傳感技術(shù)課件

傳感技術(shù)課件1第一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日本章內(nèi)容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規(guī)律與傳感器2.3傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件2第二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日2.1.1信息獲取1．信息獲取的基本概念什么是信息人類獲取信息的方法信息理論概述2．傳感器的任務(wù)是信息感知傳感器的基本任務(wù)傳感器是獲取信息的工具傳感器應(yīng)該滿足一些必需的條件3第三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日2.1.2傳感器涉及的基礎(chǔ)理論1．傳感技術(shù)正在成為多學(xué)科交匯點(diǎn)2.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(shí)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)。3．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4第四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日本章內(nèi)容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規(guī)律與傳感器2.3傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件5第五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日

2.2.1守恒定律伯努利方程（關(guān)于密封管路中無(wú)粘性流體流動(dòng)的能量守恒定律）：流體在忽略粘性損失的流動(dòng)中，流線上任意兩點(diǎn)的壓力勢(shì)能、動(dòng)能與位勢(shì)能之和保持不變。6第六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日

2.2.1守恒定律皮托管：1732年由法國(guó)工程師皮托首創(chuàng)，至今仍是測(cè)量流速的常用儀器。皮托管是用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)任一點(diǎn)流速的儀器。流速由動(dòng)壓進(jìn)行計(jì)算（總壓和靜壓差）7第七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日2.2.2場(chǎng)的定律法拉第首先提出了磁力線、電力線的概念，在電磁感應(yīng)、電化學(xué)、靜電感應(yīng)的研究中進(jìn)一步深化和發(fā)展了力線思想，并第一次提出場(chǎng)的思想，建立了電場(chǎng)、磁場(chǎng)的概念。其后，經(jīng)典電磁場(chǎng)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(guò)程中，形成了電磁場(chǎng)的概念。MichaelFaraday（1791—1867）JamesClerkMaxwell(1831

-1879)8第八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日2.2.2場(chǎng)的定律物理場(chǎng):某一空間范圍及其各種事物分布狀況的總稱場(chǎng)的定律，都是關(guān)于物質(zhì)作用的客觀規(guī)律。揭示的是物體在空間排列和分布狀態(tài)與某一時(shí)刻的作用有關(guān)的客觀規(guī)律，一般可用物理方程給出。這些方程就是某些傳感器工作的數(shù)學(xué)模型，而與這些定律有關(guān)的參數(shù)通常與具體物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如成分、材料）無(wú)關(guān)，與物質(zhì)在空間的位置及分布狀態(tài)與某時(shí)刻的作用有關(guān)。9第九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日電磁感應(yīng)定律指出：導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)回路的磁通量的變化率成正比。當(dāng)線圈以速度v垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于切割磁力線，在線圈中產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：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，可用來(lái)測(cè)量位移、運(yùn)動(dòng)速度、振動(dòng)等多種物理量。

2.2.2場(chǎng)的定律第十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日利用靜電場(chǎng)的有關(guān)定律制成電容傳感器。靜電場(chǎng)中兩平行電極板間的電容量C為：兩極板相對(duì)移動(dòng)Δδ時(shí)，C的變化量：2.2.2場(chǎng)的定律第十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日波是場(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，光波是一種廣泛存在的電磁波。利用光電磁場(chǎng)的基本定律，如光的直線傳播定律、光波之間的相互作用，如光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象、光的多普勒效應(yīng)等，可以制成影像、干涉、衍射、偏振、光柵、光碼盤等各式各樣的傳感器和測(cè)量裝置。2.2.2場(chǎng)的定律

第十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日利用場(chǎng)的定律構(gòu)成的傳感器，其性能由定律決定，與使用材料無(wú)關(guān)。這類傳感器的形狀、尺寸等參數(shù)決定了傳感器的量程、靈敏度等性能，因此這類傳感器統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型傳感器。它們具有設(shè)計(jì)的自由度較大、選擇材料的限制較小等優(yōu)點(diǎn)，但體積一般較大，并且不易集成。2.2.2場(chǎng)的定律第十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日物質(zhì)定律:各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律、法則、規(guī)律等。它們通常以固有的物理常數(shù)加以描述。如胡克定律，歐姆定律等。這些定律都含有物質(zhì)所固有的常數(shù)，即定律是定義各種物理常數(shù)的公式。利用各種物質(zhì)定律構(gòu)成的傳感器統(tǒng)稱為物性型傳感器。這些傳感器的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，也即與物質(zhì)的材料密切相關(guān)。2.2.3物質(zhì)定律第十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日利用半導(dǎo)體物質(zhì)具有的壓阻、熱阻、光阻、濕阻和霍爾等效應(yīng)，可以分別制成力、壓力、溫度、光強(qiáng)、濕度和磁場(chǎng)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)敏感特性制成的生物、化學(xué)傳感器等。2.2.3物質(zhì)定律第十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日霍爾（Hall）效應(yīng)當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)的方向通過(guò)導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片時(shí)，在薄片垂直于電流和磁場(chǎng)方向的兩側(cè)表面之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，稱為霍爾效應(yīng)。16第十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日＋＋－NUH－＋R1R2R1R2U0φ1霍爾效應(yīng)檢測(cè)直流電流第十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日I1U1U2BP·T霍爾效應(yīng)測(cè)量功率第十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日由于利用物質(zhì)定律的物性型傳感器具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)可動(dòng)部件、反應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易集成等特點(diǎn)，因此是當(dāng)代傳感技術(shù)領(lǐng)域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。與物質(zhì)所固有的物理常數(shù)有關(guān)的各種現(xiàn)象可分為三大類：熱平衡現(xiàn)象傳輸現(xiàn)象量子現(xiàn)象2.2.3物質(zhì)定律

