帶寬度變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度變化，從而引起電阻率變化。與材料類型、晶體取向、摻雜濃度及溫度有關(guān)。應(yīng)用：壓阻式傳感器等禁帶寬度是一個能帶寬度(單位是電子伏特)。要導(dǎo)電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶，被束縛電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量以躍遷到導(dǎo)帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。物理學(xué)中，可以自由移動的帶有電荷的物質(zhì)微粒，如電子和離子。磁致伸縮效應(yīng)某些鐵磁體、合金和鐵氧體，其磁場與機械變形相互轉(zhuǎn)換的種種現(xiàn)象。分類磁致伸縮效應(yīng)Magnetostrictiveeffect逆磁致伸縮效應(yīng)Inversemagnetostrictiveeffect威德曼效應(yīng)Wiedemanneffect應(yīng)用：鐵磁體在被外磁場磁化時，其體積和長度將發(fā)生變化的現(xiàn)象。原理：分類：線性磁致伸縮：磁體在磁場中磁化時，在磁化方向伸長或縮短體積磁致伸縮：由外加磁場的磁化而引起鐵磁體的體積變化。磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮材料在外力（如應(yīng)力、應(yīng)變）作用下，引起內(nèi)部發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動，磁疇磁化強度矢量轉(zhuǎn)動，從而使材料的磁化強度和磁導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。原理：各磁疇中存在磁致伸縮效應(yīng)，在外力作用下，為使應(yīng)力和磁致伸縮作用的彈性作用的彈性性能為最小，磁疇中的磁化方向也隨之改變，從而改變了磁化狀態(tài)。逆磁致伸縮效應(yīng)威德曼效應(yīng)WiedemannEffect給鐵磁體同時施加縱向磁場和環(huán)形磁場，桿件除長度發(fā)生變化外，還同時產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)的一個特例。應(yīng)用：扭矩傳感器、力傳感器等。威德曼效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)JosephsonEffect原理：超導(dǎo)體的一種量子干涉效應(yīng)。在兩塊超導(dǎo)體之間放置厚度約為10-9m極薄的絕緣層，組成約瑟夫結(jié)。由于絕緣層厚度遠比超導(dǎo)電子相干長度小得多，在絕緣層兩側(cè)超導(dǎo)電子間發(fā)生耦合，呈現(xiàn)超導(dǎo)電流量子干涉現(xiàn)象。Fig.Josephsoneffect(a)Novoltagedropwhensuperconductorisbroughtintothecircuit(b)whenthickdielectricseparatesthesuperconductors,currentincircuitiszero(voltmetershowsbatteryemf)(c)whendistancebetweenthesuperconductorsissmall(~10?)thereisasuperconductioncurrent(direct-currentJosephsoneffect);(d)electromagneticradiationariseswithacurrentflowinginthecircuitandavoltageacrosstheJosephsoncontact(alternating-currentJosephsoneffect).分類：隧道效應(yīng)直流約瑟夫遜效應(yīng)交流約瑟夫遜效應(yīng)無電壓無電流有電流電磁輻射在兩金屬片之間夾有極薄的絕緣層（如氧化膜），當(dāng)兩端施加直流電壓時，回路就有電流產(chǎn)生，即有電流通過絕緣層。原理：隧道效應(yīng)約瑟夫遜結(jié)在不外加電壓或磁場時，有直流電流通過絕緣層，即超導(dǎo)電流能無電阻地通過極薄的絕緣層的現(xiàn)象。原理：直流約瑟夫遜效應(yīng)應(yīng)用：超導(dǎo)體環(huán)可測量如人體心臟和腦活動所產(chǎn)生的微小磁場變化。約瑟夫遜結(jié)能夠吸收和發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。分類：加以直流電壓輻射電磁波：加以直流和交流電壓輸出直流電流：交流約瑟夫遜效應(yīng)與物質(zhì)磁性和磁場有關(guān)的共振現(xiàn)象。