傳感器技術(shù)及其工程應(yīng)用第2版習(xí)題參考答案

《傳感器技術(shù)及其工程應(yīng)用第2版》習(xí)題參考答案習(xí)題1什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它在自動測控系統(tǒng)中起什么作用？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。自動檢測和自動控制技術(shù)是人們對事物的規(guī)律定性了解、定量分析預(yù)期效果所從事的一系列技術(shù)措施。自動測控系統(tǒng)是完成這一系列技術(shù)措施之一的裝置。一個(gè)完整的自動測控系統(tǒng)，一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。傳感器的作用是對通常是非電量的原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換為電量，提供給測量電路處理。2.傳感器分類有哪幾種？各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？答：傳感器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種，一種是按被測輸入量來分，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等；另一種是按傳感器的工作原理來分，如電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、電勢型傳感器、電荷傳感器、半導(dǎo)體傳感器、諧振式傳感器、電化學(xué)式傳感器等。還有按能量的關(guān)系分類，即將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器；按輸出信號的性質(zhì)分類，即將傳感器分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。按被測輸入量分類的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用；缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。按工作原理分類的優(yōu)點(diǎn)是對傳感器的工作原理比較清楚，有利于專業(yè)人員對傳感器的深入研究分析；缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。3.什么是傳感器的靜態(tài)特性？它由哪些技術(shù)指標(biāo)描述？答：傳感器測量靜態(tài)量時(shí)表現(xiàn)的輸入、輸出量的對應(yīng)關(guān)系為靜態(tài)特性。它有線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯現(xiàn)象、分辨力、穩(wěn)定性、漂移等技術(shù)指標(biāo)。4.利用書上機(jī)械壓力傳感器的例子解釋什么是傳感器的幅頻特性和相頻特性？答：在動態(tài)（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測信號的變化。因此，需要傳感器具有良好的動態(tài)特性。測試和檢驗(yàn)傳感器的動態(tài)特性有瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。其中，頻率響應(yīng)法是給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同，初相位為零的正弦函數(shù)的被測量，測量其輸出的正弦函數(shù)輸出量的幅值與頻率的關(guān)系和相位與頻率的關(guān)系。動態(tài)特性優(yōu)良的傳感器，輸出的正弦函數(shù)輸出量的幅值對于各頻率是相同的，相位與各頻率成線性關(guān)系。例如，彈簧阻尼器組成的機(jī)械壓力傳感器，幅頻特性、相頻特性分別為如圖所示，時(shí)間常數(shù)τ很小時(shí)，幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率成線性關(guān)系，輸出位移能真實(shí)地反應(yīng)輸入作用力的變化規(guī)律，與作用力頻率無關(guān)。5.用作傳感器的材料有哪些？各利用了它們的什么特性？答：半導(dǎo)體材料，對很多信息量具有敏感特性；陶瓷材料，耐熱性、耐腐蝕性、多孔性、光電性、介電性、壓電性；石英材料，壓電特性；金屬氧化物及合金材料，壓電薄膜特性；無機(jī)材料，敏感光纖材料；有機(jī)材料，半導(dǎo)體、光電、磁性、柔性等特性；生化材料，生物體固有分子識別能力；高分子敏感材料，壓電、熱釋電特性；合成材料，多層結(jié)構(gòu)；智能材料，感知、驅(qū)動和控制特性。6.傳感器的性能指標(biāo)有哪些？設(shè)計(jì)、制造傳感器時(shí)應(yīng)如何考慮？試舉例說明？答：傳感器有基本參數(shù)指標(biāo)，例如量程、靈敏度、精度以及動態(tài)特性的頻率特性、上升時(shí)間、過沖量等；有環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，例如溫度、氣壓、濕度等；有可靠性指標(biāo)，例如壽命、平均無故障時(shí)間、絕緣電阻、耐壓等；還有供電方式、外形尺寸、重量、安裝方式等性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)、制造傳感器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要與可能，在確保主要性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，放寬對次要性能指標(biāo)的要求，以求得高的性能價(jià)格比。例如：測量體溫的溫度表用的是水銀材料（精度高，水銀低溫時(shí)要凍結(jié)），而家庭使用測量室內(nèi)溫度的溫度計(jì)用的是染色酒精（低溫時(shí)不凍結(jié)，價(jià)格便宜）。7.傳感器在標(biāo)定時(shí)為什么要按標(biāo)準(zhǔn)量值的傳遞系統(tǒng)進(jìn)行？若用砝碼對一個(gè)0～5Kg稱重的數(shù)字顯示可調(diào)電子秤進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，試列出操作步驟。答：為了保證標(biāo)定的各種量值的準(zhǔn)確一致，標(biāo)定應(yīng)按計(jì)量部門規(guī)定的檢定規(guī)程和管理辦法進(jìn)行。各種標(biāo)準(zhǔn)量值都有一個(gè)傳遞系統(tǒng)。按此系統(tǒng)，只能用上一級標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定下級傳感器及配套的儀器；如果待標(biāo)定的傳感器精度較高，也可以跨級使用更高級的標(biāo)準(zhǔn)裝置。標(biāo)定時(shí)應(yīng)注意同使用環(huán)境條件、安裝技術(shù)條件、配用電纜和放大器等一起標(biāo)定。對該電子稱進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，按其最大5Kg稱重量，由小到大（0～5Kg）取10個(gè)不同重量的砝碼（或組合10個(gè)砝碼重量）。將砝碼從小到大，進(jìn)行稱重，記錄顯示值。再將砝碼從大到小，進(jìn)行稱重，記錄顯示值。重復(fù)3次。以砝碼重量為橫坐標(biāo)，顯示值為縱坐標(biāo)，作出電子稱稱重誤差曲線，重復(fù)性曲線和遲滯曲線。8.試計(jì)算傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。答：對式兩邊取拉氏變換，可以計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。得：式中：為時(shí)間常數(shù)，為靜態(tài)靈敏度?？傻梅l特性和相頻特性為：為了分析簡單方便，可以令，則幅頻特性和相頻特性同書上例題一樣，為習(xí)題21.用K型（鎳鉻—鎳硅）熱電偶測量爐溫時(shí)，自由端溫度t0=30℃，由電子電位差計(jì)測得熱電勢E(t,30℃)=37.724mV，求爐溫t。答：參考端（自由端）溫度t0=30℃，由分度表2-1可查得E(30℃,0℃)=1.203mv，若測得熱電勢E(t,30℃)=37.724mv，則可得E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=37.724+1.203=38.927mv再查分度表可知爐溫t=940℃。2.熱電偶主要分幾種類型，各有何特點(diǎn)。我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶有哪幾種？答：熱電偶主要分普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。普通型熱電偶由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成，是工業(yè)測量上應(yīng)用最多的熱電偶；鎧裝熱電偶耐高壓、反應(yīng)時(shí)間短、堅(jiān)固耐用；薄膜熱電偶適用于各種表面溫度的測量。我國指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。3.利用分度號Pt100鉑電阻測溫，求測量溫度分別為t1=-100℃和t2=650℃的鉑電阻Rt1、Rt2值。答：在-100℃鉑電阻的電阻—溫度特性方程為：Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]將R0=100Ω、t1=-100℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2、C=-4.22×10-12/℃4代入，可計(jì)算得到Rt=100［1＋3.9684×10-3×（-100）＋（-5.847×10-7）×（-100）2＋（-4.22×10-12）×（-100）3×（-100－100）］＝59.6Ω在+650℃鉑電阻的電阻—溫度特性方程為：Rt=RO(1+At+Bt2)將R0=100Ω、t2=650℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2代入，可計(jì)算得到Rt=100（1＋3.9684×10-3×650＋-5.847×10-7×6502）＝333Ω4.利用分度號Cu100的銅電阻測溫，當(dāng)被測溫度為50℃時(shí),問此時(shí)銅電阻Rt值為多大？答：Rt≈R0(1+αt)R0為溫度為0℃時(shí)銅電阻值，Cu100為100Ω，α1為常數(shù)；α1=4.28×10-3℃-1。代入算得Rt≈100×（1＋4.28×10-3×50）＝121.4Ω5.畫出用四個(gè)熱電偶共用一臺儀表分別測量T1、T2、T3和T4的測溫電路。若用四個(gè)熱電偶共用一臺儀表測量T1、T2、T3和T4的平均溫度，電路又應(yīng)怎樣連接？答：（1）四個(gè)熱電偶分別接電子開關(guān)，再接同一臺測量儀表，通過選通電子開關(guān)的辦法，實(shí)現(xiàn)分別測量T1、T2、T3和T4的溫度。（電子開關(guān)可以采用DG801／802超導(dǎo)通電阻（最大導(dǎo)通電阻為0.4Ω）電子開關(guān)，S端輸入，D端輸出，C端高電平時(shí)選通。）