傳感器技術(shù)及實(shí)訓(xùn)習(xí)題答案

1、1 .什么是傳感器？（傳感器定義）傳感器是接收信號或刺激并反應(yīng)的器件，以測量為目的，以一定精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、易于處理的電量信號輸出的裝置。2 .傳感器由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成：3 ）敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。4 ）轉(zhuǎn)換元件：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。5 ）轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。3.傳感器特性在檢測系統(tǒng)中起到什么作用？作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。目前傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，

2、作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來越明顯。而傳感器性能質(zhì)量直接影響到檢測系統(tǒng)的結(jié)果。4 .傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系？傳感器的特性是指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應(yīng)關(guān)系5 .靜態(tài)參數(shù)有哪些？各種參數(shù)代表什么意義？1）靈敏度靈敏度是指儀表、傳感器等裝置或系統(tǒng)的輸出量增量與輸入量增量之比。2）分辨力分辨力是指傳感器能檢出被測信號的最小變化量，是有量綱的數(shù)。3）線性度人們總是希望傳感器的輸入與輸出的關(guān)系成正比，即線性關(guān)系。4）遲滯遲滯是指傳感器正向特性和反向特性的不一致程度。5）穩(wěn)定性穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度和環(huán)境影響量兩個方面。穩(wěn)定度指的是儀表在所有條件都恒定不變的情況下，在規(guī)定的時

3、間內(nèi)能維持其示值不變的能力.環(huán)境影響量是指由于外界環(huán)境變化而引起的示值變化量。6 .動態(tài)參數(shù)有那些？應(yīng)如何選擇？動態(tài)特性是指傳感器輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性，傳感器的動態(tài)特性是傳感器的輸出值能夠真實(shí)地再現(xiàn)變化著的輸入量能力的反映。傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。一般來講，利用光電效應(yīng)，光電型傳感器響應(yīng)較快，工作頻率范圍寬。而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感傳感器、電容傳感器、磁電式傳感器等，往往由于結(jié)構(gòu)中的機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低，工作頻率也較低。在動態(tài)測量中，傳感器的響應(yīng)特性對測試

4、結(jié)果有直接影響，在選用時，應(yīng)充分考慮到被測物理量的變化特點(diǎn)（如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等）。1 .什么是應(yīng)變效應(yīng)？金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)。2 .說明電阻應(yīng)變片的組成和種類。電阻應(yīng)變片由基底、敏感柵、蓋層和引線組成。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。3 .在傳感器測量電路中，直流電橋與交流電橋有什么不同，如何考慮應(yīng)用場合？用電阻應(yīng)變片組成的半橋、全橋電路與單橋相比有哪些改善？直流電橋和交流電橋首先電源的不同；其次直流電橋是由電阻組成的電橋。交流電橋橋臂為電容稱電容電

5、橋或交流電橋橋臂為電感稱電感電橋。由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。用電阻應(yīng)變片組成的半橋、全橋電路比單橋相輸出靈敏度高同時非線性誤差小，因此在實(shí)際應(yīng)用中多采用四臂全橋。4 .電感式傳感器有哪些種類？它們的工作原理是什么？電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。自感式傳感器利用被測物理量變化引起傳感器線圈自感量變換進(jìn)行測量。把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。電渦流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測量的。5 .什么是電渦流效應(yīng)？電渦流傳感器可以進(jìn)行哪些非電量參數(shù)測量

6、？分別利用哪些物理量進(jìn)行檢測，由哪個電參量轉(zhuǎn)換進(jìn)行電量輸出的？金屬導(dǎo)體放置于變化的磁場中時，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。6 .如圖2-50所示是一種測量血壓的壓力傳感器在工作時的示意圖。薄金屬片P固定有4個電阻側(cè)面圖R1、R2、R3R4(如圖2-51所示)，這四個電阻連接成電路如圖2-52所示,試回答下列問題：(1)開始時金屬片中央O點(diǎn)未加任何壓力，欲使電壓表無示數(shù)，則4個電阻應(yīng)滿足怎樣的關(guān)系？R1*R4=R2*R3(或R1/R2=R3/R4)(2)當(dāng)O點(diǎn)