對原子、分子施加磁場影響加劇材料內(nèi)部電子的熱振，改變材料原來的能量狀態(tài)，使磁場以某一特定頻率變化產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。應(yīng)用：磁場傳感器、溫度傳感器磁共振成像(MRI)掃描顯示：腫瘤位于患者大腦底部。手術(shù)中核磁共振的應(yīng)用.mp4核磁共振原理.flv核磁共振聲音、聲電、聲光效應(yīng)聲音多普勒效應(yīng)AcousticalDopplerEffect聲電效應(yīng)Acousto-electricEffect聲光效應(yīng)Acousto-opticEffect磁聲效應(yīng)Magnetic-acoustoEffect原理：當(dāng)聲源和觀察者在連續(xù)介質(zhì)中有相對運動時，觀察者接收到的聲波頻率與聲源發(fā)生的頻率不同，兩者靠近時頻率升高，遠離時頻率降低。聲音多普勒效應(yīng)在候車室里如何根據(jù)汽笛聲來判定火車是進站還是出站？汽笛聲音越來越尖時火車進站；反之出站。由于火車相對于候車室運動時，發(fā)出的聲音產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，進站時候車室聽到的聲音的頻率會比實際的要大，所以很尖；出站時相反。應(yīng)用：超聲波傳感器，用以檢查人體活動器官（如心臟、血管）的活動等聲音多普勒效應(yīng).swf多普勒效應(yīng).flv通過在半導(dǎo)體中傳播的聲波的作用產(chǎn)生電動勢現(xiàn)象。原理：當(dāng)聲波(縱波)在半導(dǎo)體中傳播時，將產(chǎn)生額外的周期性勢場波（波的周期與聲波相同）：在原子半導(dǎo)體中，聲波產(chǎn)生畸變勢周期性勢場（波幅較?。?。在壓電半導(dǎo)體中，聲波產(chǎn)生壓電周期性電勢場（波幅很大）。如果這時有電子通過，當(dāng)電子的平均自由程比聲波的波長要小時，則電子將不斷遭受聲子的散射而損失能量，從而電子被聲波產(chǎn)生的周期性電勢場的波谷所俘獲；同時在聲波傳播時，電子被聲波勢場牽引著向前運動，產(chǎn)生電動勢，即聲波致電的效應(yīng)。材料：氧化鋅ZnO、砷化鎵GaAs等應(yīng)用：利用聲電效應(yīng)用于聲音發(fā)電，有效地節(jié)約電能。聲電效應(yīng)某些介質(zhì)在聲波作用下，光學(xué)特性（如折射率）發(fā)生改變的現(xiàn)象。原理：超聲波通過介質(zhì)時會造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個相位光柵。當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動的介質(zhì)時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。應(yīng)用：聲光器件，如聲光偏轉(zhuǎn)器、光調(diào)制器、聲光Q開關(guān)、光纖式聲傳感器聲光效應(yīng)磁性材料內(nèi)部由于自旋波（磁振子）和聲波（聲子）發(fā)生相互作用而在兩者之間產(chǎn)生能量交換或互相激發(fā)的現(xiàn)象。應(yīng)用：反鐵磁體磁聲效應(yīng)磁性材料的磁學(xué)性質(zhì)的一種。反鐵磁體相鄰電子自旋呈相反方向排列，其磁化率因而接近于零。1932年由LouisNéel首次發(fā)現(xiàn)。鉻、錳、輕鑭系元素等具有反鐵磁性。反鐵磁的磁聲效應(yīng)比鐵磁體更明顯，反鐵磁體中的磁彈性耦合可通過磁子晶格之間的交換作用而得到加強，進而導(dǎo)致一些非線性磁聲效應(yīng)（如倍頻、波形、諧波等）的出現(xiàn)。光效應(yīng)光的多普勒效應(yīng)薩古納克效應(yīng)Sagnaceffect當(dāng)光波源或觀察者相對于介質(zhì)運動時，觀察者所接收到的光波頻率不同于光波源的頻率兩者相接近時，接收到的頻率增大兩者相遠離時，接收到的頻率減小光的多普勒效應(yīng)光沿環(huán)形路徑行進，由于轉(zhuǎn)動引起光程差的現(xiàn)象。Sagnac效應(yīng)1913年薩格納克發(fā)明一種可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)形干涉儀。將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉，即薩格納克效應(yīng)。應(yīng)用：環(huán)形激光陀螺、光纖陀螺，用來測量角度或角速度。光線在通過不同介質(zhì)之后，兩段光線之間的差值。光程差與光的波長有著一定的關(guān)系。