第十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日一個(gè)系統(tǒng)在沒(méi)有外界影響的條件下，即外界對(duì)系統(tǒng)既不作功，又不傳熱的情況下，系統(tǒng)各個(gè)部分之間的能量以熱量的形式而不是以功的形式進(jìn)行交換，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，系統(tǒng)各部分將達(dá)到一種宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為熱平衡。一、熱平衡現(xiàn)象第二十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日描述熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)的物理量稱為狀態(tài)量。若把這個(gè)系統(tǒng)分割成若干個(gè)小系統(tǒng)，則狀態(tài)量可分為兩種①與分割方法無(wú)關(guān)，其性質(zhì)由其量的大小來(lái)決定的狀態(tài)量。稱為強(qiáng)度型狀態(tài)量，簡(jiǎn)稱示強(qiáng)變量。如溫度、壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度。②具有與系統(tǒng)的大?。w積、面積等）成正比性質(zhì)的狀態(tài)量，稱為容量型狀態(tài)量，簡(jiǎn)稱示容變量，又叫容量量或廣延量。如能量、熵、位移等。一、熱平衡現(xiàn)象第二十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)示容變量為xi，對(duì)應(yīng)的示強(qiáng)變量為Xi，則能量為：當(dāng)若干個(gè)xi有微小的變化，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(gè)強(qiáng)度量對(duì)應(yīng)容量狀態(tài)量的關(guān)系。麥克斯韋關(guān)系式第二十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)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(shí)，其變化與所取得微分途徑無(wú)關(guān)。麥克斯韋關(guān)系式第二十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日同理：如果有若干個(gè)示強(qiáng)變量發(fā)生微小變化，使系統(tǒng)能量變化時(shí)，但系統(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：k表示除Xi，Xj以外的強(qiáng)度量保持固定不變。因?yàn)槭緩?qiáng)變量易測(cè)量，大小也易調(diào)整（溫度、壓力、磁場(chǎng)強(qiáng)度等），所以實(shí)踐中通常以示強(qiáng)變量作為獨(dú)立變量予以測(cè)量。

麥克斯韋關(guān)系式第二十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日麥克斯韋關(guān)系式說(shuō)明不同種類能量所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度型狀態(tài)量與容量型狀態(tài)（或相反）微分之比為定值，具有這種關(guān)系的效應(yīng)稱為熱平衡一次效應(yīng)。一次效應(yīng)是可逆的。熱平衡一次效應(yīng)第二十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用時(shí)，在其一定的兩個(gè)表面上產(chǎn)生異號(hào)電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)其中電荷大小與外力大小成正比，極性取決于受力方向，即變形是壓縮還是伸長(zhǎng)；比例系數(shù)為壓電常數(shù)，它與形變方向有關(guān)，固定材料的確定方向上為常量。

熱平衡一次效應(yīng)：壓電效應(yīng)第二十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日正壓電效應(yīng)當(dāng)對(duì)壓電材料施以外力（壓力）時(shí)，材料體內(nèi)的電偶極矩會(huì)因壓縮而變短，此時(shí)壓電材料為抵抗這一變化會(huì)在材料表面產(chǎn)生正負(fù)電荷，以保持原狀。27第二十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，某些電介質(zhì)在一定方向上將產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消失。其應(yīng)變的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度的大小成正比，方向隨電場(chǎng)方向變化而變化。當(dāng)對(duì)壓電材料表面電場(chǎng)（電壓），因電場(chǎng)作用時(shí)材料體內(nèi)的電偶極矩會(huì)被拉長(zhǎng)，壓電材料為抵抗這一變化會(huì)沿電場(chǎng)方向拉伸。逆壓電效應(yīng)第二十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)械能（輸入）：力F—強(qiáng)度型狀態(tài)

