下载文档原格式
第7章思考题与习题一、填空题1.霍尔传感器是一种—磁敏—传感器，它是把—磁学—物理量转换成电信号的装置，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。
它的最大特点是非接触测量2.霍尔电势■与—输入电流/—及—磁感应强度B.—成正比，其灵敏度拓与—霍尔系数吊成正比而与霍尔片厚度d成反比。
所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成—簿片—形状。
3.霍尔元件的结构很简单，它通常由—霍尔片、—引线—和—壳体—组成。
4.______________________ 半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为______ 磁敏电阻 ______ 。
二、简答题1.简述你理解中的霍尔效应。
1879年，美国物理学家霍尔（E. II. Hall）经过大量的实验发现：如果让一恒定电流通过一金属或半导体薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势，这个现象后来被人们称为霍尔效应。
假设霍尔元件为N型半导体薄片，薄片厚度为d,磁感应强度为夕的磁场方向垂直于薄片。
在薄片前后两端通以控制电流/,那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流/相反的方向运动。
由于外磁场8的作用，使电子受到洛仑兹力A而发生偏转，结果在半导体的右端面上电子积累带负电，而左端面缺少电子带正电，在半导体的左右端面间形成电场。
该电场产生的电场力凡阻止电子继续偏转。
当A和片相等时，电子积累到达动态平衡。
这时在半导体左右两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场毋，相应的电势。
称为霍尔电势。
2.制成霍尔元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半导体技术迅速开展，人们找到了霍尔效应比拟明显的半导体材料, 并制成了镣化锢、碑化镣、神化钢、硅、信等材料的霍尔元件.目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的灵敏度、温度特性、线性度均较好。
3.简述集成霍尔传感器的分类、特点及应用场合。
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 传感器由哪几部分组成？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几种？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（GB7665—87）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——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。
第７章习题解答1、设图7-1-1中码盘为5位循环码盘，图中只有最靠近码盘中心的一个光电元件受光照产生电信号即输出数码“1”，其余4个光电元件均未受到光照不产生电信号即输出数码“0”，试计算码盘此时的转角。
（348.75°）解：由题意可知：，～转换为～的公式为：∴，。
2、增量编码器有几条码道?各有何作用?答：有三条码道。
码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。
这两圈码道都等角距地分布着m个透光与不透光的扇形区，但彼此错开半个扇形区即90°/m。
所以增量码道产生的增量脉冲与辨向码道产生的辨向脉冲在时间上相差四分之一个周期，即相位上相差90°。
增量码道产生的增量脉冲的个数用于确定码盘的转动角度，辨向脉冲与增量脉冲的相位关系用于确定码盘的转动方向。
3、试说明光栅传感器为什么能测量很微小的位移?为什么能判别位移的方向?答：由图7－２－２可见，主光栅沿栅线垂直方向(即x轴方向)移动一个光栅栅距W，莫尔条纹沿y轴正好移动一个条纹间距H（H>>W），光电元件的输出电压变化一个周期。
在y=0处和y=H/4处各安放一个光电元件，这两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于π/2。
将它们送到图7-1-8所示辨向电路，就可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。
主光栅每移动一个光栅栅距W，莫尔条纹信号u1和u2就相应地变化一个周期，图6-1-8中或门就产生一个计数脉冲，可逆计数器就加1或减1，可逆计数器的计数结果就是主光栅移动的栅距数。
显然，图7-1-8电路的分辨率就是一个光栅栅距。
如果在主光栅移动一个栅距过程中即莫尔条纹信号变化一个周期内，能得到m个彼此相位差360°/m的正弦交流信号u i，光栅每移动一个栅距W，m个u i波形便可依次得m个过零脉冲，而与光栅位移x对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为：由上式可见，分辨率不再是W,而是W/m，这样就达到m细分的目的。
传感器技术及应用知到章节测试答案智慧树2023年最新山东工业职业学院第一章测试1.自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和（），构成信息技术的完整信息链。
参考答案:传感技术2.传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和（）三大类。
参考答案:生物型3.近年来，仿生传感器的研究越来越热，其主要就是模仿人的（）的传感器。
参考答案:感觉器官4.若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器则可以比喻为( )。
参考答案:感觉器官5.传感器主要完成两个方面的功能：检测和（）。
参考答案:转换6.下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（）。
参考答案:时域响应7.按误差数值表示的方法，误差可以分为( )参考答案:引用误差;相对误差;绝对误差8.评定仪表品质的几个主要质量指标( )参考答案:灵敏度和灵敏限;变差;精度;非线性误差9.相对误差的表示方法有( )参考答案:相对百分误差;实际相对误差;标称相对误差10.重要场合使用的元器件或仪表，购入后需进行高、低温循环老化试验，其目的是为了（）。
参考答案:提高可靠性第二章测试1.应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿功能，应选择( )测量转换电路。
参考答案:四臂全桥2.应变式压力传感器受压时产生的是( )信号。
