傳感技術課程復習綱要2012

1、傳感技術課程復習提要考試方式：一頁開卷 1. 解釋：【傳感器】傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換電路組成。【傳感技術】傳感器技術是一個匯聚物理、化學、材料、器件、機械、電子、生物工程等多類型交叉學科，涉及傳感檢測原理、傳感器件設計、傳感器開發(fā)和應用的綜合技術?！揪芏取恐付啻螠y量值之間的符合程度，即接近程度或一致性，反映測試系統(tǒng)的隨機誤差【分辨率】分辨力的相對值，等于：分辨力/測量上限100%【零漂】指在恒溫條件下，測量儀器開機一段時間儀器零點的變化情況【壓阻效應】沿著半導體某晶向施加一定的壓力而使其產(chǎn)生應變時，其電阻率將隨應力改變而變

2、化，這種現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應。【（應變片）靈敏系數(shù)】靈敏系數(shù)系指應變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比逆壓電效應某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應。人們把這種機械能轉換為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應”；相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機電能量的相互轉換。 【機械品質因數(shù)

3、】壓電晶片諧振時,貯存的機械能與在一個周期內(nèi)(變形、恢復)損耗的能量之比?！竟怆妼吭诠饩€的作用下，半導體的電導率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導效應【暗電阻】光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流?！緹犭娕肌繜犭娕际菍囟攘哭D換為電勢大小的熱電式傳感器?！緶愤d效應】假設在一勻質棒狀導體的一端加熱，則沿此棒狀導體有溫度梯度；導體內(nèi)自由電子將從溫度高的一端向溫度低的一端擴散，并在溫度較低一端積累起來，使棒內(nèi)建立起一電場。當這電場對電子的作用力與擴散力相平衡時，擴散作用即停止。電場產(chǎn)生的電勢稱為湯姆遜電勢或溫差電勢。此效應稱為湯姆遜效應?！倦娮?/p>

4、溫度系數(shù)】電阻溫度系數(shù)，即熱敏電阻的溫度變化1時電阻值的變化率，通常指溫度為20時的溫度系數(shù)，單位為1【紅外線】紅外線是位于可見光中紅光以外的光線，故稱為紅外線。它的波長范圍大致在0.76m到1000m的頻譜范圍之內(nèi)，相對應的頻率大致在41014-31011 Hz之間?！敬髿獯翱凇考t外輻射在通過大氣層時被分割成三個波段，即22.6m，35m和814m，統(tǒng)稱為“大氣窗口”（通常把太陽光透過大氣層時透過率較高的光譜段稱為大氣窗口 ）【光子探測器】光探測器是光纖傳感器構成的一個重要部分，它的性能指標將直接影響傳感器的性能。能檢測出入射到其面上的光功率，并把這個光功率的變化轉化為相應的電流。【傳光型光

5、纖傳感器】光纖僅起傳輸光波的作用，必須在光纖中間或端面加裝其他敏感元件才能構成傳感器，稱為傳光型傳感器。【光調制技術】光調制：按照一定規(guī)律改變光波的強度、相位、振幅、頻率或偏振狀態(tài)等參數(shù)的方法。 按照調制方式分類，光調制可以分為： （1）強度調制；（2）相位調制；(3)偏振調制；（4）頻率調制；（5）波長調制【半導體氣體傳感器】利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質發(fā)生變化，借此檢測特定氣體的成分及其濃度?！緷駵F(xiàn)象】各種濕敏元件吸濕和脫濕的響應時間各不相同，而且吸濕和脫濕的特性曲線也不相同。一般總是脫濕比吸濕滯后，我們稱這一特性為濕滯現(xiàn)象【相對濕度】相對濕度是氣體的絕對濕度(V)與在同

6、一溫度下，水蒸汽已達到飽和的氣體的絕對濕度(W)之比，常表示為RH其表達式為相對濕度= (V /W)100%RH【生物傳感器】生物傳感器利用生物活性物質選擇性的識別和測定實現(xiàn)測量，主要由兩大部分組成：一為功能識別物質（分子識別元件），由其對被測物質進行特定識別；其二是電、光信號轉換裝置（換能器），由其把被測物所產(chǎn)生的化學反應轉換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘枴?. 傳感器的發(fā)展動向主要表現(xiàn)在哪四個方面？1.新材料、新功能的開發(fā)應用2.微機械加工工藝的發(fā)展3.傳感器的多功能化發(fā)展4.傳感器的智能化發(fā)展3. 畫圖說明傳感器的6種基本構成型式，并以實例說明其中的任意三種。1.自源型 例：熱電偶、壓電器件

7、等。2. 帶激勵源型例: 某些磁電式和霍爾電磁感應式傳感器。3. 外源式例：熱敏電阻4. 相同傳感器的補償型這種構成法在應變式、固態(tài)壓阻式等傳感器中常被采用。5. 差動結構補償型如應變電橋（全橋差動） 6. 不同傳感器的補償型例：采用熱敏元件的溫度補償；采用壓電補償片的溫度和加速度干擾補償?shù)取?. 舉例推導二階傳感器的傳遞函數(shù)。P245. 傳感器的無失真測試條件是什么？P256. 說明線性系統(tǒng)的兩個主要性質。 7. 說明應變式、壓電式和光纖式加速度傳感器的異同。8. 試推導出半導體應變片的應變靈敏系數(shù)。9. 試簡要說明電阻應變式傳感器溫度誤差產(chǎn)生的原因及其補償方法?！镜谌抡n件43頁和后面】原