（2）四個(gè)熱電偶并聯(lián)再接測量儀表，可以實(shí)現(xiàn)共用一臺儀表測量T1、T2、T3和T4的平均溫度。圖略，可參照圖2－12。6.硅二極管測溫電路，如圖2-16所示。當(dāng)被測溫度t為30℃時(shí)，輸出電壓為5V，當(dāng)輸出電壓為10V時(shí)，問被測溫度為多高？答：溫度每變化1℃，輸出電壓變化量為0.1V。輸出電壓為10V時(shí)，被測溫度為80℃。7.利用如圖2-27所示集成溫度傳感器測量溫度，如果被測溫度為30℃時(shí)，輸出電壓為303mV，問被測溫度為120℃時(shí)，輸出電壓UR為多高？答：溫度每變化1℃，輸出電壓變化量為1mV（每1度K與每1℃相同）。被測溫度為120℃時(shí)，輸出電壓UR為303mV＋90mV，即393mV。8.分析圖2-28所示熱電偶參考端溫度補(bǔ)償電路工作原理。答：集成溫度傳感器AD590應(yīng)緊貼熱電偶參考端，處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定輸出電壓U0=2.5V。電路工作時(shí)，調(diào)整電阻R2使得集成溫度傳感器AD590的隨溫度變化的輸出電流的I1分量為I1=t0×10-3I1的單位是mA，即1μA／K的電流。這樣在電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度t0變化的補(bǔ)償電壓U1=I1R1。選擇R1使U1與EAB（t0,0℃）近似相等。U1與熱電偶輸出電壓EAB（t,t0）串聯(lián)相加后輸入測量儀表，起參考端溫度補(bǔ)償作用，測量儀表顯示的為實(shí)際測量溫度值。9.正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻各有什么特性？各有哪些用途？哪一種熱敏電阻可以做“可恢復(fù)熔絲”？答：正溫度系數(shù)熱敏電阻隨溫度升高阻值增大，阻值隨溫度的變化有線性型和突變型。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻隨溫度升高阻值降低，，阻值隨溫度的變化有突變型和負(fù)指數(shù)型。線性型正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)指數(shù)型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻適用于溫度測量。突變型正溫度系數(shù)熱敏電阻和突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻適用于溫控開關(guān)和溫度保護(hù)電路。突變型正溫度系數(shù)熱敏電阻可以做“可恢復(fù)熔絲”。溫度升高到突變值，電阻陡然升高，相當(dāng)于保險(xiǎn)絲熔斷。當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻陡然變小，相當(dāng)于保險(xiǎn)絲又恢復(fù)接通了。10.參照電冰箱熱敏電阻溫控電路，用熱水器專用溫度傳感器設(shè)計(jì)熱水器溫度控制電路？答：如圖，溫度降低到一定值，繼電器K接通，電加熱器加熱。溫度升高到一定值，繼電器K斷開，電加熱器停止加熱。習(xí)題31.彈性敏感元件的作用是什么？有哪些彈性敏感元件？如何使用？答：彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。有變換力的彈性敏感元件，例如等截面柱式、圓環(huán)式、等截面薄板、懸臂梁及軸狀等結(jié)構(gòu)。有變換壓力的彈性敏感元件，例如彈簧管、波紋管、波紋膜片、膜盒和薄壁圓筒等，它可以把流體產(chǎn)生的壓力變換成位移量輸出。應(yīng)仔細(xì)分清不同彈性敏感元件的性能，根據(jù)測量物理量的性質(zhì)、大小、測量條件和測量精度，選用合適的彈性敏感元件。2.電阻應(yīng)變片是根據(jù)什么基本原理來測量應(yīng)力的？簡述圖3-9所示不同類型應(yīng)變片傳感器的特點(diǎn)。答：電阻應(yīng)變片是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，通過電阻測量來測量所受的應(yīng)力。金屬電阻應(yīng)變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、應(yīng)變花等。圖3-9所示絲繞式應(yīng)變片粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形，性能穩(wěn)定，且可制成滿足高溫、強(qiáng)磁場、核輻射等特殊條件使用的應(yīng)變片。缺點(diǎn)是U型應(yīng)變片的圓弧型彎曲段呈現(xiàn)橫向效應(yīng)，H型應(yīng)變片因焊點(diǎn)過多，可靠性下降。箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)是粘合情況好、散熱能力較強(qiáng)、輸出功率較大、靈敏度高等。在工藝上可按需要制成任意形狀，易于大量生產(chǎn)，成本低廉。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)大、機(jī)械滯后小、頻率響應(yīng)快、阻值范圍寬（可從幾歐～幾十千歐），易于做成小型和超小型；但熱穩(wěn)定性差，測量誤差較大。3.圖3-11（d）為應(yīng)變片全橋測量電路，試推導(dǎo)其輸出電壓U0表達(dá)式。答：圖3-11（d）是四個(gè)橋臂均為測量片的電路，且互為補(bǔ)償，有應(yīng)變時(shí)，必須使相鄰兩個(gè)橋臂上的應(yīng)變片一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓?？梢杂?jì)算輸出電壓為4.利用圖3-12分析石英晶體的壓電效應(yīng)。答：當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，如圖3-12（b）所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對位移，正電荷中心向B面移動，負(fù)電荷中心向A面移動，因而B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉伸力時(shí)，如圖3-12(c)所示，晶格上的粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，但硅離子和氧離子向外位移大，正負(fù)電荷中心拉開，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷，A面呈現(xiàn)正電荷。在Y方向施加壓力時(shí)，如圖3-12（d）所示，晶格離子沿Y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。沿Y軸施加拉伸力時(shí)，如圖3-12（e）所示,晶格離子在Y向被拉長，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。5.利用圖3-18（a）等效電路分析該壓電傳感器電路為什么不能用于靜態(tài)力的測量？答：前置放大器輸入端電壓Ui復(fù)數(shù)形式為當(dāng)作用于壓電元件力為靜態(tài)力時(shí)，ω=0，則前置放大器的輸入電壓等于零，因此壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測量。6.如圖3-19所示，壓電陶瓷片d33=5×10-10C/N，反饋電容Cf=0.01若輸出電壓U0=0.4V,求壓電傳感器受力為多大？答：由算得Q＝0.01×10-6×0.4＝0.004×10-6由算得壓電傳感器受力F＝0.004×10-6／5×10-10＝8N（牛頓）7.利用圖3-26分析差動式電容傳感器提高靈敏度的原理。答：差動式電容傳感器中間電極不受外力作用時(shí)，由于d1=d2=d0,所以C1=C2，則兩電容差值C1-C2=0。中間電極若受力向上位移Δd，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為可見，電容傳感器做成差動型后之后，靈敏度提高一倍。8.閉磁路總磁阻由哪兩部分組成？其中哪部分起主要作用？它對所繞線圈的電感量影響如何？答：磁路總磁阻是由兩部分組成，即導(dǎo)磁體磁阻Rm1和氣隙磁阻Rmo，其中氣隙磁阻Rmo起主要作用，它對所繞線圈的電感量影響大。氣隙變化量越小，非線性失真越??；氣隙越小，靈敏度越高。9.差動變隙式電感傳感器是如何工作的？差動變壓器式傳感器又是如何工作的？兩種電感傳感器工作原理有什么異同？答：閉磁路式自感傳感器電感量L為：當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感變化為：電感的相對變化為：差動變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈和磁路組成，當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動工作形式，使靈敏度提高一倍。差動變壓器式傳感器有多種型式，螺線管式差動變壓器由初級線圈、兩個(gè)次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。初級線圈輸入激勵(lì)電壓，兩個(gè)次級線圈感應(yīng)的輸出電壓反相串聯(lián)后輸出。圓柱形鐵芯受外力移動時(shí)，輸出電壓變化，可測位移方向和距離。差動變隙式電感傳感器是位移產(chǎn)生磁阻變化，造成自感量的變化，差動變壓器式傳感器是位移產(chǎn)生磁阻變化，造成互感量的變化。最后都要轉(zhuǎn)換為電壓輸出進(jìn)行測量。10.MPX4100A型集成硅壓力傳感器由哪幾部分電路組成？單晶硅壓電傳感器單元是如何工作的？為什么需要加溫度補(bǔ)償和放大電路？答：MPX4100A型集成硅壓力傳感器由3部分電路組成，它們是單晶硅壓電傳感器單元，薄膜溫度補(bǔ)償器和第一級放大器，第二級放大器和模擬電壓輸出電路。單晶硅壓電傳感器單元受到垂直方向上的壓力p時(shí)，該壓力進(jìn)入熱塑殼體，作用于單晶硅壓電傳感器管芯，與密封真空室的參考壓力相比較，使輸出電壓大小與壓力p成正比。該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可由微處理器計(jì)算出被測壓力值。單晶硅壓電傳感器本身的內(nèi)阻比較大，而輸出能量又比較小，且隨溫度的變化比較大，所以，通常需要加溫度補(bǔ)償和放大電路。11.指套式電子血壓計(jì)中采用了哪種傳感器？如何實(shí)現(xiàn)血壓測量？答：指套式電子血壓計(jì)是利用放在指套上的壓力傳感器。把手指的血壓變?yōu)殡娦盘枺呻娮訖z測電路處理后直接顯示出血壓值的一種微型測量血壓裝置。指套的外圈為硬性指環(huán)，中間為柔性氣囊。它直接和壓力源相連，旋動調(diào)節(jié)閥門時(shí)，柔性氣囊便會被充入氣體，使產(chǎn)生的壓力作用到手指的動脈上。把手指的血壓脈動最大值和最小值變?yōu)槊}沖電信號，由電子檢測電路處理后直接顯示出血壓值。習(xí)題41.光電效應(yīng)有哪幾種？與之對應(yīng)的光電元件有哪些？請簡述其特點(diǎn)。答：通常把光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。根據(jù)這些光電效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換器件（光電元件），如：光電管，光電倍增管，光敏電阻，光敏晶體管，光電池等。