7、加一個壓力F后發(fā)生形變，這時4個電阻也隨之發(fā)生形變，形變后各電阻大小如何變化？R1和R4拉伸阻值增大；R2和R3縮短阻值減少。(3)電阻變化后，電阻的A、B兩點(diǎn)哪點(diǎn)電壓高？它為什么能測量電壓？A點(diǎn)電勢將高于B點(diǎn)電勢。這是直流電橋的四臂全橋測量轉(zhuǎn)換電路，它把電阻變換轉(zhuǎn)換成電壓輸出。1 .什么是壓電晶體的“壓電效應(yīng)”？敘述壓電式傳感器的工作原理。某些晶體（如石英等）在一定方向的外力作用下，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且晶體內(nèi)部會發(fā)生極化現(xiàn)象，晶體表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場。當(dāng)外力去除后，表面又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。壓電式傳感器是將被測量變化轉(zhuǎn)換成材料受機(jī)械力產(chǎn)生靜電電荷或電壓變化

8、的傳感器，是一種典型的、有源的、雙向機(jī)電能量轉(zhuǎn)換型傳感器或自發(fā)電型傳感器。壓電元件是機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如力、壓力、加速度等。2 .壓電式傳感器測量電路的作用什么？其核心是解決什么問題？與壓電元件配套使用的測量電路，其前置放大器應(yīng)有兩個作用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進(jìn)行放大。其核心解決的問題是由于壓電元件輸出的電信號微弱，電纜的分布電容及噪聲等干擾將嚴(yán)重影響輸出特性；由于壓電元件內(nèi)阻抗很高，要求壓電器件的負(fù)載電阻必須具有較高的值。3 .什么是“霍爾效應(yīng)”？一個霍爾元件在一定電流作用下，其霍爾電勢與哪些因素有關(guān)？置于磁場中

9、的靜止金屬或半導(dǎo)體薄片，當(dāng)有電流流過時，若該電流方向與磁場方向不一致，則在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。IB因?yàn)閁h=Rh=Kh舊，式中Kh=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由該式可知，霍d爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度。一個霍爾元件在一定電流作用下，其霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，其靈敏度與霍爾常數(shù)成正比而與霍爾片厚度成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。4 .霍爾傳感器適用于哪些場合？霍爾元件常用材料有哪些？各有什么特點(diǎn)？霍爾傳感器（霍爾元件和集成霍爾器件）具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于測量、自動控制及信息處理等領(lǐng)

10、域。目前常用的霍爾元件材料有：錯、硅、神化錮、睇化錮等半導(dǎo)體材料，其中N型錯容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好，應(yīng)用最為普遍。5 .溫度變化對霍爾元件輸出電勢有什么影響？如何補(bǔ)償？半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化，對溫度的變化很敏感，霍爾元件的性能參數(shù)如輸入電阻、輸出電阻、霍爾電勢等都會隨溫度的變化而變化，這將給測量帶來較大的誤差，為了減少這一測量誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，還可以采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)償。（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻；（2）采用溫度補(bǔ)償元件（如熱敏電阻、電阻絲等）。6 .下圖是汽車霍爾點(diǎn)火裝置示意圖，試說明工作原理。

11、圖3-21汽車霍爾點(diǎn)火裝置示意圖當(dāng)磁輪鼓不同磁極對應(yīng)霍爾IC面前時，SL3020霍爾傳感器的輸出為高、低電平，當(dāng)輸出低電平時，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。當(dāng)霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖綍r，經(jīng)反相變?yōu)榈碗娖剑_(dá)林頓管開關(guān)管截止，切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出3050kV的高電壓。1 .熱電阻傳感器主要分為幾種類型？它們應(yīng)用在什么不同場合？答：熱電阻根據(jù)感溫元件的材料不同分成兩種類型，一種是鉗電阻，一種銅電阻。鉗易于提純、復(fù)制性好，在氧化性介質(zhì)中、甚至在高溫下，其物理化

12、學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定。由于鉗是貴重金屬，因此在測量精度要求不高、測溫范圍較小的情況下，普遍采用銅電阻。銅電阻具有較大的電阻溫度系數(shù)，材料容易提純，銅電阻的阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，銅的價格比較便宜，所以銅電阻在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率較小，機(jī)械強(qiáng)度差，穩(wěn)定性也較差，容易氧化。2 .半導(dǎo)體熱敏電阻的主要優(yōu)缺點(diǎn)是什么？在電路中是怎樣克服的？答：熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導(dǎo)體傳感器。它的溫度系數(shù)很大，比溫差電偶和線繞電阻測溫元件的靈敏度高幾十倍，適用于測量微小的溫度變化。熱敏電阻體積小、熱容量小、響應(yīng)速度快，能在空隙和狹縫中測量。它的阻值高，測量結(jié)果受引線的影響小，可用于遠(yuǎn)距離測