原理：與化學(xué)有關(guān)的效應(yīng)應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電化學(xué)現(xiàn)象以及根據(jù)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生各種信息（如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場效應(yīng)和質(zhì)量變化）基本化學(xué)效應(yīng)科頓效應(yīng)CottonEffect中性鹽效應(yīng)NeutralSaltEffect電泳效應(yīng)ElectrophoreticEffect彼德效應(yīng)BuddeEffect貝克-納贊效應(yīng)Baker-NathanEffect飽和效應(yīng)SaturationEffect努森效應(yīng)KnudsenEffect納米效應(yīng)1984年德國科學(xué)家Gleiter等人首次用惰性氣體（氦、氖、氬、氪、氙、氡）凝聚法成功地制得鈀Pd、銅Cu、

鐵Fe等鈉米微粒。納米材料：晶粒尺寸為納米級（10-9m）的超細材料納米材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性，如原本導(dǎo)電的銅到某一納米級界限就不導(dǎo)電原來絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級界限時開始導(dǎo)電化學(xué)惰性的金屬鉑制成納米微粒后，卻成為活性極好的催化劑國際單位制中，長度的標(biāo)準(zhǔn)單位是“米”，用符號“m”表示。1983年10月在巴黎召開的第十七屆國際計量大會上通過了米的新定義：“米是1／299792458秒的時間間隔內(nèi)光在真空中行程的長度”。其他長度單位：兆米(Mm)、千米(km)、分米(dm)、厘米(cm)、毫米(mm)、絲米(dmm)、忽米(cmm)、微米(μm)、納米(nm)、皮米(pm)、飛米(fm)、阿米(am)等。換算關(guān)系如下：長度單位：納米究竟有多長？1Mm=1×106m1km=1×103m1dm=1×10-1m1cm=1×10-2m1mm=1×10-3m1dmm=1×10-4m1cmm=1×10-5m1μm=1×10-6m1nm=1×10-9m1pm=1×10-12m1fm=1×10-15m1am=1×10-18m四大基本效應(yīng)：表面效應(yīng)Surfaceeffect小尺寸效應(yīng)Smallsizeeffect量子尺寸效應(yīng)Quantumsizeeffect宏觀量子隧道效應(yīng)Macroscopicquantumtunnelingeffect應(yīng)用：納米微粒表面積大、敏感度高使其成為應(yīng)用于傳感器的最有前途的材料。利用納米微粒表面有效反應(yīng)中心相對較多的特點，可制成高效催化劑單磁疇結(jié)構(gòu)及高的矯頑力，可制作高性能和高密度化的磁場記錄納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。表面效應(yīng)粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時，表面原子數(shù)比例達到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。隨著顆粒尺寸的量變，在一定的條件下引起顆粒物理性質(zhì)的變化。原理：尺寸變小，其比表面積顯著增加，因而磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)特性、催化性、熔點等都較普通粒子發(fā)生很大變化，產(chǎn)生新奇特性：特殊的光學(xué)性質(zhì)：所有的金屬在超微粒狀態(tài)呈黑色特殊的熱學(xué)性質(zhì)：超細微化后熔點顯著降低特殊的磁學(xué)性質(zhì)：具有高矯頑力、超順磁性特殊的力學(xué)性質(zhì)：良好的韌性小尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。原理：當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、光能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能使，使其磁、光、聲、熱、超導(dǎo)性能與宏觀材料顯著不同。如納米金屬微粒在低溫下出現(xiàn)電絕緣性、吸光性。量子尺寸效應(yīng)當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子穿越勢壘的現(xiàn)象。宏觀量子隧道效應(yīng)物質(zhì)效應(yīng)某些物質(zhì)的物理性質(zhì)隨外界的作用而發(fā)生變化，產(chǎn)生物理、化學(xué)和生物等效應(yīng)以及物理現(xiàn)象。