光電管的金屬陽極A和陰極K封裝在一個(gè)玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。光電流Iφ正比于光電子數(shù)，而光電子數(shù)又正比于光通量。光電倍增管的陰極和陽極間設(shè)置許多二次發(fā)射電極D1、D2、D3、…，光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管大倍，因此光電倍增管靈敏度極高。光敏電阻受到光照時(shí)，電阻率變小。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失，電子-空穴對逐漸復(fù)合，電子也逐漸恢復(fù)原值。光敏晶體管有兩個(gè)PN結(jié)，從而可以獲得電流增益。光線通過透明窗口落在集電結(jié)上，在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，大部分的電子穿越基區(qū)流向集電區(qū)，集電極電流IC是原始光電流的β倍，靈敏度高。光電池基于光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射在光電池上時(shí)，可以直接輸出電動勢及光電流。2.光電傳感器可分為那幾類，請分別舉出幾個(gè)例子加以說明。答：利用光電效應(yīng)可制成了各種光電式傳感器。眾多的光電傳感器中，最為成熟且應(yīng)用最廣的是可見光和近紅外光傳感器，熱釋電傳感器屬于中、遠(yuǎn)紅外線傳感器，光纖傳感器屬于傳光型傳感器。光電傳感器的應(yīng)用類型有兩類。一類是模擬量光電傳感器，一類是開關(guān)量光電傳感器。模擬量光電傳感器有光輻射檢測型，例如光電比色高溫計(jì)；光透射檢測型，例如液體、氣體渾濁度計(jì)；光反射檢測型，例如物體表面光潔度計(jì)。開關(guān)量光電傳感器有穩(wěn)定的“通”、“斷”狀態(tài)，例如長度、厚度測量儀，轉(zhuǎn)速表，繼電器開關(guān)等。3.某光電開關(guān)電路如圖4-44（a）所示，施密特觸發(fā)反相器CD40106的輸出特性如圖4-44（b）所示。1）請分析該電路的工作原理；答：無光照時(shí)，光敏二極管VD1不導(dǎo)通，IC1的1端低電平，2端輸出高電平，晶體管VT1導(dǎo)通，繼電器得電流吸合，將外接電路接通。有光照時(shí)，光敏二極管導(dǎo)通，IC1的1端高電平，2端輸出低電平，晶體管VT1截止，繼電器無電流釋放，將外接電路斷開。2）列表說明各元件的作用；答：元件作用元件作用VD1光敏二極管IC1施密特觸發(fā)反相器VD2繼電器反向感應(yīng)電動勢泄流R2隔離降壓電阻R1向IC1提供輸入電壓K繼電器RP調(diào)節(jié)向IC1輸入電壓大小VT1繼電器導(dǎo)通激勵(lì)晶體管3）光照從小到大逐漸增加時(shí)，繼電器K的狀態(tài)如何改變？反之當(dāng)光照由大變小時(shí)繼電器的狀態(tài)如何改變？答：光照從小到大逐漸增加時(shí)，繼電器由吸合狀態(tài)滯后一段時(shí)間再變化到釋放狀態(tài)；當(dāng)光照由大逐漸變小時(shí)，繼電器由釋放狀態(tài)滯后一段時(shí)間再變化到吸合狀態(tài)。滯后狀態(tài)形成回差，保證了繼電器不會在光照閾值點(diǎn)來回反復(fù)吸合和釋放。（a）（b）圖4–44光電開關(guān)電路及特性（a）電路；（b)CD40106的輸出特性4.某光敏晶體管在強(qiáng)光照時(shí)的光電流為2.5mA，選用的繼電器吸合電流為50mA，直流電阻為200Ω?，F(xiàn)欲設(shè)計(jì)兩個(gè)簡單的光電開關(guān)，其中一個(gè)是有強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合，另一個(gè)相反，是有強(qiáng)光照時(shí)繼電器釋放。請分別畫出兩個(gè)光電開關(guān)的電路圖（只允許采用普通晶體管放大光電流），并標(biāo)出電源極性及選用的電壓值。答：（a）強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合（b）強(qiáng)光照時(shí)繼電器釋放圖（a）R1和RP共約300Ω，圖（b）R1約5kΩ，R2和RP共約1kΩ。5.造紙工業(yè)中經(jīng)常需要測量紙張的“白度”以提高產(chǎn)品質(zhì)量，請你設(shè)計(jì)一個(gè)自動檢測紙張“白度”的測量儀，要求：畫出傳感器簡圖；畫出測量電路簡圖；簡要說明其工作原理。答：如圖所示，光源照射白紙，反射光照射到光電池上，產(chǎn)生光生電動勢輸出，光生電動勢大小與白紙反射光強(qiáng)度有關(guān)，反射光強(qiáng)度又與白紙的白度有關(guān)。該光生電動勢經(jīng)運(yùn)算放大器放大后輸出到測量儀表，或再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，測出白紙的白度。其測量的精度需用精確的白度儀進(jìn)行校準(zhǔn)。6.在物理學(xué)中，與重力加速度g有關(guān)的公式為s=υ0t+gt2/2，式中υ0為落體初速度，t為落體經(jīng)設(shè)定距離s所花的時(shí)間。請根據(jù)上式，設(shè)計(jì)一臺測量重力加速度g的教學(xué)儀器，要求同第5題（提示：υ0可用落體通過一小段路程s0的平均速度υ0’代替）。答：如圖所示。圖中1、5為RS觸發(fā)器，2、6為高頻脈沖發(fā)生器，3、7為計(jì)數(shù)器，4、8為計(jì)算顯示器。當(dāng)物體自上向下自由落體時(shí)，首先遮斷光源LEDA的光線，光敏二極管VDA輸出低電平，觸發(fā)RS觸發(fā)器，使其Q端置“1”，與非門打開，高頻脈沖可以通過，計(jì)數(shù)器3開始計(jì)數(shù)。當(dāng)物體經(jīng)過已知高度h1而遮擋光源LEDB時(shí)，光敏二極管VDB輸出低電平，RS觸發(fā)器Q端置“0”，與非門關(guān)閉，高頻脈沖不能通過，計(jì)數(shù)器3停止計(jì)數(shù)。設(shè)高頻脈沖的頻率f=1MHz，周期T=1μs，若計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)為n，則可計(jì)算出物體通過已知高度h1所經(jīng)歷的時(shí)間為t1=nT=nμs，則物體下落的平均速度為V=h1/nT該平均速度近似作為自由落體的初速，由計(jì)算顯示器4計(jì)算后輸入計(jì)算顯示器8備用。物體繼續(xù)向下自由落體，計(jì)數(shù)器7以同樣的辦法所計(jì)脈沖數(shù)為m,可計(jì)算出物體通過已知高度h2所經(jīng)歷的時(shí)間為t2=mT=mμs。計(jì)算顯示器8根據(jù)h2、t2、V和公式h2＝Vt2＋gt22/2可計(jì)算得到重力加速度g。7.標(biāo)準(zhǔn)化考試，學(xué)生用2B鉛筆填涂答題卡，由機(jī)器閱卷評分。答題卡機(jī)器光電頭首先將正確答題卡填涂信息錄入到答題卡機(jī)器軟件系統(tǒng)，然后將需要閱讀的答題卡用光電頭錄入，與正確答題卡填涂信息對比，給出得分。試用學(xué)過的光電式傳感器知識，設(shè)計(jì)一答題卡機(jī)器方案，畫出框圖。答：OMR光標(biāo)閱讀器，如圖。光標(biāo)閱讀器由機(jī)械傳動部分、光電傳感器部分和微處理器部分組成。一般可閱讀16開、32開和64開信息卡（答題卡）。信息卡邊緣有定位同步帶線。閱讀速度一般2張／秒。機(jī)械傳動部分包括電動機(jī)、電機(jī)驅(qū)動、分紙機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)。光電傳感器部分包括多個(gè)（例如43個(gè)）紅外發(fā)光二極管和同樣數(shù)量的光敏二極管，組成一個(gè)線型陳列。微處理器包括A/D轉(zhuǎn)換器、CPU、RAM、EPROM、鍵盤和顯示器，通過USB接口與PC機(jī)通信。光標(biāo)閱讀器組成框圖如圖所示。8.光耦合器有哪幾種結(jié)構(gòu)？能做哪些用途？光耦合器在插卡式電源開關(guān)中起什么作用？答：光耦合器有窄縫透射式，可用于片狀遮擋物體的位置檢測，或碼盤閱讀、轉(zhuǎn)速測量中；有反射式，可用于反光體的位置檢測，對被測物不限制厚度；有全封閉式，用于前后級電路的隔離。插卡式電源開關(guān)中，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。住宿卡插入光斷路器的凹槽內(nèi)，正好擋住光線，光敏晶體管截止，光斷路器輸出高電平，使VT1和VT2導(dǎo)通，繼電器K工作，接通房間內(nèi)的總電源。住宿人員外出，取走住宿卡，光線無阻擋，光敏晶體管導(dǎo)通，光斷路器輸出低電平，使VT1截止。C3起延時(shí)作用，其充的電放完后，VT2截止，繼電器K斷開，切斷房間總電源。9.簡單敘述熱釋電紅外傳感器工作原理和電路組成。答：若使某些強(qiáng)介電物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。這種現(xiàn)象在鈦酸鋇一類的強(qiáng)介電物質(zhì)材料上表現(xiàn)得特別顯著。利用熱釋電效應(yīng)做成的熱釋電紅外線傳感器的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。用敏感元件PZT（鈦鋯酸鉛）做成的熱釋電紅外線傳感器電路如圖所示，在PZT（鈦鋯酸鉛）上下兩面做上電極，并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。其輸出阻抗極高，輸出電壓信號又極其微弱，通過場效應(yīng)管FET放大器及厚膜源極輸出電阻，以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，減小輸出電阻，增大帶負(fù)載能力。10.光纖傳感器有哪兩種類型？簡單敘述光纖傳感器水源檢測設(shè)備工作原理。答：分為功能型傳感器和非功能型傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測量發(fā)生變化，利用光纖作為敏感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。非功能型傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱混合型光纖傳感器。光纖傳感器水源檢測設(shè)備如圖所示，由光纖傳感器、聚光鏡、CCD圖像傳感器、計(jì)算機(jī)組成。利用載體將對重金屬離子特別敏感的試劑覆膜于光纖的一端形成探頭，探頭放置于監(jiān)測水源中。照進(jìn)水源的太陽光線經(jīng)探頭進(jìn)入光纖，被探頭覆膜顏色調(diào)制的光線由光纖傳輸至高清晰度CCD圖像傳感器成像，再由計(jì)算機(jī)與參照圖像對比，判定重金屬種類和含量。存儲器11.試畫出條形碼識讀設(shè)備電路組成粗框圖。存儲器模數(shù)變換計(jì)算機(jī)解碼、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理?xiàng)l碼電脈沖信號整形條碼電脈沖信號放大模數(shù)變換計(jì)算機(jī)解碼、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理?xiàng)l碼電脈沖信號整形條碼電脈沖信號放大顯示器掃描筆顯示器打印機(jī)打印機(jī)習(xí)題51.CCD的MOS電容器陣列是如何將光照射轉(zhuǎn)換為電信號并轉(zhuǎn)移輸出的？