13、量。它的過載能力強(qiáng)，成本低廉。但熱敏電阻的阻值與溫度為非線性關(guān)系，所以它只能在較窄的范圍內(nèi)用于精確測量。熱敏電阻在一些精度要求不高的測量和控制裝置中得到廣泛應(yīng)用。為了克服熱敏電阻的非線性，通常我們在電路里用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。3 .熱電偶冷端溫度對熱電偶的熱電勢有什么影響？為消除冷端溫度影響可采用哪些措施？答：熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。熱電偶冷端補(bǔ)償方法有很多種，主要包括冰點(diǎn)法（0C恒溫法、冰

14、浴法卜電橋法、二極管補(bǔ)償法（半導(dǎo)體PN結(jié)）、集成溫度傳感器補(bǔ)償法、恒溫遷移補(bǔ)償法、熱電勢修正法（計(jì)算修正法）、軟件補(bǔ)償法（微機(jī)法）、最小二乘擬合法、鉗電阻測量冷端溫度法等方法。4 .集成溫度傳感器的測溫原理，有何特點(diǎn)？答：集成溫度傳感器的測溫原理是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會給電路的調(diào)整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來測量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。如前所述，晶體管的基極一發(fā)射極電壓在恒定集電極電流條件下，可以認(rèn)為與溫度呈線性關(guān)系。但是，嚴(yán)格地說，這種線性關(guān)系是不完全的，即關(guān)系式中存在非線性項(xiàng)。另一方面，這種關(guān)系也不直

15、接與任何溫標(biāo)（絕對、攝氏、華氏或其它溫標(biāo)）相對應(yīng)。實(shí)際上，隨著溫度升高，基極-發(fā)射極電壓反而下降。此外，即使是同一型號同一批次的晶體管，其基極一發(fā)射極電壓值也可能有土100mV的分散性。鑒于上述原因，集成化的溫度傳感器幾乎無一例外地采用對管差分電路，這種電路給出直接正比于絕對溫度的線性輸出。5 .如果需要測量1000c和20c溫度時，分別宜采用哪種類型的溫度傳感器？答：測量1000c宜用熱電偶溫度傳感器，測量20c宜用熱敏電阻溫度傳感器。6 .什么叫熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶測溫原理及其工作定律的應(yīng)用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法。答：當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個接觸

16、點(diǎn)1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，這便是熱電動勢。兩種不同材料的金屬A、B具有不同的自由電子密度，設(shè)在溫度T時的自由電子密度分別為NA和NB,且NaNb。當(dāng)兩種金屬相接時，接觸面會發(fā)生電子擴(kuò)散現(xiàn)象。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到動態(tài)平衡時，在AB之間形成穩(wěn)定的電位差，形成接觸電勢eABo對于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為T、T0,且TT0O導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴(kuò)散，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢，這個電勢稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個接觸點(diǎn)1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一定大小

17、的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），溫度為參考溫度的另一端叫做冷端（也稱為參考端）；回路中所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢，冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：一個是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一個是單一導(dǎo)體的溫差電勢。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為

18、熱電偶的冷端補(bǔ)償。1.什么叫內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)？答：在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。光生伏特效應(yīng)是在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。2.光電器件有哪幾種類型？并說明它們的工作原理。答：半導(dǎo)體內(nèi)的電子在吸收光子后，如能克服表面勢壘逸出半導(dǎo)體表面，就會產(chǎn)生外光電效應(yīng)。光電管、光電倍增管等就是基于外光電效應(yīng)制成的光電器件。半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體，則所產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其

19、工作原理可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)是在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光生伏特效應(yīng)是在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。3.試述光敏電阻簡單結(jié)構(gòu)，用哪些參數(shù)和特性來表示它的性能？答：1）光電流、亮電阻：光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“10

20、0LX表示。2）暗電流、暗電阻：光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。3）靈敏度：靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。4）光譜響應(yīng)：光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。5）光照特性：光照特性指光敏電阻輸出的電信號隨光照度而變化的特性。6）伏安特性曲線：伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。7）溫度系數(shù)：光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻

21、在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。8）額定功率：額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高時，其消耗的功率就降低。4 .試述用光敏電阻檢測光的原理。答：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和硫化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大

22、于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子-空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強(qiáng)的而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。5 .試述光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池的工作原理，如何正確選用這些器件？舉例說明。答：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在

23、帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和硫化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子-空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴

24、對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強(qiáng)的而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏二極管的管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子-空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來改變電路中的電流。光敏三極管具有兩個PN結(jié)，其發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的

25、照射面積。光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。當(dāng)具有光敏特性的PN結(jié)受到光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當(dāng)于3倍的信號電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的

26、作用下，最后建立一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢。6 .紅外線傳感器有哪些類型？并說明它們的工作原理。答：紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：7 ）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測量；8 ）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；9 ）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；10 紅外測距和通信系統(tǒng)；11 混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。12 光纖傳感器由哪幾部分組成？各有什么作用？答：光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件（光纖或非光纖的）、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成。由光發(fā)

27、送器發(fā)出的光經(jīng)光源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。13 光纖位移傳感器測量位移時對被測體的表面有些什么要求？答：光纖傳感器位移/輸出電壓（信號）曲線的形狀取決于光纖探頭的結(jié)構(gòu)特性，但是輸出信號的絕對值卻是被測表面反射率的函數(shù)，為了使傳感器的位移靈敏度與被測表面反射率無關(guān)，可采取歸一化過程，即將光纖探頭調(diào)整到位移/輸出曲線的波峰位置上，調(diào)整輸人光使輸出信號達(dá)到滿量程，這樣就可對被測量表面的顏色、灰度進(jìn)行補(bǔ)償。14 如何利用光纖位移傳感器測量被測物體的振動頻率？答：反射式光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，

28、兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。使光纖探頭與反射板保持適當(dāng)距離（取線性區(qū)中間位置）。接通低頻振蕩器，使振動臺保持適當(dāng)振幅（不要碰到光纖探頭），將輸出信號接入示波器，測出振動

29、臺振動的振幅與頻率。1 .簡述半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類？答：半導(dǎo)體氣敏傳感器分成電阻式和非電阻式兩類，電阻式氣敏傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為燒結(jié)型，薄膜型和厚膜型三種；非電阻式氣敏傳感器分為二極管氣敏傳感器、MOS二極管氣敏器件和Pd-MOSFE汽敏器件等幾類。2 .電阻型氣敏器件為什么都附有加熱器？答：在實(shí)際應(yīng)用時，加熱器能使附著在控測部分上的油霧，塵埃等燒掉，同時加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應(yīng)速度，一般加熱到200400C,具體溫度視所摻雜質(zhì)不同而異。3 .簡述紅外式氣敏傳感器的測量原理？答：光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度C及厚度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù)N互

30、不相同。對同一氣體，N則隨入射波長而變。紅外式傳感器產(chǎn)生紅外光，穿過充有樣氣的氣室，然后被各種氣體的專用接收器接收。是利用不同元素對某個特定波長的吸收原理。4 .什么是絕對濕度和相對濕度？答：所謂濕度，是指大氣中所含的水蒸氣量。它有兩種最常用的表示方法，即絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是指一定大小空間中水蒸汽的絕對含量，相對濕度是指一定大小空間中水蒸汽的相對含量。5 .簡述幾種濕敏傳感器的組成、工作原理及特性。答：氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。典型的氯化鋰濕度傳感器有登莫（Dunmore）式和浸漬式兩種。登莫式傳感器是在聚苯乙烯圓管上做出兩條相互平行的鋁

31、引線做電極，在該聚苯乙烯管上涂覆一層經(jīng)過堿化處理的聚乙烯醋酸鹽和氯化鋰水溶液的混合液，以形成均勻薄膜。1 .光柵式傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的？把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角0,這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。采用光柵莫爾條紋原理測量位移的傳感器稱為光柵傳感器。標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的莫爾條紋。2 .光柵傳感器的工作原理是什么？莫爾條紋以光柵的相對運(yùn)動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端

