传感器原理及应用课后习题答案2.pdf

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1、习题集及答案第1章 概 述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪儿部分组成？试述它们的作用及相互关系。1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪儿种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。如果没有传感器，应该出现哪种状况。1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案1.1 答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传

2、感器。我们对传感器定义是：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。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。我国国家标准(GB76658 7)对传感器(Sensor/transducer)的定义是：“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和装置”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。1.2 答：组成由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用

3、传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。1.3 答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。1.5 答：图形符号（略），各部分含义如下：敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。传感器：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

4、装置，通常由敏感元件和转换元件组成。信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。变送器：能输出标准信号的传感器答：（略）答：（略）答:（略）第2章传感器的基本特性2.1 传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？它们一般可用哪些公式表示？2.2 传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？传感器的线性度九表征了什么含义？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。2.3 传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？2.4 传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数的定义是什么？它们之间有何联系与区别？2.5 有一温度传感器，微分方程为304/龙+3y=0.15x,其中y为输出电压

5、（mV）,X为输入温度（C）。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。2.6 有一温度传感器，当被测介质温度为测温传感器显示温度为胃2时，可用下列方程表示：hi+M d t/d r）。当被测介质温度从2 5 c突然变化到300c时，测温传感器的时间常数T0=120S,试求经过350s后该传感器的动态误差。2.7 某力传感器属二阶传感器，固有频率为1000Hz,阻尼比为0.7,试求用它测量频率为600Hz的正弦交变力时的振幅相对误差和相位误差。2.8 已知某二阶传感器系统的固有频率为20kH z,阻尼比为0.1,若要求传感器的输出幅值误差不大于3%,试确定该传感器的工作频率范围。2.9 设有两只力传

6、感器均可作为二阶系统处理，固有频率分别为800Hz和2.2kHz,阻尼比均为0.4,欲测量频率为400Hz正弦变化的外力，应选用哪一只？并计算所产生的振幅相对误差利相位误差。答案2.1 答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。2.2 答：1）实际传感器有非线性存在，线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较，其中存在偏差，这个最大偏差称为传感器的非线性误差，即线性度，2）选取拟合的方法很

7、多，主要有：理论线性度（理论拟合）;端基线性度（端点连线拟合）；独立线性度（端点平移拟合）；最小二乘法线性度。3）线性度九是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。4）传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地提出线性度，当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。2.3 答：1）传感器动态特性主要有：时间常数T；固有频率与；阻尼2：含义：工越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率以越高响应曲线上升越快；当纸为常数时响应特性取决于阻尼比3阻尼系数孑越大，过冲现象减弱，421时无过冲，不存在振荡，阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。2

8、.4 答：（略）2.5 解：对微分方程两边进行拉氏变换，Y（s）（30s+3尸0.15X则该传感器系统的传递函数为：、丫 0.15 0.05H（s）=-=-=-X（s）30s+3 105+1该传感器的时间常数7=10,灵敏度k=0.052.6 解：动态误差由稳态误差和暂态误差组成。先求稳态误差:对方程两边去拉氏变换得：T 1（5）=T 2（S）+TOST 2（S）则传递函数为T2 1T 1(5)ToS+1对于阶系统，阶跃输入下的稳态误差&，=0，再求暂态误差:当t=350s时,暂态误差为e(,)=(3 0 0 2 5)e-3 5 2 o=4,88故所求动态误差为：e=1 4.88。2.7解：所

9、求幅值误差为0.947,相位滞后5270,G(网2电,s2+2 ns+s=J(01 C D12+24一则，频率为600Hz时的幅值为IG(汝)|=1D-(-)22+2 -2 J l-(%=0.9476 0 0 .2 1 2 s n 6 0 0)-+2 x 0.7 x 11 0 0 0-1 0 0 0相对误差为(1-0.947)xi00%=5.3%2()夕=Tg 7-*-=-tg 1-3)2co2 x0.7x6 0 01 0 0 01-(6 0 01 0 0 0=一5 2 70 2.8 解：G(y(y)q I =_2+2匏,S+说 川1 C D”12+24叫|G(a)|=21(O-.21 0 0