答：每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件，假定半導(dǎo)體襯底是P型硅，當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時(shí)，會產(chǎn)生電子空穴對（光生電荷），電子被柵極吸引存儲在陷阱中。入射光強(qiáng)，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。這樣把光的強(qiáng)弱變成與其成比例的電荷的多少，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會消失，可實(shí)現(xiàn)對光照的記憶。一個(gè)個(gè)的MOS電容器可以被設(shè)計(jì)排列成一條直線，稱為線陣；也可以排列成二維平面，稱為面陣。每一個(gè)光敏元件（像素）對應(yīng)有三個(gè)相鄰的柵電極1、2、3，在時(shí)序脈沖的作用下，三個(gè)相鄰的柵電極依此為高電平，將電極1下的電荷依此吸引轉(zhuǎn)移到電極3下。再從電極3下吸引轉(zhuǎn)移到下一組柵電極的電極1。到整個(gè)一行的各像素都傳送完，在CCD的末端就能依次接收到原存儲在各個(gè)MOS電容器中的電荷。完成一行像素傳送后，再進(jìn)行第二行像素的傳送，直到傳送完整個(gè)面陣上所有行的MOS電容器中的電荷為止，完成一幀像素的傳送。2.CCD圖像傳感器上使用光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點(diǎn)？答：合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)最簡單，但是因光生電荷的積蓄時(shí)間比轉(zhuǎn)移時(shí)間長得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。分離式結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極管在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷，再經(jīng)過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強(qiáng)光下也不會燒傷感光面。3.舉例說明CCD圖像傳感器的用途。答：攝像機(jī)、照相機(jī)、監(jiān)視器、圖像分析儀、物體形狀檢測儀、掃描儀、腸胃鏡、液體濃度分析儀等。4.CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器有什么不同？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：CCD圖像傳感器是MOS電容器組成的陣列，CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列?；パa(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）如下圖所示。它是把與CMOS型放大器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放大器的柵源電壓時(shí)，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即，CMOS型放大器的P型襯底受光信號照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，當(dāng)積蓄過程結(jié)束，柵源之間加上開啟電壓時(shí)，源極通過漏極負(fù)載電阻對外接電容充電形成電流即為光信號轉(zhuǎn)換為電信號的輸出。5.數(shù)字照相機(jī)是如何工作的？使用低檔、中檔和高檔數(shù)字照相機(jī)拍攝照片有什么不同效果？為什么？答：變化的外界景物通過鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上，當(dāng)感覺滿意的圖像出現(xiàn)時(shí)，可由取景器電路發(fā)出信號鎖定，再由CCD彩色圖像傳感器轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號由放大器放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)ASIC集成電路壓縮后，存儲在PCMCIA卡（個(gè)人電腦存儲卡國際接口標(biāo)準(zhǔn)）上。低擋、中擋和高檔數(shù)碼相機(jī)的CCD片的大小和感光元件的數(shù)量（即像素）不同，低檔、中檔的只有1／2英寸，200像素、330萬像素，高檔的有2／3英寸，800像素、1200萬像素，則照相的清晰度和層次都不同。6.在光線偏暗時(shí)，用手機(jī)拍攝的相片效果不好，清晰度不高，為什么？答：CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS圖像傳感器主要問題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。所以CMOS圖像傳感器對光源的要求要高一些，分辨率即清晰度也沒有CCD圖像傳感器高。新型背照式CMOS是將傳統(tǒng)CMOS表面的電子電路布線層移到感光面的背部，使感光面前移接近微型透鏡頭，能獲得約兩倍于傳統(tǒng)正照式CMOS的光通量，從而使CMOS傳感器可在低光照環(huán)境下、夜視環(huán)境下使用，低光照對焦能力也大大提高。7.二維碼如何尋像和定位？答：矩陣式二維碼，在矩陣的3個(gè)角落有像“回”字的正方圖案，連接左右兩個(gè)“回”字最下邊一橫和上下兩個(gè)“回”字最右邊一豎，為黑、白元素相間的兩條模塊。它們都是幫助解碼軟件尋像和定位用的。所以掃描二維碼進(jìn)行識讀時(shí)，可以任何角度進(jìn)行。8.光纖內(nèi)窺鏡如何工作？答：光纖內(nèi)窺鏡如圖所示。工作時(shí)，將檢測探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部或病人腸胃器官內(nèi)，光源發(fā)出的光由傳光光纖束傳輸，照亮被測對象，由物鏡成像到傳像束的物鏡端，傳像束把被測對象的像素傳送到目鏡端。傳像束由玻璃光纖按陣列排列而成，一根傳像束一般由幾萬到幾十萬條直徑為10～20μm的光纖組成，每一條光纖傳送一個(gè)像素的信息。傳送到傳像束目鏡端的像素可以通過目鏡成像，供人觀察，或送顯示器顯示。習(xí)題61.什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電壓與哪些因素有關(guān)？答：在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個(gè)電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。1）霍爾電壓UH大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。2）霍爾電壓UH與元件的尺寸關(guān)系很大，生產(chǎn)元件時(shí)要考慮到：3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。2.霍爾器件由什么材料構(gòu)成？為什么用這些材料？答：由霍爾電壓公式設(shè)，得式中，RH為霍爾系數(shù)，反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱；KH為霍爾靈敏度，表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。一般來說，金屬材料電子濃度n較大，導(dǎo)致和變小，故不宜做霍爾元件?；魻栐话悴捎肗型半導(dǎo)體材料。3.霍爾器件有哪些指標(biāo)？使用時(shí)應(yīng)注意什么？答：輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT，要與電路匹配。額定控制電流IC，不能超過。不等位電勢U0，要注意消除測量誤差?；魻栯妷篣H，要符合測量要求。霍爾電壓的溫度特性，注意消除溫度造成的測量誤差。4.什么是磁阻效應(yīng)，產(chǎn)生的原因是什么？答：當(dāng)霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場作用時(shí)，會出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的電路元件，叫做磁阻元件。產(chǎn)生的原因是當(dāng)磁場垂直作用在磁阻元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場方向某個(gè)霍爾角θ，這使電流流通的途徑變長，導(dǎo)致磁阻元件兩端金屬電極間的電阻值增大。5.闡述磁敏二極管的工作原理。答：磁敏二極管是平面P+-i-N+型結(jié)構(gòu)的二極管。在電路連接時(shí)，P+區(qū)接正電壓，N+區(qū)接負(fù)電壓，P+區(qū)向i區(qū)注入空穴，N+區(qū)向i區(qū)注入電子。在沒有外加磁場情況下，大部分的空穴和電子分別流入N區(qū)和P區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少部分載流子在r區(qū)復(fù)合。若給磁敏二極管上加一個(gè)正向磁場，空穴和電子受洛侖茲力的作用偏向r區(qū)，由于空穴和電子在r區(qū)的復(fù)合速率大，載流子數(shù)量減少，使i區(qū)的電阻增大，壓降也增大，正向電流減小。若給磁敏二極管上加一個(gè)反向磁場，載流子在洛侖磁力的作用力下，均偏離復(fù)合區(qū)r，結(jié)果與加正向磁場時(shí)的情況恰好相反，載流子數(shù)量增加，正向電流增大，電阻減小。6.新型的磁傳感器有哪些？工作原理如何？答：磁阻元件將磁信息轉(zhuǎn)換成電阻變化，具有阻抗低、阻值隨磁場變化率大、非接觸式測量、頻率響應(yīng)好、動態(tài)范圍廣及噪聲小等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于無觸點(diǎn)開關(guān)、壓力開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等場合。磁敏二極管、磁敏晶體管可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于磁場的檢測、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測量、位移測量、電流測量、無觸點(diǎn)開關(guān)、無刷直流電機(jī)等許多領(lǐng)域。7.分析圖6-16所示霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作原理。圖6-16霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作示意及電路答：鋼球?yàn)殍F磁性材料，鋼球到達(dá)，磁場增強(qiáng)，霍爾開關(guān)集成傳感器UGN3020在增強(qiáng)磁場的作用下，輸出霍爾電壓增大為高電平，加在運(yùn)算放大器的反向輸入端，輸出為低電平，晶體管截止，集電極輸出高電平。