應(yīng)用：物性型傳感器Fig.物性型傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)小結(jié)傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)應(yīng)掌握以下幾點：效應(yīng)所產(chǎn)生的現(xiàn)象產(chǎn)生某效應(yīng)的基本原理效應(yīng)的分類利用某效應(yīng)選用的材料效應(yīng)的應(yīng)用光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)(光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng))電光效應(yīng)泡克耳斯效應(yīng)克爾效應(yīng)光彈效應(yīng)電致發(fā)光效應(yīng)電致變色效應(yīng)磁光效應(yīng)法拉第效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)科頓-穆頓效應(yīng)塞曼效應(yīng)光磁效應(yīng)磁電效應(yīng)霍爾效應(yīng)磁阻效應(yīng)巨磁阻效應(yīng)熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)珀耳貼效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)熱釋電效應(yīng)壓電

、壓阻和磁致伸縮效應(yīng)壓電效應(yīng)（正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)）電致伸縮效應(yīng)壓阻效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)（磁致伸縮效應(yīng)、逆磁致伸縮效應(yīng)、威德曼效應(yīng)）約瑟夫遜效應(yīng)與核磁共振約瑟夫遜效應(yīng)（隧道效應(yīng)、直流約瑟夫遜效應(yīng)、交流約瑟夫遜效應(yīng)核磁共振光的多普勒效應(yīng)與薩克納克效應(yīng)光的多普勒效應(yīng)薩克納克效應(yīng)聲音多普勒效應(yīng)與聲電、聲光效應(yīng)聲音多普勒效應(yīng)聲電效應(yīng)聲光效應(yīng)磁聲效應(yīng)與化學(xué)有關(guān)的效應(yīng)科頓效應(yīng)中性鹽效應(yīng)電泳效應(yīng)彼德效應(yīng)貝克。納贊效應(yīng)飽和效應(yīng)努森效應(yīng)納米效應(yīng)表面效應(yīng)與界面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)物質(zhì)效應(yīng)傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)與物理有關(guān)的效應(yīng)2.4傳感器的新型敏感材料傳感器的組成敏感元件基本轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換元件被測量中間量輸出電量敏感材料的工作機理敏感材料的類型與特性新型敏感材料敏感元件的作用：傳感器的核心器件，通過敏感材料的固有特性及相應(yīng)的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)，將被測量轉(zhuǎn)換為便于利用的物理量。敏感材料光電池DIY.flv1.敏感材料的工作機理傳感器的敏感機理是自然規(guī)律中各種定律、法則和效應(yīng)，而傳感器的具體實現(xiàn)則是依靠一些能有效表現(xiàn)這些規(guī)律、現(xiàn)象的各種功能材料以及它們的裝置。敏感材料的定義：用來制作敏感元件的基體材料，是對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布、酶等物理、化學(xué)、生物待測量的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯變化的功能材料。敏感材料的基本功能：從被測對象接收其所能反應(yīng)的光、聲、電、熱、磁、機械、化學(xué)等形式的能量信號，并轉(zhuǎn)換成電信號。材料一般有：光電、壓電、熱電、電化、電磁等功能轉(zhuǎn)換材料。2.