10、 0 03)2 21 0 0 0 07+2 x0.lx 21 0 0 0 0J 1-()22+2X0.1XV 1 0 0 0 0令|G(/w)|=1.0 3,()2=加 贝 I J1 0 0 0 06；/2-1.96 +0.0 5 74=0 解得口=1.93,，=0.0 3 代入上式,得劭=1 3 89法，3=1 7 3%令|G(jw)|=0.97,则加2 _ 1.96勿-0.0 6 2 8=0 解得公=1.99(舍 负)代入上式，得6)3 =1 41 1/72由图2-1 8二阶传感器系统的幅频特性曲线知，该传感器的工作频率范围为:1389/ZZ6W1411Z/Z 或 317 3法2.9解：4

11、=0.4 1,由二阶传感器的频率特性，固有频率比被测信号频率越大越好，故应选固有频率为2.2k H z的那只。G(/。)吭_ _ _ _ _ _ I 一2+2期产+式用31 -C DJ+2分色1Go)|=1 1-(-)22+2-2 J l-(=0.940-4-0-0)、-2i22 +r2c x0c.4/x-4-0-0-11222 2 0 0 2 2 0 0相对误差为（1-0.940）x l 00%=6.0%Pz 时，C l C 2;C 2-C 1 =2-ACURL=R(R+2&)RLUY(CLC2)=4 0X8 0 X 2 X1 ()4 x 10X 1 ()6 x 2 X1 ()T2=0 36

12、jz(R+RL)2 60X60由于G G,电压UE的负半周占优势，故诙 的 方 向下正上负。第5章 电感式传感器5.1 何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪儿类？各有何特点？5.2 提高电感式传感器线性度有哪些有效的方法。5.3 说明单线圈和差动变间隙式电感传感器的结构、工作原理和基本特性。5.4 说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因及减小此电压的有效措施。5.5 为什么螺线管式电传感器比变间隙式电传感器有更大的测位移范围？5.6 电感式传感器测量电路的主要任务是什么？变压器式电桥和带相敏整流的交流电桥在电感式传感器测量电路中各可以发挥什么作用？采用哪种电路可以获得理想输出。5.7 概述

13、变间隙式差动变压器的结构、工作原理和输出特性，试比较单线圈和差动螺线管式电传感器的基本特性，说明它们的性能指标有何异同？5.8 差动变压器式传感器的测量电路有儿种类型？试述差动整流电路的组成和基本原理。为什么这类电路可以消除零点残余电压？5.9 概述差动变压器式传感器的应用范围，并说明用差动变压器式传感器检测振动的基本原理。5.10 什么叫电涡流效应？说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。电涡流式传感器的基本特性有哪些？它是基于何种模型得到的？5.11 电涡流式传感器可以进行哪些物理量的检测？能否可以测量非金属物体，为什么？5.12 试用电涡流式传感器设计一在线检测的计数装置，被测物体为钢球

14、。请画出检测原理框图和电路原理框图。答案5.1 答：电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。它可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数。电感式传感器种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。工作原理：自感、互感、涡流、压磁。5.2 答:电感传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。5.3（略）5.4 答：差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压AU。，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余

15、电压。产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互 感M、电感L、内阻R）不完全相同，儿何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：串联电阻；并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。5.5 答：螺线管式差动变压器传感器利用互感原理，结构是：塑料骨架中间绕一个初级线圈，两次级线圈分别在初级线圈两边，铁心在 骨 架 中 间 可 上 下 移 动，根 据 传 感 器 尺 寸 大 小 它 可 测 量100mm范围内的机

16、械位移。变间隙式电感传感器是利用自感原理，衔铁的与铁芯之间位移（气隙）与磁阻的关系为非线性关系，可动线性范围很小，因此测量范围受到限制。5.6（略）5.7（略）5.8（略）5.9（略）5 10 答：.块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。2）形成涡流必须具备两个条件：第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中。电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。当金属导体靠近交变磁场中时,导体内部就会产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场。由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，

17、使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。3）因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸（线圈直径）有关。4）回路方程的建立是把金属上涡流所在范围近似看成一个单匝短路线圈作为等效模型。5.11 答：1）.凡是能引 起 心 M变化的物理量，均可以引起传感器线圈打、4的变化，可以进行非电量检测；如 被 测 体（金属）的电阻率夕，导磁率，厚度，线圈与被测体之间的距离x,激励线圈的角频率。等都可通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关