V0Σ—引起變形體積變化電能（輸出）：電荷Q—容量型狀態(tài)量電場(chǎng)強(qiáng)度E—強(qiáng)度型狀態(tài)量其中：F、E為不同種類強(qiáng)度量；V0Σ、Q為不同種類的容量量。根據(jù)麥?zhǔn)详P(guān)系式：熱平衡一次效應(yīng)第二十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日利用壓磁元件測(cè)量力時(shí)，在外力F作用下，壓磁元件材料發(fā)生形變，體積隨之變化V0Σ，產(chǎn)生應(yīng)力，使其磁導(dǎo)率μ改變，從而引起磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化；而當(dāng)壓磁元件置于磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)中，則其產(chǎn)生機(jī)械變形V0Σ，因此：

熱平衡一次效應(yīng)第三十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日同一種類能量的強(qiáng)度型狀態(tài)量與容量型狀態(tài)量微分之比，或同一種類能量的示容變量與示強(qiáng)變量微分之比，是不能直接構(gòu)成傳感器的。膜盒或膜片等彈性敏感元件在力F(或壓力)作用下產(chǎn)生形變l，剛度系數(shù)：電場(chǎng)電勢(shì)U作用于電容器導(dǎo)電極板產(chǎn)生電荷Q，電容系數(shù)：溫度T產(chǎn)生熱量Q，熱容量：熱平衡二次效應(yīng)第三十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日利用彈性元件受力產(chǎn)生變形，其應(yīng)變與應(yīng)變片電阻值的關(guān)系可制成電阻應(yīng)變式力(壓力)傳感器。上述這種變換稱為二次效應(yīng)，二次效應(yīng)沒(méi)有逆效應(yīng)。熱平衡二次效應(yīng)第三十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)系統(tǒng)中存在有強(qiáng)度量的差或梯度時(shí)，相應(yīng)的廣延量就隨時(shí)間而變化，即廣延量的流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為傳輸現(xiàn)象。導(dǎo)體兩端有電位差時(shí)，就有電流流動(dòng)；物體有溫度差時(shí)，就有熱流流動(dòng)；電容兩端有電位差時(shí)，就有電荷積累等。這種使相應(yīng)廣延量流動(dòng)的強(qiáng)度量的差或梯度可視為一種力，稱之為親和力或親和勢(shì)。二、傳輸現(xiàn)象第三十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體閉合構(gòu)成的熱電偶，當(dāng)其兩結(jié)點(diǎn)有溫度差時(shí)，就有熱流在兩結(jié)點(diǎn)間流動(dòng)，由于塞貝克效應(yīng)（又稱熱電效應(yīng)），則在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中就有電流。接觸電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)塞貝克效應(yīng)第三十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)玻耳茲曼常數(shù)塞貝克效應(yīng)第三十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)塞貝克效應(yīng)第三十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日塞貝克效應(yīng)第三十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日金屬的塞貝克系數(shù)α約為0～80μv/k，溫差電效應(yīng)較小，可制成熱電偶，用于測(cè)溫等。兩種不同半導(dǎo)體聯(lián)接回路兩端保持不同溫度，其α約為50～100μv/k，可制成溫差發(fā)電器。塞貝克效應(yīng)第三十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日如果熱電偶處于某一環(huán)境溫度下，并在其回路中通入電流，由于珀耳帖效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)），則在兩結(jié)點(diǎn)處分別放出和吸收與電流成正比關(guān)系的熱量，其通入的電流是由電位差產(chǎn)生的，輸出的熱量是由溫度差產(chǎn)生的。珀耳帖效應(yīng)第三十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日由此可知，塞貝克效應(yīng)是因溫度差而產(chǎn)生電流，珀耳帖效應(yīng)是由電位差而產(chǎn)生熱流，他們是可逆的。把這種不同種類的親和力和流之間的效應(yīng)稱為一次效應(yīng)，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)。二、傳輸現(xiàn)象第四十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日電阻率是電場(chǎng)強(qiáng)度與其所引起的電流密度之比，是電導(dǎo)率的倒數(shù)，若利用它與變形、壓力、溫度等的關(guān)系，則可構(gòu)成電阻應(yīng)變式、壓敏電阻、熱敏電阻等傳感器。電介質(zhì)的介電常數(shù)是其電容率與真空電容率之比，不能直接構(gòu)成傳感器，但若利用介電常數(shù)與溫度、濕度、容量等的關(guān)系，則可制成電容式溫度傳感器、電容式濕度傳感器、電容式液位傳感器等。二、傳輸現(xiàn)象第四十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日量子現(xiàn)象：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，它所具有的各種現(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。量子尺寸效應(yīng)、光電效應(yīng)核磁共振、約瑟夫遜效應(yīng)三、量子現(xiàn)象第四十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日量子尺寸效應(yīng)：即指當(dāng)粒子尺寸下降到某一數(shù)值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)或者能隙變寬的現(xiàn)象。當(dāng)能級(jí)的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時(shí)，導(dǎo)致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特性與常規(guī)材料有顯著的不同。量子尺寸效應(yīng)第四十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(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(lái)的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)，被釋放的電子稱為光電子，所以又稱光電子發(fā)射效應(yīng)。它是在1887年由德國(guó)人赫茲首先發(fā)現(xiàn)的。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。44第四十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(yīng)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，從而增加物體的導(dǎo)電性或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、或產(chǎn)生光電流的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。45第四十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：某些物體（一般為半導(dǎo)體）受到光照時(shí)，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)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體都具有光電導(dǎo)效應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻等。46第四十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：物體(一般指半導(dǎo)體)在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管和半導(dǎo)體位置敏感器件等。47第四十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)側(cè)向光生伏特效應(yīng):半導(dǎo)體位置敏感器件硅光電池硒光電池48第四十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日磁共振量子現(xiàn)象不僅發(fā)生于光電傳感器材料，在磁電、熱電等各種傳感器材料中也比比皆是。對(duì)原子、分子施加磁場(chǎng)影響就會(huì)加劇材料內(nèi)部電子的熱振，改變了材料原來(lái)的能量狀態(tài)。所以如果使磁場(chǎng)以某一特定頻率變化，使之產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱作磁共振，是調(diào)整材料內(nèi)部能量狀態(tài)的一種重要手段。由于共振頻率取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度，所以這種量子效應(yīng)也能用于磁場(chǎng)傳感器。49第四十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)是超導(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(yuǎn)比超導(dǎo)電子相干長(zhǎng)度（可達(dá)10-6m）小得多，所以絕緣層兩側(cè)超導(dǎo)電子間就會(huì)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)。50第五十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日