鋼球離開，磁場減弱，霍爾開關(guān)集成傳感器在減弱磁場的作用下，輸出霍爾電壓減小為低電平，加在運(yùn)算放大器的反向輸入端，輸出為高電平，晶體管導(dǎo)通，集電極輸出低電平。高、低電平變化為一個(gè)脈沖信號，輸入到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。8.霍爾元器件在地磁場中會產(chǎn)生霍爾電壓，其大小正比于霍爾元器件正面法線與磁子午線所成角度的余弦值，連接指示儀表后可做成航海羅盤。試畫出航海羅盤的組成框圖，解釋羅盤的使用方法。答：霍爾元件在地磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)到不同的方位，可以得到霍爾電壓輸出為UH=KHIBcosθf(L/W)式中：KH為霍爾靈敏度，I為輸入霍爾元件電流值，B為地磁場的水平分量，θ為霍爾元件正面法線與地磁子午線的夾角，f(L/W)為霍爾元件形狀效應(yīng)系數(shù)。航海羅盤的組成框圖如下：將霍爾線性集成傳感器SL3501的霍爾電壓輸出同指示儀表相連，就可以從儀表上讀出方位角來。9.將圖6-13所示自動供水電路改為樓道照明燈來人自動亮燈電路。答：如圖所示。采用HN911熱釋電紅外傳感器作為探測模塊，平時(shí)1端輸出低電平，當(dāng)有人進(jìn)入監(jiān)視范圍時(shí)，熱釋電紅外傳感器接受到紅外能量，輸出1端變?yōu)楦唠娖?，電路運(yùn)行，VT2導(dǎo)通，照明燈點(diǎn)亮。人走后，延時(shí)一段時(shí)間后熄滅。照明燈可采用多個(gè)高亮度LED發(fā)光二極管串并聯(lián)組成的節(jié)能燈。習(xí)題71.用作位移測量的電位器傳感器是如何工作的？它的的主要主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？答：用作位移測量的電位器傳感器由電阻體、電刷、轉(zhuǎn)軸、滑動臂、焊片等組成，轉(zhuǎn)軸和滑動臂相連，在滑動臂的一端裝有電刷，靠滑動臂的彈性壓在電阻體上并與之緊密接觸。用機(jī)械運(yùn)動調(diào)節(jié)電位器的轉(zhuǎn)軸，帶動滑動臂轉(zhuǎn)動，將機(jī)械位移或其它能轉(zhuǎn)換為位移的非電量，轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起電路中輸出電壓的變化。電位器傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有：(1)最大阻值和最小阻值，指電位器阻值變化能達(dá)到的最大值和最小值；(2)電阻值變化規(guī)律，指電位器阻值變化的規(guī)律，例如對數(shù)式、指數(shù)式、直線式等；(3)線性電位器的線性度，指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差；(4)滑動噪聲，指調(diào)電位器阻值時(shí)，滑動接觸點(diǎn)打火產(chǎn)生的噪聲電壓的大小。2.畫圖分析光柵位移傳感器莫爾條紋放大作用原理，并討論數(shù)量關(guān)系。答：莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，當(dāng)指示光柵不動，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動，查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ較小時(shí)，主光柵移動一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即當(dāng)θ角較小時(shí)，例如θ=30′，用弧度表示為1／115，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。這樣，就可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移,從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量。3.簡單分析磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理。答：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、磁盤等組成。在磁盤上加工有齒形凸起，磁盤裝在被測轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁盤的凸凹齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙大小變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。磁路通過感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時(shí)，感應(yīng)線圈會感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢，其頻率為f=Z·n式中：Z——磁輪的齒數(shù)；n——磁輪的轉(zhuǎn)數(shù)。測出脈沖頻率，即可得知被測物體的轉(zhuǎn)速。如果磁電式轉(zhuǎn)速傳感器配接上數(shù)字電路，便可組成數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量儀，可直接讀出被測物體的轉(zhuǎn)速。4.光電式轉(zhuǎn)速傳感器可以在哪些工程和設(shè)備中獲得使用？答：光電式轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速的范圍很寬，可以在機(jī)械、建筑、化工、電子工程中檢測、試驗(yàn)、控制汽輪機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、車床、攪拌機(jī)、計(jì)數(shù)器、流水線等轉(zhuǎn)速時(shí)獲得使用。光電式轉(zhuǎn)速傳感器特別適合測量很低的轉(zhuǎn)速，在精密轉(zhuǎn)速測量設(shè)備、伺服設(shè)備、數(shù)字加工機(jī)床等設(shè)備中獲得更好使用。5.解釋導(dǎo)電式水位檢測器工作原理。答：如圖，當(dāng)水位低于檢知電極時(shí)，兩電極間呈絕緣狀態(tài)，檢測電路沒有電流流過，傳感器輸出電壓為零。如果水位上升到與檢知電極端都接觸時(shí)，由于水有一定的導(dǎo)電性，因此測量電路中有電流流過，指示電路中的顯示儀表就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在限流電阻兩端有電壓輸出。如果把輸出電壓和控制電路連接起來，便可對供水系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。6.試設(shè)計(jì)一個(gè)多電極、多水位的水位控制系統(tǒng)。答：如圖低水位時(shí)，VT3基極無電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，VT2基極低電平導(dǎo)通，集電極高電平加到晶體管VT4基極，VT4導(dǎo)通，繼電器得電吸合，繼電器接點(diǎn)接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關(guān)打開，給水箱加水。中水位時(shí)，VT3基極得電壓導(dǎo)通，VT2基極高電平截止，集電極低電平加到晶體管VT4基極，VT4截止，繼電器無電釋放。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路未獲得新觸發(fā)信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關(guān)維持打開狀態(tài)，繼續(xù)給水箱加水。高水位時(shí)，VT1基極得電壓導(dǎo)通，集電極高電平加到晶體管VT4基極，VT4導(dǎo)通，繼電器得電吸合，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關(guān)再次觸發(fā)關(guān)閉，停止給水箱加水。到下一次低水位時(shí)重復(fù)以上加水過程。7.電磁式流量計(jì)是如何工作的？可以用于哪些液體流量測量？答：如圖，勵(lì)磁電壓信號為方波信號，由方波發(fā)生器發(fā)出的方波信號經(jīng)勵(lì)磁放大器功率放大后，送入傳感器的勵(lì)磁線圈進(jìn)行勵(lì)磁，絕緣導(dǎo)管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中，當(dāng)導(dǎo)電性液體流經(jīng)絕緣導(dǎo)管時(shí)，電極上便會產(chǎn)生如下式所示的電動勢：管道內(nèi)液體流動的容積流量與電動勢的關(guān)系為可以通過對電動勢的測定，求出容積流量。電磁式流量計(jì)可以廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學(xué)藥品、食品、礦漿等流量的檢測。8.什么是熱釋電傳感器？熱釋電紅外報(bào)警器是如何工作的？如果將該報(bào)警器改為自動門開關(guān)，則在電路上應(yīng)作哪些改動？答：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，稱為熱釋電效應(yīng)。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱熱釋電元件。熱釋電紅外報(bào)警器是用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)探測人體發(fā)出的紅外線的一種傳感器。它用于防盜、報(bào)警、來客告之及非接觸開關(guān)等設(shè)備中。人向熱釋電傳感器TTS—2120前移動時(shí)，人體所釋放出的紅外線被熱釋電傳感器接收，產(chǎn)生脈動電壓信號。該電壓信號通過電容器C1耦合輸入由運(yùn)算放大器IC1TL082構(gòu)成的低噪聲、高增益放大器放大。放大后的信號點(diǎn)亮發(fā)光二極管和驅(qū)動電表指示，也可以觸發(fā)蜂鳴器或語音集成電路，告知有人員接近。若將該報(bào)警器改為自動門開關(guān)，則在電路上將TL082輸出信號放大后去接通繼電器，從而接通自動門電源把門打開，如圖所示。9.接近傳感器有哪幾種類型？各種類型接近傳感器的工作原理有什么不同？哪一種接近傳感器工作最穩(wěn)定可靠？答：接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件，又稱為接近開關(guān)。常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍爾效應(yīng)式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應(yīng)式、微波式、超聲波式等類型。各種類型的工作原理都是取自各自的傳感特性，例如，電容式是一個(gè)以電容的一個(gè)電極為檢測端的靜電電容接近傳感器，人體接近，電容值變化，其組成的振蕩電路振蕩頻率變化，從而獲得人體接近的信號。電磁感應(yīng)式的敏感元件是電感線圈，人體接近，電感組成的振蕩電路的振蕩頻率變化或停振，從而檢測出人體接近信號。熱釋電式接近傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)探測人體接近時(shí)發(fā)出的紅外線。