现代传感技术与系统第2章

第二章 传感理论基础

2.1 2.2

信息获取与信息感知 自然规律与传感器

2.32.4

传感器的基础效应传感器的新型敏感材料

2.5

弹性敏感元件

2.1

信息获取与信息感知

2.1.1 信息获取2.1.2 传感器涉及的基础理论

1.信息获取的基本概念

什么是信息

人类获取信息的方法信息理论概述

2.传感器的任务是信息感知

传感器的基本任务 传感器是获取信息的工具 传感器应该满足一些必需的条件

2.1.2

传感器涉及的基础理论

1.传感技术正在成为多学科交汇点

2. 自然规律是传感技术的理论依据

自然界普遍适用的自然规律； 物质相互作用的效应原理； 实现效应的功能材料； 相关技术学科的前沿技术。

3.传感理论基础

3. 传感理论基础

自然界普遍适用的自然规律

物质相互作用的效应原理及功能材料物质相互作用的效应原理及功能材料

信息论、系统论与控制论非线性科学理论

相关学科的定理、方法及其最新成果

2.22.2.1 2.2.2 2.2.3

自然规律与传感器

守恒定律 场的定律 物质定律

2.2.4

统计物理学法则

2.2 自然规律与传感器 2.2.1

守恒定律

伯努利方程(关于密封管路中无粘性流体流动的能量守恒定 律):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。

2.2.1

守恒定律

皮托管：1732年由法国工程师皮托首创，至今仍是测量流速 的常用仪器。皮托管是用来测量运动流体内任一点流速的仪 器。

v

2 p p 0

2.2.2

场的定律

法拉第首先提出了磁力线、电力线的概 念，在电磁感应、电化学、静电感应的 研究中进一步深化和发展了力线思想， 并第一次提出场的思想，建立了电场、 磁场的概念。 其后，经典电磁场论(麦克斯韦、赫兹) 得到确立。在经典电磁学的建立与发展过 Michael Faraday 程中，形成了电磁场的概念。 (1791—1867)

2.2.2

场的定律

所谓物理场是指某一空间范围及其各种事物分布状况的 总称。场的定律，都是关于物质作用的客观规律。这些规律所 揭示的是物体在空间排列和分布状态与某一时刻的作用 有关的客观规律，一般可用物理方程给出。这些方程就 是某些传感器工作的数学模型，而与这些定律有关的参 数通常与具体物质的内部结构(如成分、材料)无关， 与物质在空间的位臵及分布状态与某时刻的作用有关。

2.2.2

场的定律

电磁感应定律指出：导体回路中感应电动势的大小与穿过回 路的磁通量的变化率成正比。

d K dt

当线圈以速度v垂直于磁场运

动时，由于切割磁力线，在线 圈中产生与运动速度成正比的感应电动势：

B l v N

自感式传感器、互感式传感器、感应同步器和电涡流式传感 器等，可用来测量位移、运动速度、振动等多种物理量。

2.2.2

场的定律

利用静电场的有关定律制成电容传感器。静电场中两平行电 极板间的电容量C为：

C

s

两极板相对移动Δδ时，C的变化量：

C C

2.2.2

场的定律

波是场的一种运动形态，光波是一种广泛存在的电磁波。 利用光电磁场的基本定律，如光的直线传播定律、光波之间 的相互作用，如光的干涉、衍射、偏振现象、光的多普勒效 应等，可以制成影像、干涉、衍射、偏振、光栅、光码盘等 各式各样的传感器和测量装臵。

2.2.2

场的定律

利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定， 与使用材料无关。

这类传感器的形状、尺寸等参数决定了传感器的量 程、灵敏度等性能，因此这类传感器统称为结构型 传感器。 它们具有设计的自由度较大、选择材料的限制较小 等优点，但体积一般较大，并且不易集成。

2.2.3

物质定律

物质定律是指各种物质本身内在性质的定律、法则、规律等。 它们通常以固有的物理常数加以描述。如胡克定律，欧姆定 律等。这些定律都含有物质所固有的常数，即定律是定义各 种物理常数的公式。

利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传感器。这些 传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理常数或化学、 生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关。