18、系，使 小4变化；若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，便可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。2）电涡流传感器不可以直接测量非金属物体，这是由于传感器本身特性决定的。5.12（略）第 6 章磁电式传感器6 试述磁电感应式传感器的工作原理和结构形式。6.2 说明磁电感应式传感器产生误差的原因及补偿方法。6.3 为什么磁电感应式传感器的灵敏度在工作频率较高时，将随频率增加而下降？6.4 什么是霍尔效应？6.5 霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用金属做霍尔元件材料？6.6 霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？6.7 某霍尔兀件尺寸为L=10/WM,b=3,5mm,7=1 ,Omm,沿Z,方向通以电流

19、/=LO相，在垂直于上和6的方向加有均匀磁场8=O.3T,灵敏度为22勿（4 1）,次求输出霍尔电势及载添子浓度。6.8 试、析霍尔元件输出接有负载号时，利用恒压源和输人回路串联电阻与进行温度补偿的条件。6.9 霍尔元件灵敏度K”=40%/（4 7），控制电流/=3.0源，将它置于IxltT4 5xi（）Y r线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？6.10 列 举1-2个霍尔元件的应用例子。查找12个应用磁敏电阻制作的产品实例。6.11 磁敏电阻温度补偿有哪些方法？磁敏二极管温度补偿有哪些方法？有哪些特点？6.1 2 比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管，它们有哪些相同之处和不同之处？简

20、述其各自的特点。答案6.1（略）6.2 答：磁电感应式传感器两个基本元件，即永久磁铁和线圈，永久磁铁在使用前需要有稳定性处理，主要是线圈中电流产生的磁场对恒定磁场的作用（称为线圈磁场效应）是不能忽略的，需要采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。当环境温度变化较大时传感器温度误差较大，必须加以补偿。6.3 答：因为磁电感应式传感器的灵敏度为（e/“），振动频率过高时，线圈阻抗增大，使传感器灵敏度随振动频率增加而下降。6 4答：电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。6.5 答：1）任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔

21、元件。只有半导体材料适于制作霍尔元件。又因一般电子迁移率大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体制造。2）金属材料电子浓度虽然很高，但电阻率很小很小，使霍尔 电 势 很 小，因此不适于做霍尔元件材料。6.6 答：霍尔电势不为零的原因是，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率。不均匀等原因。6.7 解：KH=22V/（/T）,I=,OmA,B=0.3T 输出霍尔电势：UH=KHIB=6.6mVL Qmm.b=35mm,de=l.Omm,e=1.6x IO-19,载流子浓度为：一旦=一华一=28.41x10UHed 0.0066x1.6x10

22、 19 xO.OOl6.8（略）6.9 解：=40%/（/7）,/=3.0加4 8 =1x10-5x10-47.输出霍尔电势范围是：低端：UH=KHIB=n Vij 端：U”=606.10（略）6.11（略）6.12 答:霍尔元件具有体积小、外围电路简单、动态特性好、灵敏度高、频带宽等许多优点，在霍尔元件确定后，可以通过测量电压、电流、磁场来检测非电量，如力、压力、应变、振动、加速度等等，所以霍尔元件应用有三种方式：激励电流不变，霍尔电势正比于磁场强度，可进行位移、加速度、转速测量。激励电流与磁场强度都为变量，传感器输出与两者乘积成正比，可测量乘法运算的物理量，如功率。磁场强度不变时，传感器输

23、出正比于激励电流，可检测与电流有关的物理量，并可直接测量电流。磁敏电阻与霍尔元件属同一类，都是磁电转换元件，两者本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力，只有与辅助材料（磁钢）并用才具有识别磁极的能力。磁敏二极管可用来检测交直流磁场，特别是弱磁场。可用作无触点开关、作箱位电流计、对高压线不断线测电流、小量程高斯计、漏磁仪、磁力探伤仪等设备装置。磁敏三极管具有较好的磁灵敏度，主要应用于磁场测量，特别适于10一6丁以下的弱磁场测量，不仅可测量磁场的大小，还可测出磁场方向；电流测量。特别是大电流不断线地检测和保护；制作无触点开关利电位器，如计算机无触点电键、机床接近开关等；漏磁探伤及位移、转速、流量、压