敏感材料的類型與特性按結(jié)晶狀態(tài)單晶、多晶、非晶和微晶等按電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵金屬、陶瓷和聚合物按物理性質(zhì)超導(dǎo)體、導(dǎo)電體、半導(dǎo)體、介電體、鐵電體、壓電體、鐵磁體、鐵彈體、磁彈體等按形態(tài)分摻雜、微粉、薄膜、塊狀、纖維等敏感材料的分類按功能分力敏、壓敏、光敏、色敏、聲敏、磁敏、氣敏、濕敏、味敏、化學(xué)敏、生物敏、射線敏等按材料功能分導(dǎo)電材料、壓電材料、熱電材料、光電材料、磁性材料、透光和導(dǎo)光材料、發(fā)光材料、激光材料、非線性光學(xué)材料、光調(diào)制用材料、紅外材料、隱身材料、梯度功能材料、機敏材料和智能材料、納米材料、仿生材料等按材料成分金屬材料、無機和有機敏感材料的分類敏感材料的功能功能描述感知功能檢測和識別外界（或者內(nèi)部）的刺激強度響應(yīng)功能根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出反應(yīng)，并且反應(yīng)靈敏、及時和恰當(dāng)信息識別與積累功能識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累恢復(fù)功能當(dāng)外部刺激消除后，迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)智能功能自診斷、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)等智能功能選用合適的敏感材料是設(shè)計高性能傳感器的關(guān)鍵敏感材料的特征特征描述敏感性好靈敏系數(shù)高、響應(yīng)速度快、適用范圍寬、檢測精度高、動態(tài)特性好、輸出特性易于調(diào)整和補償、選擇性好等可靠性好耐熱、耐磨損、耐腐蝕、耐振動、耐過載等加工性好易成型、批量生產(chǎn)集成化、尺寸穩(wěn)定、互換性好等經(jīng)濟性好成本低、成品率高、性能/價格比高等如何選用敏感材料？3.新型敏感材料半導(dǎo)體敏感材料智能材料陶瓷材料壓電材料磁致伸縮材料形狀記憶材料納米材料半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)，電導(dǎo)率在10-3～10-9歐姆/厘米。電學(xué)性質(zhì)：與金屬依靠自由電子導(dǎo)電不同，半導(dǎo)體的導(dǎo)電借助于載流子（電子和空穴）的遷移來實現(xiàn)。對光、熱、電、磁等外界因素變化十分敏感，在其中摻入少量雜質(zhì)可控制其材料電導(dǎo)率。按化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類：元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體無定形半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體半導(dǎo)體敏感材料主要有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。50年代，鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，但其耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅材料取代。用硅制造的半導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件。硅已成為應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料，目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的。元素半導(dǎo)體單晶硅組成原子均按照一定的規(guī)則，周期性的排列效率高、性能穩(wěn)定多晶硅硅原子堆積方式不只一種，由多種不同排列方向的單晶所組成。制作簡單、成本較低非晶硅硅原子的排列非常紊亂，沒有規(guī)則可循。對光的吸收性強，但穩(wěn)定性較差，在強烈光線照射下會產(chǎn)生缺陷而導(dǎo)致電流下降，發(fā)生供電不穩(wěn)定的問題硅由兩種或兩種以上的元素化合而成。主要有砷化鎵、磷化銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。砷化鎵：制造微波器件和集成電路的重要材料碳化硅：抗輻射能力強、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好，在航天技術(shù)領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用?；衔锇雽?dǎo)體一種非晶體無定形半導(dǎo)體材料分類：氧化物玻璃、非氧化物玻璃性能：良好的開關(guān)和記憶特性和很強的抗輻射能力，主要用來制造閾值開關(guān)、記憶開關(guān)和固體顯示器件。無定形半導(dǎo)體有幾十種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等。有可能在有機電致發(fā)光、有機光電轉(zhuǎn)化、有機場效應(yīng)管、太陽能電池以及信息存貯器件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