熱釋電式接近傳感器工作最穩(wěn)定可靠。10.壓差式液位傳感器是利用什么原理測得液面高度的？如何利用壓差式液位傳感器進(jìn)行液面高度自動控制？答：壓差式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可得知液面的高度。壓差傳感器實(shí)際上是一個(gè)差動電容式壓力傳感器。它由動電極感壓膜片、固定電極隔壓膜片等組成。當(dāng)被測的壓力差加在高壓側(cè)（被測）和低壓側(cè)（參照）的輸入口時(shí)，該壓力差經(jīng)隔液膜片的傳遞作用于感壓膜片上，感壓膜片便產(chǎn)生位移，從而使動電極與固定電極之間的電容量發(fā)生變化。通過電路測得電容變化量，便可測得被測液面高度。將檢測電路的輸出去控制液體輸入輸出閥門流量，便可實(shí)現(xiàn)液面高度自動控制。11.差動變壓器位移傳感器的差動工作方式有什么優(yōu)點(diǎn)？答：差動變壓器位移傳感器的差動工作方式，兩個(gè)次級線圈相反極性串接，所以兩個(gè)次級線圈中的感應(yīng)電壓UOUT1和UOUT2的相位相反，當(dāng)鐵芯處于中心對稱位置時(shí)，則UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。當(dāng)鐵芯向兩端位移時(shí)，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值與鐵芯的位移成正比。差動變壓器位移傳感器的差動工作方式具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性度好和測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。習(xí)題81.簡要說明氣體傳感器有哪些種類，并說明它們各自的工作原理和特點(diǎn)。答：半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，來檢測氣體的成分或濃度的氣體傳感器。半導(dǎo)體氣體傳感器大體可分為電阻式和非電阻式兩大類。固體電解質(zhì)式氣體傳感器這類傳感器內(nèi)部不是依賴電子傳導(dǎo)，而是靠陰離子或陽離子進(jìn)行傳導(dǎo)，因此，把利用這種傳導(dǎo)性能好的材料制成的傳感器稱為固體電解質(zhì)傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器是將白金等金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成。使用時(shí)對金屬線圈通以電流，使之保持在300～600οC的高溫狀態(tài)，同時(shí)將元件接入電橋電路中的一個(gè)橋臂，調(diào)節(jié)橋路使其平衡。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱量進(jìn)一步使金屬絲升溫，造成器件阻值增大，從而破壞了電橋的平衡。其輸出的不平衡電流或電壓與可燃燒氣體濃度成比例，檢測出這種電流和電壓就可測得可燃性氣體的濃度。電化學(xué)式氣體傳感器包括離子電極型、定電位型、加伐尼電池型等種類。集成型傳感器有兩類：一類是把敏感部分、加熱部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能；另一類是把多個(gè)具有選擇性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一個(gè)襯底上，用微機(jī)處理和信號識別的方法對被測氣體進(jìn)行有選擇性的測定，這樣既可以對氣體進(jìn)行識別又可以提高檢測靈敏度。2.簡要說明在不同場合分別應(yīng)選用哪種氣體傳感器較適宜。答：為防止常用氣體燃料如煤氣（H2、CO等），天然氣（CH4等）、液化石油氣（C3H8、C4H10等）及CO等氣體泄漏引起中毒、燃燒或爆炸，可以應(yīng)用可燃性氣體傳感器配上適當(dāng)電路制成報(bào)警器。目前在該報(bào)警器上大都使用SnO2氣體傳感器。但在濕度較大的場合例如廚房等，宜使用α-Fe2O3氣體傳感器為核心的報(bào)警器，因?yàn)榇祟悅鞲衅鲗穸让舾行孕?，穩(wěn)定性較好。汽車為了節(jié)約能源，防止環(huán)境污染和保持一個(gè)良好的車內(nèi)環(huán)境，需要配備各種氣體傳感器?？刂迫伎毡龋栌醚鮽鞲衅?；控制污染，檢測排放氣體，需用CO、NOx、HCl、O2等傳感器；內(nèi)部空調(diào)，需用CO、煙、濕度等傳感器。在控制燃空比中使用的傳感器最好選用固體電解質(zhì)的經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2傳感器。在Fe和Cu等礦物冶煉過程中常使用氧傳感器，在半導(dǎo)體工業(yè)中需用多種氣體傳感器，在食品工業(yè)中也常用氧傳感器。例如高爐用的氧傳感器。在鐵礦精煉時(shí)，使用的傳感器必須滿足600οC以上的高溫，耐熱沖擊性好，與熔融金屬不發(fā)生反應(yīng)，耐腐蝕，電阻小。因此常用經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2氧傳感器。在半導(dǎo)體工業(yè)中常用的氣體毒性大，需檢測濃度極低（為10-19級），需要能夠檢測極低濃度、可靠性好的傳感器。如果從保存方便、經(jīng)濟(jì)角度考慮，電化學(xué)氣體傳感器是最有希望應(yīng)用的。在食品工業(yè)方面，在對水產(chǎn)物的鮮度進(jìn)行科學(xué)評價(jià)時(shí)，常用氣體傳感器。如在魚的保鮮時(shí)，魚肉中有的核酸會分解，其消耗氧量可用電化學(xué)氧傳感器測定，也可用氧電極測定，以測鮮度。對于污染環(huán)境需要檢測的氣體有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，因?yàn)樾枰繙y量，宜選用電化學(xué)氣體傳感器。在家電中除用于可燃?xì)庑孤﹫?bào)警及換氣扇、抽油煙機(jī)的自動控制外，也用于微波爐和燃?xì)鉅t等家用電器中。在微波爐中常選用SnO2氣體傳感器，氣體傳感器測量出從食品中發(fā)出氣體的濃度，可根據(jù)事先對不同食品的特性，選擇負(fù)載電阻，確定響應(yīng)時(shí)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)烹調(diào)的自動控制。在燃?xì)鉅t中常使用ZrO2氣體傳感器測量燃空比。3.說明含水量檢測與一般的濕度檢測有何不同。答：通常將空氣或其它氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”。固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)，就是含水量的值。4.煙霧檢測與一般的氣體檢測有何區(qū)別。答：煙霧是比氣體分子大得多的微粒懸浮在氣體中形成的，和一般的氣體成分的分析不同，必須利用微粒的特點(diǎn)檢測。這類傳感器多用于火災(zāi)報(bào)警器，也是以煙霧的有無決定輸出信號的傳感器，不能定量地連續(xù)測量。5.根據(jù)所學(xué)知識試畫出自動吸排油煙機(jī)的電路原理框圖，并分析其工作過程。答：如圖所示。室內(nèi)可燃?xì)怏w增加時(shí)，由于氣敏器件接觸到可燃?xì)怏w而其阻值降低，使流經(jīng)測試回路的電流增加，可直接驅(qū)動繼電器接通電風(fēng)扇，進(jìn)行吸排油煙。6.目前濕度檢測研究的主要方向是什麼？答：目前濕敏傳感技術(shù)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如對溫度等其他傳感器技術(shù)研究得那麼精確和完善。濕度較難檢測的原因在于濕氣信息的傳遞較復(fù)雜。濕信息的傳遞必須靠其信息物質(zhì)——水對濕敏元件直接接觸來完成。因此，濕敏元件不能密封、隔離，必須直接暴露于待測的環(huán)境中。而水在自然環(huán)境中容易發(fā)生三態(tài)變化。當(dāng)其液化或結(jié)冰時(shí)，往往使?jié)衩羝骷母叻肿硬牧匣螂娊赓|(zhì)材料溶解、腐蝕或老化，給測量帶來不利。因此，目前濕敏元件在長期穩(wěn)定性方面還存在一些問題。人們?yōu)榱说玫介L期可靠的濕度傳感器，有時(shí)寧可在測量精度、響應(yīng)時(shí)間、濕度和溫度特性、形狀尺寸等方面作出一些犧牲。現(xiàn)在，根據(jù)大工業(yè)自動化微機(jī)控制的需要，又向人們提出了濕度傳感器微型化、集成化、廉價(jià)的發(fā)展方向。7.什么是非電量傳感器？請舉一例子，說明其用途，畫出其應(yīng)用電路。答：將非電物理量轉(zhuǎn)換為光、重量。質(zhì)量等非電量來進(jìn)行檢測的傳感器為非電量傳感器。例如用天平稱質(zhì)量法測物品的含水量。電路圖略。8.分析圖8-13所示煤氣泄漏報(bào)警器電路工作原理。若檢測煤氣泄漏的量值，應(yīng)選用什么類型的氣體傳感器？答：如圖8-13所示，MQK－2為氣敏傳感器，當(dāng)檢測到煙霧或可燃?xì)怏w時(shí)，其A極和B極之間電阻減小，集成電路IC1的2腳電位下降。當(dāng)煙霧或可燃?xì)怏w濃度較大，該點(diǎn)電位下降到低于IC1的8腳所加工作電壓的三分之一時(shí)，IC1的3腳輸出高電平。該高電平經(jīng)穩(wěn)壓二極管VD1穩(wěn)壓為4.2V，加到語音信號發(fā)生器IC2和經(jīng)LED1、R2加到晶體管VT1，為IC2和VT1提供電源。IC2得電工作后，輸出語音報(bào)警信號，經(jīng)VT1放大，由C4耦合送IC3功率放大，驅(qū)動BL揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管LED2。9.有機(jī)高分子濕度傳感器有哪幾種？分別敘述其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。答：1.高分子電阻式濕度傳感器水吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，所以電阻值較高。相對濕度增加時(shí)，吸附量也增加，集團(tuán)化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，正負(fù)離子對起到載流子作用，電阻值下降。2.高分子電容式濕度傳感器高分子材料吸水后，介電常數(shù)變化，引起電容的變化。當(dāng)含水量以水分子形式被吸附在高分子介質(zhì)膜中時(shí)，由于高分子介質(zhì)的介電常數(shù)（3~6）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)（81），所以介質(zhì)中水的成分對總介電常數(shù)的影響比較大。使元件對濕度有較好的敏感性能。10.含水量檢測有哪幾種方法？答：1）稱重法將被測物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD測出，含水量的百分?jǐn)?shù)便是：2）電導(dǎo)法固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小，用測定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量。3）電容法水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì)，因此用電容法測物質(zhì)的介電常數(shù)從而測含水量相當(dāng)靈敏，造紙廠的紙張含水量便可用電容法測量。