8、因1. 溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應變2. 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應變片產(chǎn)生附加應變。補償方法1. 橋路補償方法2. 應變片自補償法 (a) 選擇式自補償應變片 (b) 雙金屬敏感柵（組合式）自補償應變片10. 畫圖說明壓電傳感器的等效電路?！菊n件第四章27-30頁】？壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。 電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關系為 壓電傳感器也可以等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電路。11. 畫圖說明壓電片的連接方式?！菊n件第四章31頁】12. 為什么光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)？【課件第五章46頁】光敏二極管在沒有光

9、照射時，反向電阻很大，反向電流（暗電流）很小。受光照射時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。/*如果入射光的照度變化,光生電子.空穴對的濃度將相應變動,通過外電路的光電流強度也會隨之變動,光敏二極管就把光信號轉換成了電信號.*/（個人補充）13. 光電池的工作原理是什么？光電池的基本結構為一個大面積的pn結。當光照到pn結上時，如果光子能量足夠大，就將在pn結區(qū)附近激發(fā)電

10、于一空穴對。在pn結電場作用下，n區(qū)的光生空穴被拉向p區(qū)，p區(qū)的光生電子被拉向n區(qū)。結果在n區(qū)就聚積了負電荷，帶負電；p區(qū)聚積了正電荷，帶正電。這樣n區(qū)和p區(qū)之間就出現(xiàn)了電位差。用導線將pn結兩端用導線連接起來，電路中就有電流流過，電流的方向由p區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。14. 畫圖并說明光電式數(shù)字轉速表工作原理。【課件第五章69頁】沒有直接的答案脈沖式光電傳感器是將光脈沖轉換為電脈沖的裝置原理:在被測轉速的電機上固定一個調制盤，將光源發(fā)出的恒定光調制成隨時間變化的調制光,光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產(chǎn)生一個電信號脈沖、經(jīng)放大器整形后記錄。15. 推導熱

11、電偶回路熱電勢表達式?！菊n件第六章26頁】綜上所述，熱電極A、B組成的熱電偶回路，當接點溫度TT0時，其總熱電勢為：16. 說明半導體熱敏電阻有哪幾類？半導體熱敏電阻包括正溫度系數(shù)(PTC)、負溫度系數(shù)(NTC)、臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻等幾類。17. 設計基于兩種不同工作原理的二氧化碳檢測儀。18. 簡述熱釋電型紅外探測器的工作原理及其與其它熱敏型紅外探測器的根本區(qū)別。19. 紅外測溫有哪些特點？(1)紅外測溫是遠距離和非接觸測溫，特別適合于高速運動物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量；(2)紅外測溫反應速度快。它不需要與物體達到熱平衡的過程。只要接收到目標的紅外輻射即可定溫。反映時

12、間一般都在毫秒級甚至微秒級。(3)紅外測溫靈敏度高。因為物體的輻射能量與溫度的四次方成正比。物體溫度微小的變化，就會引起輻射能量成倍的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測出來；(4)紅外測溫準確度較高。由于是非接觸測量，不會破壞物體原來溫度分布狀況，因此測出的溫度比較真實。其測量準確度可達到0.1以內(nèi)，甚至更?。?5)紅外測溫范圍廣泛?？蓽y攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍。20. 說明光纖傳感器的組成與分類，并以實例進行說明?！菊n件第八章7頁】1）功能型光纖傳感器利用光纖本身的某種敏感特性或功能制作的傳感器，稱為功能型傳感器。2）傳光型光纖傳感器光纖僅起傳輸光波的作用，必須在光纖中間或端面加裝其

13、他敏感元件才能構成傳感器，稱為傳光型傳感器。有兩種形式：一種是將敏感元件置于入射與接收光纖中間，在被測對象的作用下，或使敏感元件遮斷光路，或使敏感元件的光透射率發(fā)生變化，這樣，光探測器通光量便成為被測對象調制后的信號；舉例: (1) 投幣機；計數(shù)裝置 (2) CO2氣體傳感另一種是在光纖一端設置“敏感元件+發(fā)光元件”的組合部件，敏感元件感受被測對象的作用并將其轉換為電信號后作用于發(fā)光元件，而發(fā)光元件的發(fā)光強度作為測量所得的信息。舉例：生物敏感膜+被測對象21. 光纖振動傳感器的基本工作原理是什么？激光束通過分束器、光纖入射到振動體上的一點，反射光作為信號光束，經(jīng)過同一光學系統(tǒng)，被引入到探測器。參考光束是從由部分透射面R上反射產(chǎn)生的。在實際系統(tǒng)中，用光纖輸出端面作為R面。信號光束只受到垂直振動分量Ucost的調制。由于振動體使反射點靠近或遠離光纖，從而改變了信號光束的光路長度，相應改變了信號光與參考光的相對相位，產(chǎn)生了相位調制。信號光與參考光之間的相位差為： 22. 畫圖說明MOS二極管氣體傳感器的工作原理。23. 簡要說明生物傳感器的工作原理。 待測物質經(jīng)擴散作用進入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識別而發(fā)生生物學作用，產(chǎn)生的信息如化學物質、光、熱、質量等被相應的信