約瑟夫遜效應(yīng)隧道效應(yīng)第五十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日直流約瑟夫遜效應(yīng)：約瑟夫遜結(jié)在不外加電壓或磁場(chǎng)時(shí)，有直流電流通過(guò)絕緣層，即超導(dǎo)電流能無(wú)電阻地通過(guò)極薄的絕緣層；當(dāng)約瑟夫遜結(jié)外加平行于結(jié)平面的磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)電流的相位受到磁場(chǎng)明顯的調(diào)制作用，因而超導(dǎo)電流和磁場(chǎng)的關(guān)系出現(xiàn)類似夫瑯和菲衍射圖樣。約瑟夫遜效應(yīng)第五十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日交流約瑟夫遜效應(yīng)：約瑟夫遜結(jié)能夠吸收和發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。1.加以直流電壓輻射電磁波給約瑟夫遜結(jié)加以直流電壓時(shí)，約瑟夫遜結(jié)會(huì)產(chǎn)生頻率與所加電壓U成正比的高頻超導(dǎo)電流，并向外輻射電磁波，電磁波頻率為：約瑟夫遜效應(yīng)第五十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日2.加以直流和交流電壓輸出直流電流（壓）給約瑟夫遜結(jié)加以直流電壓，同時(shí)施加一交流射頻電壓或用一定頻率的電磁波作用于結(jié)上，則當(dāng)由直流電壓引起的高頻電流頻率與外加交流射頻電壓頻率相等，或與外加電磁波頻率相等，或者是它們的整數(shù)倍時(shí)，將有直流成分的超導(dǎo)電流流過(guò)絕緣層，輸出直流電壓：約瑟夫遜效應(yīng)第五十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日熱平衡與傳輸現(xiàn)象等熱力學(xué)規(guī)律是熱現(xiàn)象的宏觀理論，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，即從組成它們的原子、分子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及其相互作用出發(fā)，去研究宏觀物體熱性質(zhì)的科學(xué)。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)認(rèn)為：所有宏觀上可觀測(cè)的物理量都是相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值，許多看似雜亂無(wú)章的微觀運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。2.2.4統(tǒng)計(jì)物理學(xué)法則第五十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日奈奎斯特定理：由統(tǒng)計(jì)物理可知，電子熱運(yùn)動(dòng)的漲落，在電阻R的兩端產(chǎn)生熱噪聲的電位波動(dòng)，電阻R兩端的熱噪聲電壓Un的方均值為：熱噪聲型熱敏電阻：測(cè)溫精度高（0.1～0.5％），測(cè)量1500℃以下的溫度，可在惡劣環(huán)境下使用；輸出電壓極小，例如當(dāng)T＝300K，R＝100Ω，△f＝100kHz時(shí)，輸出電壓只有4×10-7V。2.2.4統(tǒng)計(jì)物理學(xué)法則第五十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日UrUnSRr(Tr)R(Tx)U2∫Δ由于熱噪聲的頻帶寬度不易正確測(cè)定，因此目前多采用與基準(zhǔn)噪聲電壓相比較的方法來(lái)測(cè)量溫度。2.2.4統(tǒng)計(jì)物理學(xué)法則第五十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日近年來(lái)由于超導(dǎo)量子干涉器件的問(wèn)世，使熱噪聲溫度測(cè)量已成為可能。它是利用熱噪聲對(duì)約瑟夫遜效應(yīng)的擾動(dòng)測(cè)量溫度。由于約瑟夫遜結(jié)輻射的頻率與通過(guò)結(jié)的電壓有關(guān)，因此當(dāng)被測(cè)溫度使結(jié)的正常電阻兩端產(chǎn)生噪聲電壓時(shí)，此電壓的漲落將使結(jié)輸出的微波頻率變化，但其輻射帶寬是有限的，因而可以很精確地測(cè)量出，而測(cè)量噪聲電壓的精度也可以很高。