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。
集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。
其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。
按照输出信号的形式，可以分为开关集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。
1.线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器主要由霍尔元件、恒流源、放大电路组成，由恒流源提供稳定的激励电流，霍尔电势输出接入放大电路，输出电压较高，应用广泛。
集成电路的输出电压与霍尔元件感受的磁场变化近似呈线性关系。
它主要用于对被测数据进行线性测量的场合，如角位移、压力、电流等的测量。
2.开关集成霍尔传感器开关集成霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术制成的一种传感器，以开关信号形式输出。
霍尔开关集成器件具有使用寿命长、无触电磨损、元火花干扰、工作频率高、温度特性好及能适应恶劣环境等优点。
常用的开关集成霍尔传感器由霍尔元件、放大电路、施密特触发器等局部组成。
稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开关输出可使该电路方便地与各逻辑电路连 接。
4. 简述磁敏二极管的工作原理。
当磁敏二极管未受到外界磁场作用，且外加如图7-16a 所示的正偏压时，那么有大量的空 穴从P 区通过I 区进入N 区，同时也有大量电子注入P 区而形成电流。
只有一局部电子和 空穴在I 区复合掉。
当磁敏二极管受到如图7-16b 所示的外界磁场H* （正向磁场）作用时，电子和空穴受到 洛仑兹力的作用而向r 区偏转。
由于r 区的电子和空穴复合速度比光滑面I 区快，所以， 内部参与导电的载流子数目减少，因此，外电路电流减小。
磁场强度越强，电子和空穴受到 洛仑兹力就越大，单位时间内进入r 区复合的电子和空穴数量就越多，外电路的电流就越 小。
a ）不受磁场作用时b ）受正向磁场作用时c ）受反向磁场作用时图7-16磁敏二极管工作原理当磁敏二极管受到如图7-16c 所示的外界磁场片1「（反向磁场）作用时，那么电子和空 穴受到洛仑兹力作用而向I 区偏移；那么外屯路的电流比不受外界磁场作用时大。
利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。
三、综合应用题1. 图7-22是利用霍尔传感器构成的一个自动供水装置，请分析其工作原理。
图7-22利用霍尔传感器的自动供水装置锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭。
电磁阀的翻开与关闭，那么受控于控制电路。
打 水时，需将铁制的取水卡从投放口投人，取水卡沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行 到磁传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀翻开，让水从水龙头流出。
延时一 定时间后，控制电路使电磁阀关闭，水流停止。
2. 设计一种霍尔式液位控制器，要求：① 当液位高于某一设定值时，水泵停止运转。
② 储液罐是密闭的，只允许在储液罐的玻璃连通器外壁和管腔内确定磁路和安装霍尔元件。
滑槽锅炉 霜尔传感器控制电路电磁阀收牌箱③画出磁路和霍尔元件及水泵的设置图；画出控制电路原理框图；简要说明该检测、控制系统的工作过程。
霍尔元件及水泵的设置图：, •・、缨孔检测、控制系统的工作过程：液位测量原理是利用漂浮在被测液面的浮子的位置来判断液面高度的。
浮子漂浮在液面上，随液位上下上下浮动；浮子内装有环形磁铁，磁铁产生了沿不锈钢保护管轴向的稳定磁场；浮球是泡沫材料，可以在液体的浮力作用下随液位的升高或下降而升降。
当上升到液位控制器UGN3020调定好的位置时，控制开关便发出控制信号。
工作原理:首先闭合隔离开关Q, 220V电源经过降压、整流、滤波和稳压后得到12V直流电压供应控制电路。
控制电路发出的信号驱动继电器kM,然后控制注液电动机启停。
1、液位上升当液面上升时，液体浮力使浮球浮起，霍尔元件的磁场强度随之增大，当浮球（磁铁）移动到距离霍尔元件UGN3020几毫米时，霍尔UGN3020接近开关输出低电平变为高电平，经驱动电路使继电器KM放，使电动机停止运转，液位停止上升。
2、液位下降当液位下降时，浮球随之下降，霍尔元件UGN3020接近开关输出低电平，经驱动电路使继电器KM合，电动机运转，液位重新上升。
第10章思考题与习题一、填空题1._______________________________________________ 智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的_________________________________ 感知器官_________ ,其微处理器相当于人类的____ 大脑_______ ,可进行信息处理、逻辑思维与推理判断。
2.科学和生产工艺的开展大大促进了传感器技术的开展，传感器技术、—通信____________ 技术和—计算机____ 技术共同构成了现代信息技术的三大支柱。
3.按照像素排列方式的不同，CCD又可分为_______ 线阵—与—面阵 _________ 两大类。
4.生物传感器是一种利用生物—活性物质—的分子识别功能，将感受到的—被测物质的______ 特征量转换成可用_____ 输出—信号的传感器。
二、综合题1.简述智能化传感器的特点。
智能传感器已具备了人类的某些智能思维与行为。
人类通过眼睛、鼻子、耳朵和皮肤感知获得外部环境多重传感信息，这些传感信息在人类大脑中归纳、推理并积累形成知识与经验；当再次遇到相似外部环境时，人类大脑根据积累的知识、经验对环境进行推理判断，做出相应反响。
智能传感器精度高、响应快、稳定性好，可靠性高，还要求其具有数据存储与处理、自校准、自诊断、自补偿和远程通信等功能。
2.图像传感器主要分为哪三种？图像传感器产品主要分为CCD （Charge Coupled Device ,电荷耦合器件）、C0MS （Complementary Metatal~oxide Semiconductoor ,互补金属氧化物半导体）以及CIS （Contact Image Sensor,接触式图像传感器）三种。
D有几个工作过程？分别是什么？在CCD中，CCD的信号为电荷信号，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类。
CCD工作过程的第一步是电荷的产生。
CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（也就是光生伏特效应）。
CCD工作过程的第二步是信号电荷的存储收集，是将入射光了鼓励出的电荷收集起来使其形成信号电荷包的过程。
CCD工作过程的第三步是信号电荷包的传输转移，是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。
通过按一定的时序在电极上施加上下电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。
CCD的信号电荷读出方法有输出二极管电流法和浮置栅M0S放大器电压法两种。
CCD工作过程的第四步是电荷的检测，是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
输出类型主要有以下三种。
（1）电流输出。
（2）浮置栅放大器输出。
（3）浮置扩散放大器输出。
4.简述CCD图像传感器和CMOS图像传感器的区别。
CCD图像传感器与CMOS图像传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用光电二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据的。
CCD图像像传感器与CMOS图像传感器器的主要差异是数字数据传输的方式不同。
CCD 图像传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端局部输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。
而在CMOS图像传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
CCD图像传感器与CMOS图像传感器另一个主要差异是电荷读取方式不同。
对于CDD,光通过光电二极管转换为电荷，然后电荷通过传感器芯片传递到转换器，最终信号被放大，因此电路较为复杂，速度较慢。
对于CMOS,光通过电极二极管的光电转换后直接产生电压信号, 信号电荷不需要转移，因此CMOS图像传感器集成度高，体积小。
综上所述，CCD图像传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS图像传感器，而CMOS图像传感器那么具有低本钱、低功耗以及整合度高的优点。
不过，随着CCD与CMOS 传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。
例如：CCD图像传感器一直在功耗上做改良，以应用于移动通信市场；CMOS图像传感器那么在改善分辨率与灵敏度方面的缺乏，以应用于更高端的图像产品。
5.简述智能生物传感器的应用场合。
从20世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始，生物传感器的开展己经距今己有几十年的历史了。
作为一门在生命科学和信息科学之间开展起来的交叉学科，生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。
随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用。