24、力、速度等各种工业控制中参数测量。第7章压电式传感器7.1什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应?7.2 石英晶体利压电陶瓷的压电效应有何不同之处？为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？比较几种常用压电材料的优缺点，说出各自适用于什么场合？7.3 压电传感器能否用于静态测量？试结合压电陶瓷加以说明。7.4 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？7.5 电压放大器和电荷放大器本质上有何不同，电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们各自适用于什么情况？7.6己 知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为R j=lM

25、 Q，C j=100pF,求与压电加速度计相配，测1班振动时幅值误差7.7 冢 血 式 加 速 度 传 感 器 阻 尼 比4=0.1。若其无阻尼固有频率fo=32kH z,要求传感器输出幅值误差在5%以内，试确定传感器的最iW j响应频率。7.8 一压电加速度计，供它专用电缆的长度为1.2%,电缆电容为100pF,压电片本身电容为lOOOpR。出厂标定电压灵敏度为1 0 0 r/g,若使用中改用另一根长2.9m电缆，其电容量为300P八问其电压灵敏度如何改变？7.9 为什么压电器件一定要高阻抗输出？7.1 0 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5Q C7g,电荷放

26、大器灵敏度为50mp/尸C,当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅值为2匕 试 求该机器的振动加速度。答案7.1 答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应7.2 答:1）石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷P Z T是一种

27、多晶铁电体，原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理后，留下了很强的剩余极化强度，才能使其呈现出压电特性。2）比较石英晶体九、八,压电陶瓷的纵向压电常 数%大的多，是它们的上百倍。所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。常用的优能压电陶瓷是错钛酸铅（P Z T）,它具有很高的介电常数，工作温度可达2 5 0 o3）（略）7.3 答:1）由压电传感器的等效电路可见，要保证输出信号与输入作用力间的线性关系，只有在负载电阻较大，工作频率较高时，传感器电荷才能得以保存补充，需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，故压电传感器只能作动态测量，不宜作静态信号测量，只能在其上加

28、交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。2）（略）7.4.答:1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等。7.5 答：（略）7.6 解:.信号频率/=1 Z；放大器输入电阻K =1 A/Q

29、,电容G=幅值误差为:Ui m()=J+0 2 K 2 G 2,、dFUm-U式 吟u式）q,”（8）。加 3）=-0.9 9相对误差为:(1-0.9 9)x 1 0 0%=1%7.7 解：.已知阻尼比0=0.1,固有频率/o=32kHz;控制传感器在5%以内的幅值误差为：I (a)|=1 =11=0.9 5口 -(0)2 2+内 当 2 J l-(-)22+2 x O.l x -L2 con V 32kHz 32kHz式中)为最高响应频率：f =45 AOkHz7.8 解:已知压电加速度计电缆长度为1.2%电缆电容C=1 OOpF,传感器电容Q=1000pF;电压灵敏度为&=100P/g，电

30、压灵敏度K.d _dQ+C“+C 1 1 OOpR+1 OOOpF+Q=100K/g因 较小忽略前置电路输入电容电压灵敏度为:K.d dCc+Ca lOOpF+lQOOpF=100K/g求出：=0.11xl06更换2.9加电缆,电压灵敏度为:电容G=300p9K“dCc +CaO.llxlQ6300夕 f+1000夕 尸=84.62/g可见电缆加长后电压灵敏度下降。7.9（略）7.10 解:已知加速度计灵敏度为5 P C/g,电荷放大器灵敏度为50m入 PC当输出幅值为2%时，机器振动加速度为：IVISQmVIPC”g=0.8g5PC7g第 8 章光电效应及器件8.1 什么是内光电效应？什么是

31、外光电效应？说明其工作原理并指出相应的典型光电器件。8.2 普通光电器件有哪儿种类型？各有何特点？利用光电导效应制成的光电器件有哪些？用光生伏特效应制成的光电器件有哪些？8.3 普通光电器件都有哪些主要特性利参数？8.4 什么是光敏电阻的亮电阻利暗电阻？暗电阻电阻值通常在什么范围？8.5 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池的工作原理。如何正确选用这些器件？举例说明。8.6 光敏二极管由哪儿部分组成，它与普通二极管在使用时有什么不同？请说明原理。8.7 光敏三极管与普通三极管的输出特性是否相同？主要区别在哪里？8.8 何为光电池的开路电压及短路电流？为什么作为检测元件时要采用短路电流输