32、得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出，直接顯示被測的位移量。3 .說明光柵傳感器實(shí)現(xiàn)辨向的基本條件和細(xì)分的意義。光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。細(xì)分的意義是為了提高分辨率和測量比柵距更小的位移量。4 .莫爾條紋特點(diǎn)有哪些？由光柵形成的莫爾條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測量精度。根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對光柵運(yùn)動進(jìn)行辨向。5 .簡單說明光電式編碼器的粗誤差產(chǎn)生原因，以及消除粗誤差的方法。在實(shí)際應(yīng)用中采用二進(jìn)制編碼器時，對碼盤的刻度要求十分嚴(yán)格，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。為了消除這種粗誤差，可采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤（格雷碼盤

33、）。6 .磁柵傳感器由哪幾部分組成？磁柵式傳感器由磁柵、磁頭和檢測電路組成。7 .動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭的主要區(qū)別是什么？動態(tài)磁頭有一個輸出繞組，只有在磁頭和磁柵產(chǎn)生相對運(yùn)動時才能有信號輸出，故不適用于速度不均勻，時走時停的機(jī)床。靜態(tài)磁頭有激磁和輸出兩個繞組，它與磁柵相對靜止時也能有信號輸出。8 .直線感應(yīng)同步器主要由哪幾部分組成？直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)由定尺和滑尺兩部分組成，長尺為定尺，短尺為滑尺。感應(yīng)同步器的定尺被安裝在固定部件上（如機(jī)床的臺座），而滑尺則與運(yùn)動部件或被定位裝置（如機(jī)床刀架）一起沿定尺移動。定尺和滑尺的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝相同，都是由基板、絕緣粘合劑、平面繞組和屏蔽層等部分組成

34、。1 .超聲波傳感器的基本原理是什么？超聲波探頭有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)研制的裝置可稱為超聲波傳感器，也稱作超聲波探頭或超聲波換能器。超聲波傳感器根據(jù)其工作原理，主要有壓電式、磁滯伸縮式等類型，在檢測技術(shù)中主要采用的是壓電式傳感器。2 .試分析壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)中阻尼塊的作用。阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當(dāng)激勵的電脈沖信號停止時，晶片將會繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。3 .超聲波物位測量有幾種方式？各有什么特點(diǎn)？將存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位；固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在的位置稱

35、為料位。二者統(tǒng)稱為物位。超聲波測物位，由于非接觸連續(xù)測量、安裝方便、不受被測介質(zhì)影響，因而具有可在較高溫度下測量、精度高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，在物位儀表中越來越受到重視。4 .智能傳感器的定義是什么？它是將一個或多個敏感元件與信息處IntelligentSensor,美國俗稱為Smart/輸出接口等組成。智能傳感器是利用微計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器智能化。理電路集成在同一硅片或GaAs片上，英文名字為Sensor,含有聰明、伶俐、精明能干的意思。5 .簡述智能傳感器的基本組成及特點(diǎn)。智能傳感器是由傳感器、微處理器、存儲器和輸入其特點(diǎn)是1）精度高，成本低；2）可靠性高，具有一定的可編程自動化能力；3）功能多，

36、具有多種形式的輸出；4）性能價格比高，尤其采用較便宜的單片機(jī)時更為明顯。6 .舉例說明智能傳感器的工作過程。如ST-3000系列智能壓力傳感器是美國霍尼韋爾公司20世紀(jì)80年代研制的產(chǎn)品，是世界上最早實(shí)現(xiàn)商品化的智能傳感器。它可以同時測量靜壓、壓差和溫度三個參數(shù)。書中圖8-10給出原理圖。圖中包括檢測和變送兩部分，被測的力或壓力通過隔離的膜片作用于擴(kuò)散電阻上，引起阻值的變化。擴(kuò)散電阻接在惠斯通電橋中，電橋的輸出代表被測壓力的大小。在硅片上制成兩個輔助傳感器分別檢測靜壓力和溫度。在同一芯片上檢測出的壓差、靜壓和溫度三個信號，經(jīng)多路開關(guān)分時地送接到A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號送到變送部

37、分。由微處理器負(fù)責(zé)處理這些數(shù)字。存儲在ROMfr的主程序控制傳感器工作的全過程。PROa責(zé)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和靜壓校準(zhǔn)。RAM存儲設(shè)定的數(shù)據(jù)，EEPRO昨?yàn)镽OM勺后備存儲器?，F(xiàn)場通信器發(fā)出的通信脈沖疊加在傳感器輸出的電流信號上。I/O一方面將來自現(xiàn)場通信器的脈沖從信號中分離出來，送到CPU中；另一方面將設(shè)定的傳感器數(shù)據(jù)、自診斷結(jié)果、測量結(jié)果送到現(xiàn)場通信器中顯示。SF-3000系列智能壓力傳感器可通過現(xiàn)場通信器來設(shè)定檢查工作狀態(tài)。1 .傳感器接口電路的作用是什么？傳感器接口電路的作用是將傳感器產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成為可供分析、計(jì)算、顯示及后處理的各種電信號。2 .傳感器接口電路一般結(jié)構(gòu)有哪些，舉例說明。1