参考答案:电阻3.全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的( )。
参考答案:4倍4.直流电桥工作时不需要平衡。
（）参考答案:错5.全桥的灵敏度最高。
（）参考答案:对6.电阻应变式传感器是把被测量转换为电阻值的变化。
（）参考答案:对7.金属丝电阻随着它所受的机械变形的大小而相应变化的现象，称为金属的( )。
参考答案:电阻应变效应8.制作应变片敏感栅的材料中，用的最多的金属是( )参考答案:康铜9.电阻应变片配用的测量电路中，为了克服分布电容的影响，多采用( )参考答案:交流不平衡10.直流电桥平衡的条件是( )参考答案:相对两臂电阻的乘积相等第三章测试1.欲测量极微小的位移，应选择（）自感传感器。
1，设光敏二极管的光敏面积为1 mm×1 mm，若用它扫描500 mm×400 mm的图像，问所获得的图像水平分辨率最高能达到多少？答：水平分辨率最高可以达到500 mm/1 mm=500。
2，上题中光敏二极管在水平方向（沿图像500 mm方向）正程运动的速度为5 m/s，逆程运动的速度达50 m/s，垂直方向正程运动的速度应为多少？扫描一场图像的时间需要多少？答：水平扫描周期应为垂直方向行进到下一行的时间，因此垂直方向正程速度为：。
扫描一场图像需时间为：。
3，上述扫描出来的图像怎样显示出来？能直接用什么制式的电视监视器显示？为什么？若想看到用线阵CCD扫描出来的图像，应采用怎样的措施？4，比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式？我国的PAL电视制式是怎样规定的？答：逐行扫描闪烁感低，扫描方式和控制扫描的驱动设计也要简单，隔行扫描对行扫描频率的要求只是逐行扫描的一半，对信号传输带宽要求也小。
20世纪的显示器行扫描频率达不到逐行扫描的行频要求，因此用隔行扫描技术。
PAL制式规定场周期为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms，行频为15625 Hz，行周期为64μs，行正程时间为52 μs，行逆程时间为12 μs。
5，现有一台线阵CCD图像传感器（如ILX521）为256像元，如果配用PAL电视制式的显示器显示他所扫描出来的图像需要采用怎样的技术与之配合？6，如何理解“环保的绿色电视”？100 Hz场频技术是基于怎样的基础？答：100 Hz扫描技术就是利用数字式场频转换技术，它把PAL制的50 Hz场频的信号，通过数字式存储器DARM，采用“慢存快取”的方法，即读出的时钟频率是存入时钟频率的2倍，实现信号场频率的倍频转换，使场扫描数倍增，从而成为场频为100 Hz的视频信号。
7，图像传感器的基本技术参数有哪些？他们对成像质量分别有怎样的影响？答：1，成像物镜的焦距f’，决定了被摄劲舞在光电成像器件上成像的大小；2，相对孔径D/f’，决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜的成像质量；3，视场角2ω，决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。
一、简答题：l.检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2.什么是系统误差和随机误差？正确度和精密度的含义是什么? 它们各反映何种误差?答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。
随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。
正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程度，它反映了随机误差的大小。
3.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。
4.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件。
5.光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的？答：光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。
光电检测系统作业答案：第一章：1-2：使用一定的敏感器和传感器，对被测量感知，并转化为电信号，实现非电量的检测。
1-7：题目自拟。
第二章：2-2：光照PN结产生光生载流子，在PN结两端出现电动势，称为光生伏特效应。
在光生伏特效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短，所以光生伏特效应的探测器比光电导探测机器有更快的响应速度。
2-4：光电效应是指光照射到物体表面上使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光电动势的现象。
光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。
光电效应对光频率(波长)具有选择性，在光子与电子的相互作用下，其响应速度比较快。
按照是否发射电子可将光电效应分为内光电效应和外光电效应，具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应等。
光热效应是指探测元件在吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的变化，而是把吸收的光能变为晶格的热运动，引起探测元件温度的上升，温度上升的结果又使探测元件与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。
原则上，光热效应对光波频率(波长)没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率，而与入射光辐射的光谱成分无关。
因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。
光热效应包括热释电效应、温差电效应和辐射热计效应等。
第三章3-4：该题参数不够3-5：光电导器件响应时间受入射光的照度、所加电压和负载电阻大小等因素限制。
光伏器件的工作频率比光电导器件的工作频率高。
实际使用中主要通过电路设计来改善工作频率响应，如合理地设计负载电阻的大小。
3-13: 由于光照度增大到一定程度后，硅光电池的p-n 结产生的光生载流子数达到饱和，其开路电压也将受到势垒高度的限制，因此不会再随入射照度的增大而增大。
硅光电池的最大开路电压由表达式可得lnI S U U T oc Φ=，其中U T ≈0.26mV ，S 为光电灵敏度，Ø为光照度，通常U oc ≈0.45~0.6V 。
•第七章光敏传感器