32、出形式，作为电压源使用时采用开路电压输出形式？8.9 光电池的结构特征是什么？它如何工作的？8.10 采用波长为0.80.9 加 的红外光源时，宜采用哪种材料的光电器件做检测元件？为什么？8.11 反射式光电传感器常见的有哪些类型？有什么特点？应用时要注意哪些影响？8.12 举出日常生活中的两个光电式传感器的应用例子，并说明原理。8.13 试拟定一光电开关用于自动装配流水线上工件计数检测系统（用示意图表示出装置结构），并画出计数电路原理示意图，并说明其工作原理。8.14 试叙述智能小车设计中，如何利用反射式光电传感器实现“寻迹”功能，并设计出光电传感器检测电路原理图。8.15 光电传感器控制电

33、路如图8-53所示，试分析电路工作原理：GPIS01是什图 8-53GP-ISOL么器件，内部由哪两种器件 组 成？当 用 物 体 遮挡光路时，发光二极管LED有什么变化？8是什么电阻,在电路中起到什么作用？如果乙二极管的最大额定电流为6 0 m A,匕应该如何选择？如 果GPIS01中的 心二极管反向连接，电路状态如何？晶体管V T、LED如何变化？8.16 光栅传感器的基本原理是什么？莫尔条纹是如何形成的？有何特点？分析光栅传感器具有较高测量精度的原因。8.17 某光栅的栅线密度为100线/mm,要使形成莫尔条纹宽度为10mm,求栅线夹角。足多少？答案：8.1 答：当用光照射物体时，物体受

34、到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。1）当光线照在物体上,使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应，典型的光电器件有光敏电阻；光照时物体中能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应，光电池、光敏晶体管。2）在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，典型的光电器件有光电管、光电倍增管。8.2 答：（略）8.3 答:光照特性；光谱特性；伏安特性；温度特性；频率特

35、性等8.4 答：暗电阻，无光照时的电阻为暗电阻，暗电阻电阻值范围一般为 0.5200MQ；亮电阻、受光照时的电阻称亮电阻，亮电阻的阻值一般为0.5 20KQ。8.58.68.78.81）光生电动势与照度之间关系为开路电压曲线，短路电流是指外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流值。X9XJX9咯各各出wBz(xzf书寄君等2）短路电流曲线在很大范围内与光照度成线性关系，因此光电池作为检测元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。而开路电压与光照度关系在照度为20001X以上趋于饱和呈非线性关系，因此适于作电压源使用。8.9 答：（略）8.10 答：1）采用波长为0.80.9 机

36、的红外光源时，宜采硅光电池或硅光敏管，其光谱响应峰值在0.8 加 附近，波长范围在0.41.2 R m o2）其中硅光电池适于接受红外光，可以在较宽的波长范围内应用。8.11 答：（略）8.12 答：（略）8.13 答:（略）8.14 答：（略）8.15 电路分析：1）GPIS01是光电开关器件，内部由发光二极管和光敏晶体管组成；2）当用物体遮挡光路时，吟无光电流PT截止，发光二极管LED不发光；3）均 是限流电阻，在电路中可起到保护发光二极管 力的作用；如果 力二极管的最大额定电流为60mA,选择电阻大于R尸（12V-0.7）/0.6=18.8Qo4）如果GPIS01中的心二极管反向连接，物

37、无光电流VT截止，发光二极管LED不发光；电路无状态变化。8.16 答：（略）8.17 解：已知：光栅的栅线密度为100线/m m 即W=0.02mm,B=10mm:.B=WI6：8=WIB=0.02/10=0.0022 d（即 0。0653）第 9 章 新型光电传感器9.1 象限探测器与PSD光电位置传感器有什么异同？各有哪些特点？9.2 叙述SSPD自扫描光电二极管阵列工作原理及主要参数特征。9.3 CCD电荷耦合器主要由哪两个部分组成？试描述CCD输出信号的特点。9.4 试述CCD的光敏元和读出移位寄存器工作原理。9.5 用CCD做几何尺寸测量时应该如何由像元数确定测量精度。9.6 CC