38、）通常采用高輸入阻抗的阻抗匹配器作為前置電路。常見的阻抗匹配器有射極輸出器、場效應(yīng)管阻抗匹配器及運(yùn)算放大器阻抗匹配器。2）傳感器的輸出信號一般都比較小，需要經(jīng)過放大后才能利用，作為傳感器接口電路的放大器，可以用晶體三極管組成放大電路，也可以用運(yùn)算放大器組成放大電路。3）電荷放大器是一個帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗高增益的運(yùn)算放大器，被廣泛用于電場型傳感器的輸入接口。4）電橋電路是傳感器接口電路中常見的電路，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等特點(diǎn)，主要用于把傳感器的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號。根據(jù)電橋供電電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋兩種5）線性化電路的作用是把傳感器的輸入輸出特性由非線性轉(zhuǎn)換成線

39、性。如熱敏電阻的電阻-溫度特性是非線性的，如果不加處理，就會在實(shí)際使用時很不方便。最常用的方法是將熱敏電阻與溫度系數(shù)可忽略的固定電阻串（并）聯(lián)組成線性網(wǎng)絡(luò)。3 .模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用、類型及一般結(jié)構(gòu)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將由傳感器模擬接口電路調(diào)理過的模擬信號轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字量，并送入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通道中。有集成A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）,A/D轉(zhuǎn)換器是集成在一個芯片上能完成模擬輸入信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的電路單元。以其為核心，根據(jù)需要再附加多路模擬開關(guān)和采樣保持器等，可構(gòu)成完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。還有電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（簡稱為VFC）是將電壓或電流轉(zhuǎn)換成脈沖序列，該脈沖序列的瞬時周期精確地與輸入模擬

40、量成正比。VFC的轉(zhuǎn)換電路的形式較多，但以積分式VFC應(yīng)用最為廣泛。包括（1）積分復(fù)原型；（2）定電荷復(fù)原型。4 .數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的作用及基本工作原理。數(shù)模轉(zhuǎn)換是一種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與其相對應(yīng)的模擬量的方法，具有此功能的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱為D/A或DAC。它主要用于數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)電路，以便驅(qū)動顯示器、記錄儀等或用于自動化設(shè)備的控制。因此D/A和A/D均為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的重要功能部件。常用的D/A轉(zhuǎn)換器由電阻網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)及基準(zhǔn)電源等部分組成，目前基本上都集成于一塊芯片上。為了便于接口，有些D/A芯片內(nèi)還含有鎖存器。D/A轉(zhuǎn)換器的組成原理有多種，采用最多的是R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器5 .簡述干擾

41、噪聲的種類及來源。外部噪聲是系統(tǒng)外部由于人為或自然干擾造成的。主要是電磁輻射噪聲，例如電機(jī)、開關(guān)、電焊機(jī)及其它電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射，雷電、大氣電離以及其它自然現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁波干擾。6 .控制噪聲的方法有哪些？簡述控制原理。噪聲的控制方法主要由四種：屏蔽、接地、隔離和濾波屏蔽是用低電阻材料或磁性材料把元件、電路、組合件或傳輸線等包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁的或靜電的互相干擾。電路及傳感器中的地是指一個等電位點(diǎn)或等電位面。它是電路的基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連就是接地。電路接地除了安全以外（例如儀器外殼、底盤等要接到大地而稱為保護(hù)接地），就是對信號電壓有一個基準(zhǔn)電位。把接地與屏蔽正確地結(jié)合起來使用，能夠抑制大部分噪聲。當(dāng)信號電路在兩端接地時，很容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，這種方法同時可以起抑制漂移和安全保護(hù)作用。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合。盡管采用了不同的抗干擾措施，但仍會有不可忽視的噪聲存在于有用信號之中，因此在傳感器接口電路中，應(yīng)設(shè)置濾波器，對由各