2.2.4統(tǒng)計(jì)物理學(xué)法則第五十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日本章內(nèi)容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規(guī)律與傳感器2.3傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件59第五十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日物質(zhì)效應(yīng)與物性型傳感器光電效應(yīng)電光效應(yīng)磁光效應(yīng)磁電效應(yīng)熱電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)壓電、壓阻和磁致伸縮效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)與核磁共振光的多普勒效應(yīng)和薩古納克效應(yīng)聲音的多普勒效應(yīng)及聲電、聲光效應(yīng)與化學(xué)有關(guān)的效應(yīng)納米效應(yīng)2.3傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)第六十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日物質(zhì)的光學(xué)特性（如折射率）受外電場(chǎng)的影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象統(tǒng)稱為電光效應(yīng)。泡克耳斯（Pockels）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)2.3.3電光效應(yīng)第六十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日1893年德國(guó)物理學(xué)家泡克耳斯首先發(fā)現(xiàn)，一些晶體在縱向電場(chǎng)（電場(chǎng)方向與光的傳播方向一致）作用下會(huì)改變其各向異性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射現(xiàn)象，稱為電致雙折射。泡克耳斯從實(shí)驗(yàn)證實(shí)壓電晶體的兩個(gè)主折射率主之差為：線性電光效應(yīng)泡克耳斯效應(yīng)第六十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日1875年英國(guó)物理學(xué)家克爾發(fā)現(xiàn)，光照射具有各向同性的透明物質(zhì)，在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發(fā)生雙折射。因兩個(gè)主折射率之差正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方，故這種效應(yīng)又稱作平方電光效應(yīng)。克爾效應(yīng)第六十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日某些非晶體物質(zhì)（如塑料、玻璃）在機(jī)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)。這稱作應(yīng)力致雙折射或光彈效應(yīng)。光彈效應(yīng)的雙折射是暫時(shí)的，應(yīng)力解除后即消失。光彈性效應(yīng)可用于研究機(jī)械零件、建筑構(gòu)件等物體內(nèi)部應(yīng)力的情況。利用光彈效應(yīng)可制成壓力、振動(dòng)、聲響傳感器。光彈效應(yīng)第六十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日電致發(fā)光效應(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(chǎng)作用下發(fā)出冷光（指熒光和磷光）的現(xiàn)象，以及某些固態(tài)晶體如磷化鎵、磷化銦等無(wú)需外加激發(fā)光而在外加電場(chǎng)作用下即可發(fā)光的現(xiàn)象。電致發(fā)光是將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過(guò)程。基于電致發(fā)光效應(yīng)的器件有發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等。電致發(fā)光效應(yīng)第六十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日這種在電流或電場(chǎng)的作用下,材料發(fā)生可逆變色的現(xiàn)象，稱為電致變色效應(yīng)?；谥伦兩?yīng)的主要器件有信息顯示器件、電致變色靈巧窗、無(wú)眩反光鏡、電色儲(chǔ)存器件等。電致變色效應(yīng)第六十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日置于外磁場(chǎng)的物體，在光和外磁場(chǎng)的作用下，其光學(xué)特性（如吸光特性、折射率等）發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應(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)2.3.4磁光效應(yīng)第六十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度的乘積成正比，即：式中：V—磁光效應(yīng)常數(shù)或費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)，可正可負(fù)；He—外磁場(chǎng)強(qiáng)度。法拉第效應(yīng)第六十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日

