傳感器作業(yè)解答

1、第一次作業(yè)：1、什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的相互作用及相互關(guān)系如何？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成（如圖1 所示）。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分； 轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。 敏感元件的輸入是被測(cè)的非電量，如溫度、壓力、位移、加速度等，敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入，轉(zhuǎn)換元件的輸出是電量，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。比如在金屬電阻應(yīng)變式傳感器中，應(yīng)變片是敏感元件，電阻絲是轉(zhuǎn)換元件。

2、由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等， 信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源， 因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。2、什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？如何用公式表征這些性能指標(biāo)？如何標(biāo)定？答：傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出與輸入的關(guān)系。如果被測(cè)量是一個(gè)不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化緩慢的量，可以只考慮其靜態(tài)特性， 這時(shí)傳感器的輸入量與輸出量之間在數(shù)值上一般具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式中不含有時(shí)間變量。對(duì)靜態(tài)特性而言，傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系通?？捎靡粋€(gè)如下的多項(xiàng)式表示： y=a0

3、+a1x+a2x2+anxn 式中：a0輸入量x為零時(shí)的輸出量；a1，a2，an 非線性項(xiàng)系數(shù)。 各項(xiàng)系數(shù)決定了靜態(tài)特性曲線的具體形式。傳感器的靜態(tài)特性一般用下述5個(gè)性能指標(biāo)來(lái)描述，如靈敏度、 遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移等。 1、靈敏度：傳感器的靈敏度是輸出量增量y與引起輸出量增量y的相應(yīng)輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然， 靈敏度S值越大， 表示傳感器越靈敏。即2、線性度：傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值 Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用 L表示，即，式中 Lmax為最大非

4、線性絕對(duì)誤差； YFS為滿量程輸出值。3、遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，遲滯誤差又稱為回差或變差。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。 傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值Hmax與滿量程輸出值YFS之比稱為遲滯誤差，用H表示，即.4、重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值Rmax計(jì)算，即或。 5、漂移：在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化

5、，此現(xiàn)象稱為漂移。周?chē)h(huán)境溫度變化而引起的輸出變化稱為溫度漂移，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（一般為20）時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比()來(lái)表示， 即，式中t為工作環(huán)境溫度t偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t20之差，即t=t-t20；yt為傳感器在環(huán)境溫度t時(shí)的輸出；y20為傳感器在環(huán)境溫度t20時(shí)的輸出。 靜態(tài)特性的標(biāo)定方法：創(chuàng)造靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件、選擇標(biāo)定用的儀器設(shè)備、標(biāo)定傳感器靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下標(biāo)定的，靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件：沒(méi)有加速度、振動(dòng)和沖擊，環(huán)境溫度為室溫（15-25°C）、相對(duì)濕度小于85%，大氣壓

6、力為101+8kpa的情況。標(biāo)定的步驟：將傳感器全量程（測(cè)量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少下來(lái)，同時(shí)記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；按照上述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試，將得到的輸出-輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或畫(huà)成曲線；對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果，確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后、重復(fù)性和漂移等靜態(tài)特性指標(biāo)。 3、什么是傳感器的動(dòng)態(tài)特性？其分析方法有哪幾種？如何標(biāo)定？答：傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。傳感器的動(dòng)態(tài)特性一般都可以用下述

7、的微分方程來(lái)描述，其中，a0、a1、, an, b0、b1、., bm是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的常系數(shù)。傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)，從時(shí)域中對(duì)傳感器的響應(yīng)和過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行分析的方法稱為時(shí)域分析法。傳感器對(duì)不同頻率成分的正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性稱為頻率響應(yīng)特性。傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是通過(guò)測(cè)量傳感器的階躍響應(yīng)，研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有時(shí)間常數(shù)，二階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)有阻尼比和固有角頻率n。 確定一階傳感器時(shí)間常數(shù)的方法 （1）對(duì)于一階傳感器，測(cè)得階躍響應(yīng)之后，取輸出值達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)，測(cè)量結(jié)果的可靠性僅取決于個(gè)別的瞬時(shí)值，沒(méi)有涉及響應(yīng)的全過(guò)程。（2

8、）一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為 將上式改寫(xiě)為 上式表明中間變量z和時(shí)間t成線性關(guān)系，并且有，根據(jù)測(cè)得的值，作出z-t 曲線，并根據(jù)，求得時(shí)間常數(shù)，這種方法考慮了瞬態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程。 二階傳感器的阻尼比和固有角頻率n 典型欠阻尼二階傳感器的階躍響應(yīng)函數(shù)表明它的瞬態(tài)響應(yīng)是以的角頻率做衰減振蕩的，此角頻率稱為阻尼固有頻率，記為。按照求極值得通用方法，可以求得各振蕩值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間二階傳感器特性的微分方程為 輸入一階躍信號(hào)，上式變 A為階躍信號(hào)的幅值。 特征方程及其兩根分別為 當(dāng)時(shí)， 對(duì)二階傳感器，當(dāng)輸入單位階躍信號(hào)時(shí)，輸出為 令，將代入上式，可得最大超調(diào)量M 和阻尼比 的關(guān)系為？，測(cè)得M之后，即可求得