38、D信号二值化处理电路主要有哪种电路形式，可起到什么作用？9.7 说明光纤传感器的结构和特点，试述光纤的传光原理。9.8 当光纤的折射率Ni=L46，M=1.45时，如光纤外部介质M=1,求最大入射角”.的值。9.9 什么是光纤的数值孔径？物理意义是什么？M4取值大小有什么作用？有一光纤，其纤芯折射率为1.56,包层折射率为1.24,求数值孔径为多少？9.1 0 光纤传感器有哪两大类型？它们之间有何区别？9.1 1 图9-3 6为丫结构型光纤位移测量原理图，光源的光经光纤的 个 分 支 入 射，经物体反射后光纤的另一分支将信号输出到光探测器上。光探测器的输出信号与被测距离有什么样关系，试说明其调

39、制原理，画出位移相对输出光强的特性曲线。9.1 2 光纤可以通过哪些光的调制技术进行非电量的检测，说明原理。9.1 3 埋入式光纤传感器有哪些用途，举例说明可以解决哪些工程问题。答案9.1 答：1）象限探测器它是利用光刻技术，将一个整块的圆形或方形光敏器件敏感面分隔成若干个面积相等、形状相同、位置对称的区域，这就构成了象限探测器。PSD光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件。两种器件工作机理不同，但其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。光电位置传感器被广泛应用于激光束对准、平面度检测、二维坐标检测以及位移和振动测量系统。2）象限探测器有几个明显缺点：它需要分割从而产生死区

40、,尤其当光斑很小时，死区的影响更明显。若被测光斑全部落入某个象限时，输出的电信号无法表示光斑位置，因此它的测量范围、控制范围都不大，测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此它的分辨率和精度受到限制。与象限探测器相比PSD传感器有以下特点：（1）它对光斑的形状无严格要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关，这给测量带来很多方便。（2）光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率高，一 维PSD可达0.2 加。（3）可同时检测位置和光强，PSD器件输出的总光电流与入射光强有关，而各信号电极输出光电流之和等于总光电流，所以由总光电流可求得相应的入射光强。9.2 答：（略

41、）9.3 答：1）CCD基本结构由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器两部分组成。2）CCD电极传输电荷方向（向右或向左）是通过改变三相时钟脉冲的时序来控制的，输出的幅值与对应的光敏元件上电荷量成正比。信号电荷的输出的方式主要有电流输出和电压输出两种，电流输出型是输出电流与电荷成正比，在输出电路负载上形成输出电流。9.4 答：（略）9.5 答：两个光敏像元的空间尺寸必须小于被测量的最小尺寸。可测量的范呵是像元总宽度：_如，1024（相元数）x0.014能加（光敏像元的空间尺寸）=14.3相 加（测量范围）。9.6 答：普遍采用的CCD视频信号二值化处理电路是电压比较器，比较器的反相端接一个阈值电平

42、，视频信号电平高于阈值电平的部分均输出高电平，而低于阈值电平部分均输出低电平，在比较器的输出端就得到只有高低两种电平的二值信号，二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有明显的电平急剧变化，通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。9.7 答：（略）9.8 解：已知：乂=1.4 6,小=L 4 5,N。=1,/3c=a r c s i n（；JN；-N；）=a r c s i n 0.1 7 0 6 =9 4 9 9.9 答：1）数值孔径定义为：族=历 海，表示了光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只有在2

43、。张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。2）W4越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易，但M4越大光信号畸变越大，所以要选择适当。3）已知：M=L 5 6,N 2=124,;N A=四：一%；=o 4 6 69.10 答：光纤传感器大致可分为功能型和非功能型两大类，它们的基本组成相似，有光源、入射光纤、调制器、出射光纤、光敏器件。功能型又称传感型，这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下使光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。如果外界作用时光纤传播的光信号发生

44、变化，使光的路程改变，相位改变，将这种信号接收处理后，可以得到与被测信号相关的变化电信号。非功能型又称传光型，这时光纤只作传播光媒介，待测对象的调制功能是由其它转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。9.11 答：（略）9.12 答：光强度调制：利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测量被测信息。根据光纤传感器探头结构形式可分为透射、反射、折射等方式调制。相位调制：一般压力、张力、温度可以改变光纤的儿何尺寸（长度），同时由于光弹效应光纤折射率也会由于应变而改变，这些物理量可以使光纤输出端产生相位变化，借助干涉仪可将相位变化转换为光强的变化。干涉系统的种类很多，可根