磁光調(diào)制器法拉第效應(yīng)第六十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日平面偏振光垂直入射于拋光的強(qiáng)電磁鐵的磁極表面，所產(chǎn)生的反射光是一束橢圓偏振光，且偏振面的偏轉(zhuǎn)角度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化，這種現(xiàn)象叫磁光克爾效應(yīng)?？藸柎殴庑?yīng)的最重要應(yīng)用是觀察鐵磁體的磁疇。磁光克爾效應(yīng)第七十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日磁疇是指磁性材料內(nèi)部的一個(gè)個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，引起反射光振動(dòng)面的不同旋轉(zhuǎn)，通過(guò)偏振片觀察反射光時(shí)，將觀察到與各磁疇對(duì)應(yīng)的明暗不同的區(qū)域。用此方法還可對(duì)磁疇變化作動(dòng)態(tài)觀察。磁光克爾效應(yīng)克爾顯微鏡下的NdFeB顆粒中的磁疇第七十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日科頓和穆頓于1907年發(fā)現(xiàn)光從處在橫向磁場(chǎng)內(nèi)的液體中通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，稱為科頓-穆頓效應(yīng)，或磁致雙折射效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，處在外磁場(chǎng)內(nèi)的媒質(zhì)的二主折射率之差正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度H的平方：式中，C’為科頓-穆頓常數(shù)，它與光波波長(zhǎng)λ和溫度有關(guān)，與磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)?？祁D-穆頓效應(yīng)磁致伸縮傳感器：利用磁致伸縮原理、通過(guò)兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量位置。第七十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日原子在磁場(chǎng)中能級(jí)和光譜發(fā)生分裂的現(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(lái)測(cè)量天體磁場(chǎng)及星際磁場(chǎng)。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)從太陽(yáng)黑子譜線觀測(cè)到的塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)第七十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日光的多普勒效應(yīng)：當(dāng)光源或觀察者（光接收器）相對(duì)于介質(zhì)（或散射體、反射器）運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的光波頻率不同于光波源的頻率。由于多普勒效應(yīng)而引起的頻率變化數(shù)值稱為多普勒頻移。利用多普勒效應(yīng)可以進(jìn)行速度、流速、流量等測(cè)量，例如光纖式血液流速測(cè)量，激光多普勒超低速(1cm/h)、超音速測(cè)量等。2.3.9光的多普勒效應(yīng)和薩古納克效應(yīng)第七十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日同一光源同一光路，兩束對(duì)向傳播光之間的光程差或相位差與其光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度成正比的現(xiàn)象，稱為薩古納克效應(yīng)。2.3.9光的多普勒效應(yīng)和薩古納克效應(yīng)第七十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日本章內(nèi)容2.1信息獲取與信息感知2.2自然規(guī)律與傳感器2.3傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)2.4傳感器的新型敏感材料2.5彈性敏感元件76第七十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日敏感元件是傳感器的核心器件，它的作用是通過(guò)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(cè)量轉(zhuǎn)換為便于利用的物理量。傳感器的敏感機(jī)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(shí)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。傳感器的進(jìn)步更依賴于新材料、新裝置、新工藝的不斷推陳出新。2.4.1敏感材料的工作機(jī)理第七十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日按結(jié)晶狀態(tài)可分為：?jiǎn)尉?、多晶、非晶和微晶等。按電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵可分為：金屬、陶瓷和聚合物三大類。按物理性質(zhì)又可分為：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、磁彈體等幾種。按形態(tài)分有：摻雜、微粉、薄膜、塊狀(帶、片)、纖維等形態(tài)。2.4.2敏感材料的類型與特性第七十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日按功能不同可分為：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、射線敏等十幾類。按材料功能分有：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(jī)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(wú)機(jī)和有機(jī)。