4）紅外吸收法水分對波長為1.94μm的紅外射線吸收較強(qiáng)，并且可用幾乎不被水分吸收的1.81μm波長作為參比。5）微波吸收法水分對波長為1.36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象，而植物纖維對此波段的吸收要比水小幾十倍。利用這一原理可構(gòu)成測木材、煙草、糧食、紙張等物質(zhì)中含水量的儀表。11.在圖8-16所示空氣濕度檢測電路上增加元器件，設(shè)計(jì)成自動除濕電路。答：如圖所示?？諝鉂穸葯z測電路輸出送入運(yùn)算放大器比較放大，輸出信號驅(qū)動繼電器吸合，接通通風(fēng)、排濕、加熱設(shè)備進(jìn)行除濕操作。習(xí)題91.生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換方式有哪幾種？答：（１）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號方式用酶來識別分子，先催化這種分子，使之發(fā)生特異反應(yīng)，產(chǎn)生特定物質(zhì)的增減，將這種反應(yīng)后產(chǎn)生的物質(zhì)的增與減轉(zhuǎn)換為電信號。能完成這個(gè)使命的器件有克拉克型氧電極、H2O2電極、H2電極、H+電極、NH4電極、CO2電極及離子選擇性FET電極等。（２）熱變化轉(zhuǎn)換為電信號方式固定在膜上的生物物質(zhì)在進(jìn)行分子識別時(shí)伴隨有熱變化，這種熱變化可以轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行識別，能完成這種使命的便是熱敏電阻器。（３）光變化轉(zhuǎn)換為電信號方式螢火蟲的光是在常溫常壓下，由酶催化產(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光。最近發(fā)現(xiàn)有很多種可以催化產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的酶，可以在分子識別時(shí)導(dǎo)致發(fā)光，再轉(zhuǎn)換為電信號。（４）直接誘導(dǎo)式電信號方式分子識別處的變化如果是電的變化，則不需要電信號轉(zhuǎn)換器件，但是必須有導(dǎo)出信號的電極。例如：在金屬或半導(dǎo)體的表面固定上抗體分子，稱為固定化抗體，此固定化抗體和溶液中的抗原發(fā)生反應(yīng)時(shí)，則形成抗原體復(fù)合體，用適當(dāng)?shù)膮⒈入姌O測量它和這種金屬或半導(dǎo)體間的電位差，則可發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后的電位差是不同的。2.生物傳感器有哪些種類，簡要說明其工作原理。答：酶傳感器的基本原理是用電化學(xué)裝置檢測酶在催化反應(yīng)中生成或消耗的物質(zhì)（電極活性物質(zhì)），將其變換成電信號輸出。對葡萄糖氧化反應(yīng)起一種特異催化作用的酶—葡萄糖氧化酶（GOD），并研究出用它來測定葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器，微生物傳感器是利用多種酶有關(guān)的高度機(jī)能的綜合即復(fù)合酶。也就是說，微生物的種類是非常多的，菌體中的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)、輔助酶再生系統(tǒng)、微生物的呼吸及新陳代謝為代表的全部生理機(jī)能都可以加以利用。因此，用微生物代替酶，有可能獲得具有復(fù)雜及高功能的生物傳感器。免疫傳感器是利用抗體對抗原結(jié)合功能研制成功的，根據(jù)抗體膜的膜電位的變化，就可測定抗原的吸附量。半導(dǎo)體生物傳感器是由半導(dǎo)體傳感器與生物分子功能膜、識別器件所組成。將生物中具有識別功能的合成蛋白質(zhì)、抗原、抗體、微生物、植物及動物組織、細(xì)胞器等固定在某載體上也可用作識別元件。，同時(shí)測量多種化學(xué)物質(zhì)，具有這樣功能的傳感器稱為多功能傳感器。3.比較微波傳感器與超聲波傳感器有何異同。答：微波是電磁波，微波傳感器頻率高，衰減小，作用距離遠(yuǎn)，受外界影響小，繞射性少。微波在液體、固體中衰減很快，微波傳感器不能用于液體、固體測量。超聲波是機(jī)械振蕩波，超聲波傳感器頻率低，衰減大，作用距離近，受外界影響大，但繞射性能好。兩者都有直射、反射、折射性能。超聲波傳感器可用于液體、固體測量。4.簡述超聲波傳感器測流量的基本原理。答：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭，（F1，T1）、（F2，T2），其中（F1，T1）的超聲波是順流傳播的，而（F2，T2）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這兩束超聲波在流體中傳播速度的不同，采用測量兩接收探頭上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差或頻率差等方法，可測量出流體的平均速度及流量。5.超聲波傳感器如何對工件進(jìn)行探傷？有何優(yōu)點(diǎn)？還有哪些傳感器可用于對工件進(jìn)行無損探傷？答：超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測手段。它主要用于檢測板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、測定材料的厚度、檢測材料的晶粒、配合斷裂力學(xué)對材料使用壽命進(jìn)行評價(jià)等。超聲波探傷因具有檢測靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到人們普遍的重視，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。超聲波探傷方法多種多樣，最常用的是脈沖反射法。而脈沖反射法根據(jù)超聲波波型不同又可分為縱波探傷、橫波探傷、表面波探傷。X射線也可以用于對工件進(jìn)行無損探傷。6.機(jī)器人傳感器主要有哪些種類？答：機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類。內(nèi)部檢測傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，它安裝在機(jī)器人自身中用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外界檢測傳感器用于機(jī)器人對周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人—環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。7.接近覺傳感器是如何工作的？舉例說明其應(yīng)用。答：接近覺是機(jī)器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對象物或障礙物的距離、對象物的表面性質(zhì)等的傳感器。其目的是在接觸對象前得到必要的信息，以便后續(xù)動作。例如電磁式接近覺利用渦流效應(yīng)產(chǎn)生接近覺。加有高頻信號的勵(lì)磁線圈L產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈，通過檢測線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離，這種接近傳感器精度高，響應(yīng)快，可在高溫環(huán)境中使用，但檢測對象必須是金屬。8.指紋識別主要經(jīng)過哪幾個(gè)步驟？指紋傳感器在指紋識別中起什么作用？答：指紋識別過程主要包括：指紋圖像采樣、指紋圖像預(yù)處理、二值化處理、細(xì)化、紋路提取、細(xì)節(jié)特征提取和指紋匹配（指紋庫查對）。指紋傳感器通過傳感信號進(jìn)行指紋圖像采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送微處理器進(jìn)行指紋識別。9.溫差效應(yīng)指紋傳感器FCD4B14由哪幾部分電路組成？它們在指紋采樣過程中各起什么作用？答：FCD4B14是基于溫差效應(yīng)的指紋傳感器，芯片表面有0.4mm×14mm的溫度傳感區(qū)域，內(nèi)部有行選和列選電路、A／D轉(zhuǎn)換器、鎖存器和恒溫電路。傳感區(qū)域包含8行×280列＝2240個(gè)像素，為1幀，用來感應(yīng)手指與傳感區(qū)域接觸部位的溫度差，并轉(zhuǎn)換為電信號。列選脈沖從傳感區(qū)域按順序選出像素列，再由行選脈沖選出像素。A／D轉(zhuǎn)換器將像素電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由鎖存器組成一個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)字信號輸出到微處理器。恒溫電路保證指紋圖像采樣不受環(huán)境溫度的影響。10.本書共介紹了哪些基本傳感器？試根據(jù)其原理不同進(jìn)行歸類總結(jié)。答：目前為止學(xué)的都是基本傳感器，品種很多，歸類為溫度傳感器、力傳感器、磁傳感器、光傳感器、圖像傳感器、位移傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器、生物傳感器等，機(jī)器人傳感器屬于綜合型傳感器。11.測量飛機(jī)飛行高度和速度可以用哪種傳感器？為什么？答：可以用微波傳感器。微波直線傳播，具有多普勒效應(yīng)，可以通過檢測飛機(jī)反射回來的微波功率、多普勒頻率，來測量飛機(jī)的高度和速度等參數(shù)。12.聲納是一種超聲波儀器，可測量潛艇在海面下的深度和航行速度。試畫框圖簡單分析聲納工作原理。答：如圖所示，聲納連續(xù)不斷向海水下面發(fā)射聲波，聲波碰到海底礁石、海洋生物、潛艇就會反射，對移動的海洋生物和潛艇還會產(chǎn)生多普勒頻移。聲納接收到反射回來的聲波，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、比較、計(jì)算，提取出潛艇反射回來的聲波，由接收發(fā)射間隔時(shí)間和多普勒頻移，計(jì)算出潛艇的海面下深度和航行速度。13.簡單敘述電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)和工作原理。答：觸摸屏由兩層高透明的導(dǎo)電層組成，通常內(nèi)層是ITO玻璃，外層是ITO薄膜材料，中間有細(xì)微絕緣點(diǎn)隔開。如圖所示。在聚酯膜上用銀漿、碳膠等通過絲網(wǎng)印刷法形成電氣電路，使內(nèi)外層電氣回路相對，在外層ITO導(dǎo)電薄膜和內(nèi)層ITO導(dǎo)電玻璃之間夾隔絕緣點(diǎn)進(jìn)行貼合而成。當(dāng)觸摸屏表面無壓力時(shí)，內(nèi)外層成絕緣狀態(tài)。一旦有觸摸壓力施加到觸摸屏上，內(nèi)外層電路導(dǎo)通，位于設(shè)備內(nèi)部的觸摸屏控制器通過X方向和Y方向施加的驅(qū)動電壓值，探測出觸摸點(diǎn)的X－Y坐標(biāo)?？刂破鞲兄|摸點(diǎn)的X－Y坐標(biāo)位置后，將該位置設(shè)定的操作提交微處理器處理和執(zhí)行器件執(zhí)行。習(xí)題101.傳感器信號輸出接口電路的作用是什么？