9、阻尼比。 如果測(cè)得階躍響應(yīng)的瞬變過(guò)程較長(zhǎng)，可以利用兩個(gè)超調(diào)量和來(lái)求得阻尼比 ，其中n是兩峰值間隔的周期數(shù)（整數(shù)）。設(shè)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間為將此式代入式，可得 整理后得，其中 當(dāng)小于0.1時(shí)，此時(shí)，由式可得若傳感器是精確的二階系統(tǒng)，n值采用任意正整數(shù)所得到的值不會(huì)有差別，反之，當(dāng)n取不同值時(shí)，獲得不同的值，則該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。還可以利用正弦輸入，測(cè)定輸出和輸入的幅值比與相位差，來(lái)確定傳感器的幅頻特性、相頻特性，求得一階傳感器的時(shí)間常數(shù)和欠阻尼傳感器的阻尼比和固有角頻率n。若傳感器不是純電氣系統(tǒng)，而是機(jī)械-電氣或其他物理系統(tǒng)，一般很難獲得正弦輸入信號(hào)，但獲得階躍信號(hào)輸入?yún)s很方便，此時(shí)

10、，使用階躍信號(hào)來(lái)標(biāo)定動(dòng)態(tài)參數(shù)。4、已知某一階傳感器的傳遞函數(shù)為， 求允許幅值誤差為10%時(shí)，該傳感器輸入信號(hào)的工作頻帶。解：相應(yīng)的幅頻特性為 時(shí)，無(wú)幅值誤差。時(shí)，出現(xiàn)幅值誤差。為使幅值誤差不超過(guò)10%，應(yīng)滿足由此解得 將代入上式，考慮到，得。因此該傳感器輸入信號(hào)工作頻帶為。5、某壓電式加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性可用下述微分方程描述式中，q為輸出電荷（pC）；a為輸入加速度。試確定該測(cè)量裝置的固有振蕩頻率、阻尼系數(shù)、靜態(tài)靈敏度K 的值。解：該加速度計(jì)為二階傳感器，其微分方程基本型式為此式與已知微分方程比較可得：靜態(tài)靈敏度系數(shù)固有振蕩頻率阻尼比6、證明：（1）用不帶保護(hù)套管的熱電偶插入恒溫水池中測(cè)量溫度時(shí)，

11、測(cè)溫傳感器是一個(gè)一階傳感器；（2）帶保護(hù)套管的熱電偶插入恒溫水池中測(cè)量溫度時(shí)，測(cè)溫傳感器是一個(gè)二階傳感器；(提示：根據(jù)能量守恒定律，列出熱電偶的熱平衡方程)證明:(1)設(shè)熱電偶質(zhì)量為m1，比熱容為c1，熱接點(diǎn)溫度為T(mén)1；被測(cè)介質(zhì)溫度為T(mén)0；被測(cè)介質(zhì)與熱電偶之間的熱阻為R1。根據(jù)能量守恒定律，列出熱電偶的熱平衡方程為： 式中，q01為被測(cè)介質(zhì)傳遞給熱電偶的熱量。將上式整理，消去中間變量q01，令時(shí)間常數(shù)為，得此即典型的一階傳感器方程。(2)設(shè)套管質(zhì)量為m2，比熱容為c2，溫度為T(mén)2，被測(cè)介質(zhì)溫度為T(mén)0，被測(cè)介質(zhì)與套管之間的熱阻為R2，套管與熱電偶之間的熱阻為R1，熱電偶熱接點(diǎn)溫度為T(mén)1，根據(jù)熱力

12、學(xué)能量守恒定律，對(duì)套管列方程： q02為被測(cè)介質(zhì)傳給套管的熱量， q21為套管傳給熱電偶的熱量。設(shè)熱電偶質(zhì)量為m1，比熱容為c1，對(duì)熱電偶列方程： 因q21<< q02 ，從上面各式消去中間變量，得：式中， ，。這是典型的二階傳感器的微分方程。 第二次作業(yè)：1 、比較金屬絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。答：電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為，當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)， 將伸長(zhǎng)l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響

13、而改變了d，從而引起電阻值相對(duì)變化量為，或。應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化 即1+2，應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化即（d/）/。對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中1+2的值要比(d/)/大得多，而半導(dǎo)體材料的(d/)/項(xiàng)的值比1+2大得多。 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時(shí)， 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，半導(dǎo)體應(yīng)變片E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍， 但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重， 使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 用應(yīng)