•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些？
•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？
•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？
•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？
•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。
答案：
一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。
二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：
7he1.24「
hv=T^^-Eg
式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体：
Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。
在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射
由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电
光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。
在管子封口前应低温烘烤多余的残余气体。
4、场致发射
光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。
显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降；加工时要精细，电极边应做成弯卷状。
5、玻璃壳放电和玻璃荧光
当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很
强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。
在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信号。
因此，在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为10~20mm。
四、
光电倍增管是一种真空光电发射器件，它主要由（光入射）窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极五部分组成。
光照射到阴极上产生光电子，光电子在真空中电场的作用下被加速而投射到第一个打拿极上，产生3〜6倍的二次电子，被打出来的二次电子再经过加速电场的加速，又打在第二倍增电极上，电子数目又增加3〜6倍，如此不断连续倍增，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，其电子数将达到阴极发射电子数的105~106倍。
从而在整个回路里形成光电流I A。
工作时，电极电位从阴
极到阳极经过各个打拿极逐级升高，即每个打拿极电压应满足
V>V〉・・・.V〉V〉V,（其中V,V,・・・.V,V,V分别为各打拿极的11103211110321
电压。
）
光电倍增管的放大倍数很高,一般可达106,它的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍。
五、
结构特点：光电二极管结构与普通二极管类似。
它的管芯是一个具有光敏特性的PN结,结面积比普通二极管大,表面有防反射的SiO
2
保护层。
封装在透明玻璃壳内。
PN结装在管子的顶部，并有一个透明窗口,可使入射光集中照射在PN结的敏感面上。
光敏三极管与普通半导体三极管一样,是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管，它的引出电极通常只有两个。
为适应光电转换的要求,它的基区面积做得较大,发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。
和光敏二极管一样，封装在透明玻璃壳内，并有一个透明窗口，可使入射光集中照射在敏感面上。
工作原理：
光敏二极管：在反向偏压的作用下,无光照时，反向电流很小，这反
向电流称为暗电流。
只有少数载流子，渡越阻挡层形成微小的反向电
流即暗电流;当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近
产生光生电子和光生空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大
大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子
渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而
使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。
光的照度越
大，光电流越大。
光敏晶体管：光敏晶体管的基区很薄，无引线（开路），当集电极加上相对于发射极为正的电压，集电结处于反向偏置状态，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的0倍，所以光敏晶体管有放大作用。
光敏二极管和三极管的主要差别：
光电流
光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。
光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过luA。
响应时间
光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5~10us。
因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。
输出特性
光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。
六、
当硅光电池的输出端开路时，外电路电流1=0,开路电压为：
U二kT ln(Lp+1)
oc qI
s
硅光电池的开路电压与入射光强度有关，其规律是：硅光电池开路电压与入射光强度的对数成正比，即开路电压随入射光强度增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增大得越缓慢，当照度为200001X 时趋向饱和。
硅光电池的U—般为0.45~0.6V，最大不超过0.756V，oc
它不能大于PN结热平衡时的接触电势差，室温下Si的接触电势差为0.7V。