。有機半導(dǎo)體智能材料新型復(fù)合材料，是繼天然材料、人造材料、精細材料之后的第四代功能材料。定義：具有感知內(nèi)外環(huán)境刺激，進行分析、處理、判斷、并采取一定的措施進行適度響應(yīng)的智能特征的材料。將高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)合在一起，賦予材料嶄新的性能，兼具傳感、調(diào)節(jié)驅(qū)動、處理執(zhí)行的功能，能隨著環(huán)境的變化而改變性能或形狀，使自身功能處于最佳狀態(tài)。智能材料是傳感技術(shù)與材料科學(xué)、信息處理與控制相融合的產(chǎn)物。智能材料的特征特征描述傳感功能感知外界或自身所處的環(huán)境條件反饋功能通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進行對比，并將結(jié)果提供給控制系統(tǒng)信息識別與積累功能識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來思考功能和預(yù)見功能在過去經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對來自傳感網(wǎng)絡(luò)的各種信息進行分析，并可預(yù)見未來將出現(xiàn)的情況響應(yīng)功能根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動自診斷能力通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正自修復(fù)能力通過自繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞自調(diào)節(jié)能力對不斷變化的外部環(huán)境和條件，及時地自動調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化做出恰如其分的響應(yīng)智能材料的構(gòu)成材料構(gòu)成作用主要材料基體材料擔(dān)負(fù)承載作用輕質(zhì)材料、高分子材料（重量輕、耐腐蝕、粘彈性）、金屬材料（輕質(zhì)有色合金為主）敏感材料擔(dān)負(fù)傳感任務(wù)，感知環(huán)境變化形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等驅(qū)動材料在一定條件下驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大應(yīng)變和應(yīng)力，擔(dān)負(fù)響應(yīng)和控制任務(wù)。形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等按功能來分光導(dǎo)纖維、形狀記憶、壓電、電流變體、電（磁）致伸縮材料等。按來源來分金屬系（形狀記憶合金、形狀記憶復(fù)合材料）無機非金屬系（電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料）高分子系（凝膠、膜材、粘合劑）。如：PVDF薄膜（聚偏二氟乙烯）做人工仿生皮膚，受外力或變形時，極化表面產(chǎn)生一定電荷。智能材料的分類陶瓷敏感材料傳統(tǒng)上說，是將粘土一類的物料經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)處理變成堅硬有用的多晶材料“陶瓷”？現(xiàn)代陶瓷：半導(dǎo)體以外的所有無機非金屬材料。用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的，由金屬和非金屬元素的無機化合物構(gòu)成的多晶固體材料。功能陶瓷：利用材料的電、光、磁、聲、熱和力等性能及其耦合效應(yīng)，成為對溫度、壓力、磁性和光強變化等外界條件特別敏感的材料。陶瓷用無機粉末作原料，經(jīng)混合成形、燒結(jié)等工藝制成。通過改變無機粉末的組成，可制成性能不同的各種陶瓷敏感材料。陶瓷材料的微結(jié)構(gòu)—晶粒、晶界、氣孔等對材料性能影響很大，改變配方、控制工藝可改變陶瓷的特性。陶瓷材料經(jīng)混合、成形、高溫?zé)Y(jié)等簡單工藝制成，容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時價格低廉。陶瓷材料不燃燒、耐腐蝕、耐磨損，是制造可靠性高的敏感元件所必需的。可通過和其他材料復(fù)合改進性能。利用陶瓷的多功能性，實現(xiàn)用單一陶瓷片制成多功能敏感元件。