14、變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，根據(jù)上述特點(diǎn)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。2、當(dāng)一力傳感器承受負(fù)荷時(shí)，若貼在其上的電阻應(yīng)變片R1和R3受拉應(yīng)變，R2和R4受壓應(yīng)變。（1）畫(huà)出該傳感器的測(cè)量電橋（全橋）。（2）若應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2，電橋電源電壓為5V，求出當(dāng)應(yīng)變片承受1000微應(yīng)變時(shí)的電橋輸出電壓。解L（1）全橋如右圖所示。（2） 3 、如果將100 電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積，彈性模量, 若有的拉力引起應(yīng)變電阻變化為。試求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。解：應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量為 由材料力學(xué)理論知，應(yīng)變，為試件所受應(yīng)力，故

15、應(yīng)變 應(yīng)變片靈敏度系數(shù)為4、簡(jiǎn)述電容式傳感器的工作原理及其類型，并指出其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。答：由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為，式中，為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；S為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的S、 d或發(fā)生變化時(shí)， 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介電常數(shù)型三種。變極距型可測(cè)微小位 變面積型可測(cè)微小位

16、移和角位移 變介電常數(shù)型用來(lái)測(cè)量厚度和濕度設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：靈敏度、非線性和測(cè)量電路 變極距型電容傳感器的靈敏度為 變極距型電容傳感器的相對(duì)非線性誤差為 要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，輸入阻抗Zi很高, 運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。下圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖, 圖中Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓; Uo是輸出信號(hào)電壓; 是虛地點(diǎn)。 由運(yùn)算放大器工作原理可得，如果傳感器是一只平板電容，則Cx=S/d，可得，式中“-”號(hào)表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相，運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離

17、d成線性關(guān)系。 運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度， 還要求電源電壓Ui的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。 5、已知：差動(dòng)式電容傳感器的初始電容C1= C2=100pF,交流信號(hào)源電壓有效值U=6V，頻率f=100kHz。求：（1）在滿足有最高輸出電壓靈敏度條件下設(shè)計(jì)交流不平衡電橋電路，并畫(huà)出電路原理圖。 （2）計(jì)算另外兩個(gè)橋臂的匹配阻抗值；（3）當(dāng)傳感器電容變化量為 10pF時(shí)，求橋路輸出電壓。解L（1）：根據(jù)交流電橋電壓靈敏度曲線可知，當(dāng)橋臂比A的模a=1,相角時(shí)，橋路輸出電壓靈敏度系數(shù)由最大值，按此設(shè)計(jì)的不平衡電橋如右圖所

18、示。因?yàn)闈M足a=1,則， 當(dāng)時(shí)要選擇為電容和電阻元件。（2）（3）交流電橋輸出信號(hào)電壓根據(jù)差動(dòng)測(cè)量原理及橋壓公式得作業(yè)6：如圖所示氣隙型電感傳感器，銜鐵橫截面積，氣隙長(zhǎng)度，銜鐵最大位移，激勵(lì)線圈匝數(shù)匝，導(dǎo)線直徑，電阻率。當(dāng)激勵(lì)電源頻率為時(shí)，忽略漏磁及鐵損。要求計(jì)算：（1）線圈電感值；（2）電感的最大變化量；（3）當(dāng)線圈外斷面積為時(shí)求其直流電阻值；（4）線圈的品質(zhì)因數(shù)；（5）當(dāng)線圈存在200分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值變化多大？解（1）氣隙電感（2）當(dāng)銜鐵最大位移時(shí)，分別計(jì)算電感值L 1為 電感銜鐵最大位移變化時(shí)電感變化量為（3）線圈直流電阻式中l(wèi)CP為線圈平均每匝長(zhǎng)度。根據(jù)鐵心截面及線圈外斷

19、面取平均值，按斷面為計(jì)算每匝總長(zhǎng)度lCP為（4）線圈品質(zhì)因數(shù)（5）當(dāng)線圈存在分布電容C=200pF時(shí)引起電感變化為 以上結(jié)果說(shuō)明分布電容的存在使得等效電感LP的值增大。7、某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶體并聯(lián)每片厚度，圓片半徑，x切型。當(dāng)0.1MPa壓力垂直作用于平面時(shí)，求傳感器輸出電荷q和電極間電壓Ua值。解：當(dāng)兩片石英晶片并聯(lián)時(shí)，輸出電荷為單片的2倍，所以得到并聯(lián)總電容為單電容的2倍，得所以電極間電壓為8 、畫(huà)出電壓前置放大器與電荷前置放大器的電路圖，并分析兩者的區(qū)別和特點(diǎn)。解：電壓前置放大器與電荷前置放大器的電路圖分別如下所示（1）當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時(shí)， 前置放大器的輸