2.4.2敏感材料的類型與特性第七十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日功能⑴感知功能：能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度。⑵響應(yīng)功能：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并且反應(yīng)靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)。⑶信息識(shí)別與積累功能：能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來(lái)。⑷恢復(fù)功能：當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。⑸智能功能：部分材料還具有自診斷、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)等智能功能。2.4.2敏感材料的類型與特性第八十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日特性⑴敏感性好：包括靈敏系數(shù)高、響應(yīng)速度快、適用范圍寬、檢測(cè)精度高、動(dòng)態(tài)特性好、輸出特性易于調(diào)整和補(bǔ)償、選擇性好等。⑵可靠性好：包括耐熱、耐磨損、耐腐蝕、耐振動(dòng)、耐過(guò)載等。⑶加工性好：包括易成型、批量生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)集成化、尺寸穩(wěn)定、互換性好等。⑷經(jīng)濟(jì)性好：包括成本低、成品率高、性能/價(jià)格比高等。2.4.2敏感材料的類型與特性第八十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日

2.4.3新型敏感材料第八十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日1.半導(dǎo)體敏感材料：元素半導(dǎo)體主要有鍺、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；因此，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。2.4.3新型敏感材料第八十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日硅單晶硅的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）多晶硅的硅原子堆積方式不只一種，它是由多種不同排列方向的單晶所組成。（制作簡(jiǎn)單、成本較低）非晶硅是指硅原子的排列非常紊亂，沒(méi)有規(guī)則可循。（對(duì)光的吸收性強(qiáng)，但穩(wěn)定性較差，在強(qiáng)烈光線照射下會(huì)產(chǎn)生缺陷而導(dǎo)致電流下降，發(fā)生供電不穩(wěn)定的問(wèn)題）

2.4.3新型敏感材料第八十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日化合物半導(dǎo)體由兩種或兩種以上的元素化合而成。它的種類很多，重要的有砷化鎵、磷化銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。砷化鎵是制造微波器件和集成電路的重要材料

。碳化硅由于其抗輻射能力強(qiáng)、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。2.4.3新型敏感材料磷化銦銻化銦紅外探測(cè)器件砷化鎵太陽(yáng)能電池第八十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日無(wú)定形半導(dǎo)體用作半導(dǎo)體的玻璃是一種非晶體無(wú)定形半導(dǎo)體材料，分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。這類材料具有良好的開(kāi)關(guān)和記憶特性和很強(qiáng)的抗輻射能力，主要用來(lái)制造閾值開(kāi)關(guān)、記憶開(kāi)關(guān)和固體顯示器件。2.4.3新型敏感材料氧化鉺氧化銩不同通電情況下，氧化玻璃顯示不同第八十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日有機(jī)半導(dǎo)體已知的有機(jī)半導(dǎo)體材料有幾十種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等。有機(jī)半導(dǎo)體材料和器件的應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)化正在蓬勃進(jìn)行中，有可能在有機(jī)電致發(fā)光、有機(jī)光電轉(zhuǎn)化、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管、太陽(yáng)能電池以及信息存貯器件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

。2.4.3新型敏感材料塑料芯片導(dǎo)電塑料第八十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日新型復(fù)合材料，是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。具有感知內(nèi)外環(huán)境刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷、并采取一定的措施進(jìn)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(dòng)、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。智能材料振動(dòng)音箱使用記憶合金的機(jī)械蝙蝠智能背心記憶材料第八十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日特征⑴傳感功能：能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。

⑵反饋功能：可通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。⑶信息識(shí)別與積累功能：能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來(lái)。⑷思考功能和預(yù)見(jiàn)功能：能在過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)來(lái)自傳感網(wǎng)絡(luò)的各種信息進(jìn)行分析，并可預(yù)見(jiàn)未來(lái)將出現(xiàn)的情況。智能材料第八十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日⑸響應(yīng)功能：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。

⑹自診斷能力：能通過(guò)分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過(guò)去的情況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問(wèn)題進(jìn)行自診斷并予以校正。⑺自修復(fù)能力：能通過(guò)自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。⑻自調(diào)節(jié)能力：對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自動(dòng)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，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化做出恰如其分的響應(yīng)。智能材料第九十頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日構(gòu)成⑴基體材料：擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。高分子材料（重量輕、耐腐蝕），金屬材料（輕質(zhì)有色合金為）。⑵敏感材料：擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(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。⑶驅(qū)動(dòng)材料：因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。智能材料第九十一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日分類按功能：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(lái)源：金屬（形狀記憶合金、形狀記憶復(fù)合材料）、無(wú)機(jī)非金屬（電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料）、高分子（凝膠、膜材、粘合劑）。

智能材料光導(dǎo)纖維形狀記憶壓電陶瓷形狀記憶夾板第九十二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日“陶瓷”一詞就其傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，是將粘土一類的物料經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)處理變成堅(jiān)硬有用的多晶材料。