45、据具体情况采用不同的干涉系统。频率调制：当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率工与光源频率/不同，这种现象称为光的“多普勒效应”。频率调制方法可以测量运动物体（流体）的速度、流量等。9.13 答：（略）第10章半导体式化学传感器10.1什 么是半导体气体传感器？它有哪些基本类型？气体传感器的发展动态如何？10.2 半导体气体传感器主要有哪几种结构？各种结构气体传感器的特点如何？10.3 如何提高半导体气体传感器的选择性？根据文献举例说明，目前实用气体检测方法常用哪些气敏传感器？它有什么特点？10.4 半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作？加热方式有哪几种？加热丝可以起到什

46、么作用？10.5 查找文献说明近年有哪些新性的气体传感器。10.6 什么是绝对湿度？什么是相对湿度？表示空气湿度的物理量有哪些？如何表示？10.7 湿度传感器的种类有哪些？主要参数有哪些？简述氯化锂湿度传感器的感湿原理。10.8 简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。半导体陶瓷湿敏传感器有那些特点？10.9 离子选择电极是如何分类的？离子选择电极分析法有什么特点？试述离子选择电极的结构与测量原理。答案：10.1 答:（略）10.2 答:1）按构成气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类；按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。2）早期电化学和光学方法，其检测速度慢、设备复杂、使用不方

47、便；新型金属氧化物半导体传感器由于灵敏度高、体积小、使用方便，已广泛用于检测、分析领域。电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化，电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件，传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成。非电阻型气敏传感器有不同类型，如利用MOS二极管的电容-电压特性变化，利用MOS场效应管的阈值电压的变化，利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。10.3 答：（略）10.4 答:1）因为在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器，加热时间23分钟,最佳工作温度为200c400。2）加热方式

48、分为直热式和旁热式。电阻型气敏传感器加热的目的有两个方面的因素，一是为了加速气体吸附利上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度，另外使附着在传感器元件壳面上的油雾、尘埃烧掉。10.5 答：（略）10.6 答:1）绝对湿度指单位体积空气内所含水汽的质量，一般用每立方米空气中所含水汽的克数表示AH=（g/m）2）相对湿度是指被测气体中，实际所含水汽蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用符号%RH（Relative Humidity）表示，无量纲。3）除用绝对湿度、相对湿度表示空气的水汽含量外，露点温度是一个与湿度相关的重要物理量，简称露点。当空气中温度下降到某一温度时，空气中的水汽

49、就有可能转化为液相而凝结成露珠，这一特定温度称为空气的露点或露点温度。10.7 答：（略）10.8 答:1）半导体湿敏电阻通常用两种以上的金属一氧化物一半导体烧结成多孔陶瓷，多孔陶瓷表面吸收水分的情况分为三个阶段，第一阶段是陶瓷在低湿区域或刚接触水汽；第二阶段是进一步吸收水分子或中等湿度环境；第三阶段大量水汽存在使晶粒界充满水分子。2）半导瓷湿敏传感器有正特性和负特性两种。负特性半导体瓷湿敏电阻的电阻值随湿度增加而下降，电阻率低，阻值-湿度特性好。由于水分子中（H2）氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，（P型半导

50、体电势下降,N型半导体出现反型层）电阻率随湿度增加而下降。10.9 答:1）ISFET没有金属栅极，而是在绝缘栅上制作了一层敏感膜，敏感膜种类很多，不同敏感膜检测离子种类不同，具有离子选择性，如：Si3N4氮,SiO2、A12O3（无机膜）可测性+（氢）、PH。2）器件在SiO2层与栅极间无金属电极，而是待测溶液，溶液与参比电极同时接触充当栅极构成场效应管，工作原理与场效应管相似。3）离子敏传感器是将普通MOSFET的金属栅去掉，让绝缘氧化层直接与溶液相接触，栅极用钠金属膜作引线，在钻膜上涂一层离子敏感膜，构成离子敏场效应管ISFET。当离子敏场效应管ISFET插入溶液时,被测溶液与敏感膜接触