20、出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 此時(shí)壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。當(dāng)(Ca+Cc+Ci)R>>1 時(shí)，即作用力的變化頻率與測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)， /0>3，放大器輸入電壓Uim為，式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測(cè)量誤差。（2）電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。 式中 uo為放大器輸出

21、電壓；ucr為反饋電容兩端電壓。電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷與反饋電容Cr，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。在實(shí)際電路中， 要求反饋電容Cr的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好，考慮到不同的量程等因素， Cr的容量做成可選擇的，范圍為100104pF。第三次作業(yè)：1、某光柵的柵線密度為50線/nm，主光柵與指標(biāo)光柵之間夾角，求：（1）求其形成的莫爾條紋間距是多少？（2）若采用四只光敏二極管接收莫爾條紋信號(hào)，并且光敏二極管響應(yīng)時(shí)間為，問(wèn)此時(shí)光柵允許最快的運(yùn)動(dòng)速度V是多少？解：（1）光柵的柵線密度為50線/nm，故光柵常數(shù)莫爾條紋的間距（2）光柵運(yùn)動(dòng)速度與光敏二極管響應(yīng)

22、時(shí)間成反比，即：，所以最大允許速度為20m/s。2、什么叫熱電效應(yīng)？熱電勢(shì)有哪幾部分組成的？熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的必要條件是什么？ 答：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng), 該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分構(gòu)成：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。 如果熱電偶兩個(gè)電極的材料相同，兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同，不會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)；如果兩個(gè)電極的材料不同，但兩接點(diǎn)溫度相同，也不會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)；當(dāng)熱電偶兩個(gè)電極的材料不同，且兩接點(diǎn)固定后，熱電勢(shì)是兩接點(diǎn)溫度T、T0的函數(shù)，當(dāng)冷端溫度T0保持不變時(shí)，熱電勢(shì)是熱電偶熱端溫度T的單值函數(shù)。3、已知某霍爾元件

23、尺寸為長(zhǎng)L=10mm，寬b=3.5mm，厚d=1mm。沿L方向通以電流I=1.0mA，在垂直于b*d兩方向上加均勻磁場(chǎng)，輸出霍爾電勢(shì)UH=6.55mV。求該霍爾元件得靈敏度系數(shù)KH和載流子濃度n是多少？解：根據(jù)霍爾元件輸出電勢(shì)表達(dá)式，得 靈敏度系數(shù) KH=RH/d = 1/ned=/d,式中e為電子所帶電荷量。 故載流子濃度4、制作霍爾元件應(yīng)采用什么材料？霍爾片不等位電勢(shì)差是如何產(chǎn)生的？為了減小霍爾元件的溫度誤差應(yīng)采取哪些補(bǔ)償方法？答：霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。 若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則希望有較大的霍爾系數(shù)RH，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。 一般金屬材料載

24、流子遷移率很高，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低，故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零， 則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此許多參數(shù)都有較大的溫度系數(shù)。溫度變化時(shí)，霍爾元件的載流子濃度、 遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。 為了減小霍爾元件的溫度誤

25、差， 除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施，可使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定，但也只能是減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵(lì)電流I的變化的影響。 霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢(shì)的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫(xiě)成KH=KH0(1+T) ，式中KH0為溫度T0時(shí)的KH值； T=T-T0為溫度變化量；為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加T倍。 但如果同時(shí)讓激勵(lì)電流Is相應(yīng)地減小， 并能保持KH· Is 乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。 左圖為恒流溫

26、度補(bǔ)償電路 ，電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻Rp自動(dòng)地增大分流，減小了霍爾元件的激勵(lì)電流IH，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?設(shè)初始溫度為T(mén)0，霍爾元件輸入電阻為Ri0，靈敏系數(shù)為KH0，分流電阻為Rp0，根據(jù)分流概念得，當(dāng)溫度升至T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)?，式中為霍爾元件輸入電阻溫度系?shù)；為分流電阻溫度系數(shù)。 ，雖然溫度升高了T，為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、 后的霍爾電勢(shì)不變，即UH0=UH，則 KH0IH0B=KHIHB ，即KH0IH0=KHIH ，經(jīng)整理并略去(T)2高次項(xiàng)后得，當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入

27、電阻Ri0和溫度系數(shù)及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)是確定值。由上式即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)值。為了滿足Rp0及兩個(gè)條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合。 5、光電器件主要有哪些？光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑是多少？CCD的原理是什么?答：光電器件主要有光敏電阻、光敏二極管和光敏晶體管、光電池、光電耦合器件和電荷耦合器件。光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑（NA）為，數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過(guò)大， 光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過(guò)大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。 構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器， MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓Ug時(shí)，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)-表面勢(shì)阱。對(duì)帶負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)， 耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。 如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的光生電子就被