陶瓷敏感材料的特點納米陶瓷采用的原料的粒度和顯微結(jié)構(gòu)及所體現(xiàn)的特性都是納米量級的，并具有納米效應(yīng)。當(dāng)制作陶瓷的顆粒和陶瓷中的晶粒、晶界、氣孔和缺陷等都降到納米級水平，由于表面與界面非常大，形成了納米材料特有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)。電子陶瓷具有電功能的陶瓷，如壓電陶瓷、介電陶瓷、熱電陶瓷、光電陶瓷和半導(dǎo)體陶瓷。半導(dǎo)體陶瓷是傳感器應(yīng)用常用材料，其尤以熱敏（高溫）、濕敏（不需要加熱清洗）、氣敏（不使用催化劑的低溫材料和高溫材料）、電壓敏（低壓用材料和高壓用材料）最為突出壓電材料種類壓電晶體壓電陶瓷有機壓電材料對壓電材料的要求：機-電轉(zhuǎn)換性能：應(yīng)具有較大壓電常數(shù)。機械性能：壓電元件作為受力元件，要求強度高，剛度大以獲得寬線性范圍和高固有振動頻率。電性能：要求高電阻率和大介電常數(shù)以減弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲良好低頻特性。溫度和濕度穩(wěn)定性良好，具有較高的居里點以期得到較寬的工作溫度范圍。時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。壓電晶體壓電晶體：受到壓力作用后會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。運用壓電效應(yīng)原理種類：石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨等。石英晶體的優(yōu)點性能非常穩(wěn)定，在常溫范圍內(nèi)，介電常數(shù)和壓電常數(shù)幾乎不隨溫度變化。動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬。石英晶體的缺點壓電常數(shù)較小，在一般要求測量用的壓電式傳感器中，基本上采用壓電陶瓷。由幾種氧化物或碳酸鹽在燒結(jié)過程中發(fā)生固相反應(yīng)而形成。鈦酸鋇：壓電常數(shù)比石英晶體大幾十倍，但溫度穩(wěn)定性、長時期穩(wěn)定性以及機械強度都小于石英，且工作溫度最高只有80℃左右。壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）：由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體，有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達250℃，機電參數(shù)隨溫度和時間等外界因素變化較小。特點：容易制造成各種形狀；可任意選擇極化軸方向；易于改變瓷料組分而得到具有各種性能的瓷料；成本低，適于大量生產(chǎn)。新近研究開發(fā)出來的新型壓電材料如聚氯乙烯（PVC）、聚氟乙烯（PVF）、聚二氟乙烯（PVF2）等具有柔軟、不易破碎特點。有機壓電材料磁致伸縮材料主流是稀土磁致伸縮材料。在電磁場作用下可產(chǎn)生微變形或聲能，也可將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。特點磁致伸縮值大、機械響應(yīng)速度快、功率密度高形狀記憶材料形狀記憶材料：具有形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect，SME）的材料。形狀記憶效應(yīng)：將材料在一定條件下進行一定限度內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。單程形狀記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時不恢復(fù)低溫相形狀的現(xiàn)象。雙程形狀記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相狀態(tài)，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀。全程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睢Ｐ螤罨謴?fù)形式形狀記憶合金（SMA）：高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，再加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時，恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀。形狀記憶材料的種類形狀記憶陶瓷（SMC）：無機物和陶瓷化合物在相變過程中伴隨著體積的變化產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶高分子（SMP）：對通用高分子材料進行分子組合和改性，即“記憶初始態(tài)固定變形恢復(fù)起始態(tài)”。記憶合金纖維-可以變形的衣服.flv金屬鈦和形狀記憶合金.flv納米材料分類從材料的結(jié)構(gòu)分：納米超微粉末、納米多層薄膜、納米結(jié)構(gòu)。從材料的性質(zhì)分：納米金屬材料、納米陶瓷材料、納米復(fù)合高分子材料（納米塑料、納米橡膠、納米膠粘劑、納米涂料、納米纖維）。從力學(xué)性能來分：納米增強陶瓷材料、納米改性高分子材料、納米耐磨及潤滑材料、超精細研磨材料等。從表面活性來分：納米催化材料、吸附材料、防污環(huán)境材料。以光學(xué)性能來分：納米吸波（隱身）材料、光過濾材料、光導(dǎo)電材料、感光或發(fā)光材料、納米改性顏料、抗紫外線材料等。以電子性能來分：納米半導(dǎo)體傳感器材料、納米超純電子漿料。以性能來分：高密度磁記錄介質(zhì)材料、磁流體、納米磁性吸波材料、納米磁性藥物、納米微晶永磁或軟磁材料、室溫磁制冷材料等。以熱學(xué)性能來分：納米熱交換材料、低溫?zé)Y(jié)材料、低溫焊料、特種非平衡合金等。以生物和醫(yī)用性能來分：納米藥物、納米骨和齒修復(fù)材料、納米抗菌材料。納米材料的特性晶粒極小，比表面積特大高度的彌散性大量的界面典型納米材料碳納材料納米陶瓷碳納米管結(jié)構(gòu)碳纖維防彈背心壓電促動器2.5彈性敏感元件類型：彈性敏感元件：被測量變量變換成應(yīng)變、位移等。彈性支承：傳感器活動部分的支承敏感元件基本轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換元件被測量中間量輸出電量敏感材料彈性元件的作用：在中間量轉(zhuǎn)換器件中，占重要地位，將力、力矩或壓力等非電量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的應(yīng)變、應(yīng)力或擾度等易變成電量的非電量，再由各種形式的轉(zhuǎn)換元件，將應(yīng)變、應(yīng)力或擾度等變換成電量。傳感器的組成彈性元件彈性敏感元件工作原理彈性敏感元件的基本特性彈性敏感元件的材料典型彈性敏感元件基本概念變形：物體在外力作用下改變原來的尺寸或形狀的現(xiàn)象。彈性變形：如果外力去掉后物體能完全恢復(fù)原來的尺寸和形狀的變形。彈性元件：具有彈性變形特性的物件。應(yīng)變：機械零件和構(gòu)件等物體內(nèi)人一點因外力作用引起的形狀和尺寸的相對改變。工作原理：通過物體彈性變形這一特性，把力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的應(yīng)變或位移，再配合各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成電量。1.彈性敏感元件工作原理2.彈性敏感元件的基本特性剛度靈敏度彈性滯后彈性后效彈性特性：作用在彈性敏感元件上的外力與引起彈性敏感元件的相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系。固有振動頻率溫度特性機械品質(zhì)因數(shù)蠕變定義：作用在彈性元件上的載荷增量與彈性元件相應(yīng)產(chǎn)生的變形增量的比值在變形增量趨近于零時的極限。表示彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力，用k表示。剛度

其中，F(xiàn)-作用在彈性元件上的外力

x-彈性元件產(chǎn)生的變形當(dāng)彈性元件具有線性特性時（即特征曲線上的導(dǎo)數(shù)處處相等），剛度為一常數(shù)。定義：在單位外力作用下產(chǎn)生變形的大小，用S表示。剛度的倒數(shù)。靈敏度

其中，F(xiàn)-作用在彈性元件上的外力

x-彈性元件產(chǎn)生的變形當(dāng)彈性元件具有線性特性時，靈敏度也為一常數(shù)。彈性元件的剛度和靈敏度是兩個完全等效的概念，可根據(jù)需要和場合選用其一。

其中，m-彈性敏感元件的數(shù)目

Sni-第i個彈性元件的靈敏度傳感器中，多個彈性敏感元件并聯(lián)使用時，傳感器中，多個彈性敏感元件串聯(lián)使用時，實際的彈性材料在不同程度上普遍存在彈性滯后和彈性后效現(xiàn)象。彈性滯后：彈性敏感元件在彈性范圍內(nèi)，加載、卸載時正反行程曲線不重合的現(xiàn)象。彈性后效：材料在彈性范圍內(nèi)受某一不變載荷作用，其彈性變形隨時間緩緩增長。在去除載荷后，不能立即恢復(fù)而需要經(jīng)過一段足夠時間之后才能逐漸恢復(fù)原狀。彈性滯后和彈性后效彈性滯后：彈性敏感元件在彈性范圍內(nèi)，加載、卸載時正反行程曲線不重合的現(xiàn)象。彈性滯后Fig.彈性滯后現(xiàn)象滯