現(xiàn)代陶瓷實(shí)際上泛指半導(dǎo)體以外的所有無(wú)機(jī)非金屬材料。它是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的，由金屬和非金屬元素的無(wú)機(jī)化合物構(gòu)成的多晶固體材料。陶瓷敏感材料壓阻陶瓷壓力傳感器壓電陶瓷壓力傳感器壓電陶瓷濾波器第九十三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日“功能陶瓷”是現(xiàn)代陶瓷發(fā)展的新成果，常被稱為先進(jìn)陶瓷。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(duì)溫度、壓力、磁性和光強(qiáng)變化等外界條件特別敏感的材料。陶瓷敏感材料是采用化學(xué)、物理及熱性能穩(wěn)定的金屬氧化物經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的，具有耐熱、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)良特性，而且適宜用在條件苛刻的氣氛中。陶瓷敏感材料熱敏功能陶瓷氧化鋯耐磨耐高溫陶瓷第九十四頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日特點(diǎn)：陶瓷是用無(wú)機(jī)粉末作原材料，經(jīng)過(guò)混合成形、燒結(jié)等工藝制成的一種材料。通過(guò)改變無(wú)機(jī)粉末的組成，可以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(duì)材料的性能影響很大，這些微結(jié)構(gòu)受制造工藝的影響。陶瓷敏感材料第九十五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日由于陶瓷材料是經(jīng)過(guò)混合、成形、高溫?zé)Y(jié)等簡(jiǎn)單工藝制成的，所以容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時(shí)價(jià)格低廉。陶瓷材料不燃燒、耐腐蝕、耐磨損，這些性能都是制造可靠性高的敏感元件所必需的?？赏ㄟ^(guò)和其他材料復(fù)合改進(jìn)性能。還可利用陶瓷的多功能性，實(shí)現(xiàn)用單一陶瓷片制成多功能敏感元件。陶瓷敏感材料第九十六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日納米陶瓷：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(jí)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(jí)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。陶瓷敏感材料第九十七頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日壓電晶體：石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨等。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(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(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。石英晶體的缺點(diǎn)是壓電常數(shù)較小，因此在一般要求測(cè)量用的壓電式傳感器中，則基本上采用壓電陶瓷。

壓電材料石英酒石酸鉀鈉電氣石第九十八頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日壓電陶瓷：由幾種氧化物或碳酸鹽在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生固相反應(yīng)而形成。鈦酸鋇：壓電常數(shù)要比石英晶體的大幾十倍，但其溫度穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)期穩(wěn)定性以及機(jī)械強(qiáng)度都小于石英，而且工作溫度最高只有80℃左右。鋯鈦酸鉛（PZT）：由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體，具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá)250℃，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度和時(shí)間等外界因素的變化較小。壓電材料壓電陶瓷鈦酸鋇鋯鈦酸鉛第九十九頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日壓電陶瓷：制造容易，可做成各種形狀；可任意選擇極化軸方向；易于改變瓷料的組分而得到具有各種性能的瓷料；成本低，適于大量生產(chǎn)。但由于是多晶材料，所以使用頻率受到限制。有機(jī)壓電材料：新近研究開(kāi)發(fā)出來(lái)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，它具有柔軟、不易破碎的特點(diǎn)。壓電材料第一百頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日要求：機(jī)-電轉(zhuǎn)換性能:應(yīng)具有較大的壓電常數(shù)。

機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的強(qiáng)度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲得良好的低頻特性。溫度和濕度穩(wěn)定性良好，具有較高的居里點(diǎn)以期得到較寬的工作溫度范圍。

時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。壓電材料第一百零一頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料。這種材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。特點(diǎn)：磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快、功率密度高磁致伸縮材料磁致伸縮液位計(jì)磁致伸縮位移傳感器第一百零二頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日形狀記憶材料：具有形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect）的材料。形狀記憶效應(yīng)：將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度以內(nèi)的變形后，再對(duì)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。形狀記憶材料形狀記憶塑料形狀記憶聚合材料第一百零三頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日（1）形狀恢復(fù)形式單程記憶效應(yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時(shí)不恢復(fù)低溫相形狀的現(xiàn)象。雙程記憶效應(yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫相狀態(tài),冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀。全程記憶效應(yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睢Ｐ螤钣洃洸牧系谝话倭闼捻?yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日種類：1）形狀記憶合金（SMA）在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來(lái)，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時(shí)，恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀。具有這種效應(yīng)的金屬，通常是由兩種以上的金屬元素構(gòu)成的合金。形狀記憶材料第一百零五頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日2）形狀記憶陶瓷（SMC）熱誘發(fā)、應(yīng)力誘發(fā)、外電場(chǎng)誘發(fā)。陶瓷的形狀記憶變形的量較?。欢颐看斡洃浹h(huán)中都有較大的不可恢復(fù)變形；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累積變形增加，最終導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)；它沒(méi)有雙程記憶效應(yīng)。形狀記憶材料形狀記憶結(jié)構(gòu)形狀記憶散熱器護(hù)柵第一百零六頁(yè)，共一百一十九頁(yè)，2022年，8月28日3）形狀記憶高分子（SMP）①變