選擇使用時(shí)要注意什么？答：傳感器接口電路是作為傳感器信號檢測和信號預(yù)處理，并起聯(lián)接作用。傳感器接口電路的選擇是根據(jù)傳感器的輸出信號特點(diǎn)及用途確定的。不同傳感器具有不同的輸出信號，不同傳感器的接口電路可能是一個(gè)放大器，也可能是一個(gè)信號轉(zhuǎn)換電路或其它別的電路。作為智能化的自動測控系統(tǒng)，傳感器與微型計(jì)算機(jī)的接口電路也千變?nèi)f化。2.常見接口電路在傳感器輸出信號預(yù)處理中的功能怎樣？答：如表所示接口電路信號預(yù)處理的功能阻抗變換電路在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗，以便于檢測電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號。放大電路將微弱的傳感器輸出信號放大。電流電壓轉(zhuǎn)換電路將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓。電橋電路把傳感器的電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓。頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把傳感器輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓。電荷放大器將電場型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。有效值轉(zhuǎn)換電路在傳感器為交流輸出的情況下，轉(zhuǎn)為有效值，變?yōu)橹绷鬏敵觥V波電路通過低通及帶能濾波器消除傳感器的噪聲成分。線性化電路在傳感器的特性不是線性的情況下，用來進(jìn)行線性校正。對數(shù)壓縮電路當(dāng)傳感器輸出信號的動態(tài)范圍較寬時(shí)，用對數(shù)電路進(jìn)行壓縮3.直流全橋電路什么情況下靈敏度最大？為什么？答：直流全橋電路輸出UOUT=如果R1=R2=R3=R4時(shí)，則電橋電路被稱為四等臂電橋，此時(shí)輸出靈敏感度最高，而非線性誤差最小，因此在傳感器的實(shí)際應(yīng)用中多采用四等臂電橋。4.在采用2S5M的壓力測量電路中，如圖3－41所示，對2S5M壓力傳感器的輸出電壓VS用兩個(gè)同相放大器和一個(gè)差動放大器進(jìn)行放大。若2S5M壓力傳感器的輸出電壓VS為250μV，根據(jù)圖中所標(biāo)運(yùn)算放大器反饋電阻數(shù)值，計(jì)算測量電路放大倍數(shù)和輸出電壓Vout。答：A2和A3是兩個(gè)同相放大器，其輸出分別為V2V3A4是差動放大器，其輸出為Vout放大倍數(shù)為A5.圖10-2所示交流電橋電路，靜態(tài)時(shí)，Z1＝Z2，所用電容容量Cx1＝Cx2＝100pF，uo＝0V；動態(tài)時(shí)，電容最大變化量ΔC＝10pF，且一個(gè)增加，一個(gè)減少。若ui＝2sinωt，單位為伏（V）時(shí)，求動態(tài)最大輸出電壓Uo。答：假定Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ，則電橋的輸出電壓為其中：Z得動態(tài)最大輸出電壓為U6.抑制噪聲的方法有哪些？為什么？答：噪聲的抑制方法主要有以下幾種：a.選用質(zhì)量好的元器件。b.屏蔽c.接地d.隔離e.濾波噪聲就是測量系統(tǒng)電路中混入的無用信號，按噪聲源的不同，噪聲可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲是由傳感器或檢測電路元件內(nèi)部帶電微粒的無規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的，例如熱噪聲、散粒噪聲以及接觸不良引起的噪聲等。外部噪聲則由傳感器檢測系統(tǒng)外部人為或自然干擾造成的。通過以上方法可以把噪聲源隔離，少產(chǎn)生噪聲，或者把已產(chǎn)生的噪聲去除。7.傳感器信號在輸入微型計(jì)算機(jī)前應(yīng)做哪些處理？舉例說明。答：傳感器輸出的是大多是模擬量信號，是微型計(jì)算機(jī)無法進(jìn)行處理的，必須先把傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（A/D轉(zhuǎn)換）后再輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對信號進(jìn)行分析處理。也可以將模擬量電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率變化的信號（V/F轉(zhuǎn)換）。由于頻率變化信號也屬于數(shù)字量信號，因而可以不經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，直接經(jīng)輸入口輸入給微型計(jì)算機(jī)。例如：計(jì)算機(jī)信號處理溫度傳感器，如圖所示，把溫度傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（A/D轉(zhuǎn)換）后再輸給計(jì)算機(jī)。ROMPROMRAMEROMPROMRAME2PROM總線總線A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器溫度傳感器模擬信號輸出D/A轉(zhuǎn)換器CPU溫度傳感器模擬信號輸出D/A轉(zhuǎn)換器CPU數(shù)據(jù)輸入數(shù)字信號輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)字信號輸出I/OI/O數(shù)字接口8.模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路有哪幾種形式？各有什么特點(diǎn)？使用時(shí)要注意什么問題？答：比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快，但要實(shí)現(xiàn)高精度則價(jià)格比較高。比較型A/D轉(zhuǎn)換器常用于要求中、高速轉(zhuǎn)換的場合。積分型A/D轉(zhuǎn)換器雖然轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，但價(jià)格低，精度高。積分型A/D轉(zhuǎn)換器適用于變化緩慢的傳感器輸出信號的轉(zhuǎn)換，如熱電偶等?，F(xiàn)在都有集成電路可供選用。9.試用機(jī)械位移傳感器和單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)自動測控系統(tǒng)。畫出電路組成框圖。答：習(xí)題111.什么是智能傳感器？它有什么樣的功能？答：全球性的電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）在1998年通過了智能傳感器的定義，即“除產(chǎn)生一個(gè)被測量或被控量的正確表示之外，還同時(shí)具有簡化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。但不少專家認(rèn)為，未來的智能傳感器所包含的內(nèi)容要豐富得多。智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。不僅在物理層面上檢測信號，而且在邏輯層面上對信號進(jìn)行分析、處理、存儲和通信，相當(dāng)于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能，所以稱之為智能傳感器。2.人的智能是如何實(shí)現(xiàn)的？它的3層結(jié)構(gòu)分別是什么器官？如何工作？答：人類的智能是基于即時(shí)獲得的信息和原先掌握的知識。人類的智能能辨識目標(biāo)是否正常，能預(yù)測災(zāi)難，能知道環(huán)境是否安全和舒適，能探測或辨別復(fù)雜的氣味和食品的味道。這些都是人類利用眼睛、鼻子、耳朵、皮膚等（底層）獲得的多重狀態(tài)的傳感信息與人類積累的知識相結(jié)合（大腦－中間層）而歸納（大腦－頂層）的概念。所以說，人類的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識結(jié)合了起來。3.智能傳感器的三種實(shí)現(xiàn)途徑是什么？試舉例說明。答：1）利用計(jì)算機(jī)合成（智能合成）；利用計(jì)算機(jī)合成的途徑即智能合成是最常見的，利用計(jì)算機(jī)對測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的智能紅外測溫儀，就是它的一個(gè)例子。這種智能傳感器稱為計(jì)算型智能傳感器。2）利用特殊功能的材料（智能材料）；利用特殊功能的材料的途徑，其結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)為傳感器與特殊功能的材料的結(jié)合，以增強(qiáng)檢測輸出信號的選擇性。其工作原理是用具有特殊功能的材料（也叫做智能材料）來對傳感器檢測輸出的模擬信號進(jìn)行辨別，僅僅選擇出有用的信號輸出，對噪音或非期望效應(yīng)則通過特殊功能進(jìn)行抑制。比如固定在生物傳感器頂端的酶就是特殊功能材料的一個(gè)典型例子。3）利用功能化幾何結(jié)構(gòu)（智能結(jié)構(gòu)）；功能化幾何結(jié)構(gòu)的途徑是將傳感器做成某種特殊的幾何結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)，對傳感器檢測的信號的處理通過傳感器的幾何結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。凸透鏡或凹透鏡是最簡單的，不同媒質(zhì)間表面折射和反射的應(yīng)用例子。只有來自目標(biāo)空間某一定點(diǎn)的發(fā)射光，才能被投射在圖像空間的一個(gè)定點(diǎn)上；而影響該空間點(diǎn)發(fā)射光投射結(jié)果的其它點(diǎn)的散射光，投射效應(yīng)可由凸透鏡或凹透鏡在圖像平面濾除。4.為什么說“人的指頭就是傳感器與執(zhí)行器合成的典型例子”？利用氣體、液體和固體的熱脹冷縮，試設(shè)計(jì)幾個(gè)傳感器與執(zhí)行器合成的器件。答：人的指頭首先作為傳感器去感覺東西的存在，該信息傳輸?shù)酱竽X，經(jīng)過大腦對信息處理后，發(fā)出抓住東西的指令，手指作為執(zhí)行器去抓住東西。所以說，人的指頭就是傳感器與執(zhí)行器合成的典型例子。熱氣球升空，水壺的水開了水蒸氣吹響哨子，酒精溫度計(jì)、雙金屬溫度觸點(diǎn)開關(guān)等，是傳感器與執(zhí)行器合成的器件。5.舉一個(gè)計(jì)算型智能傳感器的例子，畫出組成框圖，并解釋計(jì)算型智能傳感器的工作過程。答：混合智能壓力傳感器如圖所示。圖中，采用二次集成技術(shù)，在一個(gè)管殼內(nèi)封裝了MCU、無線發(fā)送器、電源管理器、總線和溫度、濕度、壓力和加速度等傳感器，體積僅5cm3。用6V電池供電，功耗小于700μW，可連續(xù)工作180天。具有數(shù)據(jù)處理功能，可根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化，自動開始測量或改變測量頻率。采用Motorola公司生產(chǎn)的