現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)課后題及答案.doc

1、第1章緒論1.傳感器的基本概念是什么？一般情況下由哪幾部分組成？國家標準（gb7665-87）傳感器的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。2.傳感器有幾種分類形式，各種分類之間有什么不同？共有10種分類形式。根據(jù)傳感器的工作機理：基于物理效應、基于化學效應、基于生物效應；傳感器的構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型與物性型；能量轉(zhuǎn)換情況：能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型；根據(jù)傳感器的工作原理分類：可分為電容式、電感式、電磁式、壓電式、熱電式、氣電式、應變式等；根據(jù)傳感器使用的敏感材料分類：可分為半導體傳感器、光纖傳感器、陶瓷傳感器、高分子材料傳感器、復合材料

2、傳感器等；根據(jù)傳感器輸出信號為模擬信號或數(shù)字信號：可分為模擬量傳感器和數(shù)字量（開關(guān)量）傳感器；根據(jù)傳感器使用電源與否：可分為有源傳感器和無源傳感器；根據(jù)傳感器與被測對象的空間關(guān)系：可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器；根據(jù)與某種高新技術(shù)結(jié)合而得名的傳感器：如集成傳感器、智能傳感器、機器人傳感器、仿生傳感器等；根據(jù)輸入信息分類：可分為位移、速度、加速度、流速、力、壓力、振動、溫度、濕度、粘度、濃度等。3.舉例說明結(jié)構(gòu)型傳感器與物性型傳感器的區(qū)別。結(jié)構(gòu)型：利用物理學中場的定律構(gòu)成的，特點是其工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。其基本特征是以其結(jié)構(gòu)的部分

3、變化或變化后引起場的變化來反映被測量（力、位移等）的變化。如電容傳感器利用靜電場定律研制的結(jié)構(gòu)型傳感器。物性型：利用物質(zhì)定律構(gòu)成的,如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如，光電管利用了外光電效應，壓敏傳感器是利用半導體的壓阻效應。6.什么是信息？信息的基本特征是什么？ “信息是物質(zhì)存在的一種方式、形態(tài)或運動狀態(tài)，也是事物的一種普遍屬性，一般指數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義，可以使消息中所描述事件的不定性減少。”普遍性；客觀性；依附性；時效性（動態(tài)性）

4、；可識別；可轉(zhuǎn)換；可傳輸；可存儲；可共享性、永不枯竭性。7.什么是信息技術(shù)？什么是3c技術(shù)？信息技術(shù)是研究信息的獲取、傳輸和處理的技術(shù)，是指有關(guān)信息的收集、識別、提取、變換、存貯、傳遞、處理、檢索、檢測、分析和利用等的技術(shù)，是用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總稱。 “3c”技術(shù)collection communication computer)，指信息的收集、通信和計算機技術(shù)。第2章 傳感器的理論基礎3.舉例說明傳感器與守恒定律、場的定律、統(tǒng)計法則和物質(zhì)定律的關(guān)系。利用守恒定律構(gòu)成的傳感器，如利用差壓原理進行流量測量的傳感器，其基本原理是以能量守恒定律、伯努利方程和流動連續(xù)性方程為基礎的；

5、利用場的定律構(gòu)成的傳感器，其性能由定律決定，與使用材料無關(guān)，如利用靜電場的有關(guān)定律制成電容傳感器，利用電磁感應定律可以構(gòu)成磁電感應式傳感器；以差壓變壓器為例，使用坡莫合金或鐵氧體做鐵芯，都是作為差壓變壓器工作。利用各種物質(zhì)定律構(gòu)成的傳感器統(tǒng)稱為物性型傳感器。這些傳感器的主要性能在很大程度上受相應的物理常數(shù)或化學、生物特性所決定，也即與物質(zhì)的材料密切相關(guān)，利用半導體物質(zhì)具有的壓阻、熱阻、光阻、濕阻和霍爾等效應，可以分別制成力、壓力、溫度、光強、濕度和磁場等傳感器，利用壓電材料所具有的壓電效應可制成壓電式、聲表面波和超聲波等傳感器，利用生物、化學敏感特性制成的生物、化學傳感器等。統(tǒng)計物理學認為：所

6、有宏觀上可觀測的物理量都是相應微觀量的統(tǒng)計平均值，許多看似雜亂無章的微觀運動表現(xiàn)出統(tǒng)計規(guī)律性。利用熱噪聲的熱力學溫度的關(guān)系可以構(gòu)成熱噪聲型熱敏電阻。目前成功利用構(gòu)成傳感器的法則是奈奎斯特定理，利用熱噪聲與絕對溫度的關(guān)系可以構(gòu)成熱噪聲型熱敏電阻。由于絕對溫度與熱噪聲電壓之間有確定的關(guān)系，因此它可作為彼岸準溫度計用來直接測量絕對溫度而不需要校準4.什么是熱平衡型的一次效應和二次效應？寫出熱平衡現(xiàn)象中的麥克斯韋關(guān)系式，舉例說明它們在傳感器中的應用。不同種類能量所對應的強度型狀態(tài)量與容量型狀態(tài)（或相反）微分之比為定值，具有這種關(guān)系的效應稱為熱平衡一次效應，一次效應是可逆的；同一種類能量的示強變量與示容

7、變量微分之比，或同一種類能量的示容變量與示強變量微分之比，是不能直接構(gòu)成傳感器的，這些比例系數(shù)雖然不能在傳感器中直接而將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，但可以利用其中的狀態(tài)量與其他狀態(tài)量之間的關(guān)系制成各種傳感器，這種變換稱為二次效應，二次效應沒有逆效應。一次效應的例子有壓電效應，壓磁效應；二次效應利用彈性元件受力產(chǎn)生變形，其應變與應變片電阻值的關(guān)系可制成電阻應變式力(壓力)傳感器。光電比色高溫計。5.什么叫傳輸現(xiàn)象？什么叫傳輸現(xiàn)象的一次效應？舉明傳輸現(xiàn)象一次效應在傳感器中的應用。當系統(tǒng)中存在有強度量的差或梯度時，相應的廣延量就隨時間而變化，即廣延量的流動，這種現(xiàn)象稱為傳輸現(xiàn)象。把這種不同種類的親和力和

8、流之間的效應稱為一次效應。塞貝克效應是因溫度差而產(chǎn)生電流，珀耳帖效應由電位差產(chǎn)生電流。7.什么是傳感器的敏感材料？ 傳感器的敏感材料用來制作敏感元件的基本材料，是對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布、酶等物理、化學、生物待測量的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。8.按材料成分進行分類，敏感材料可以分為哪幾種？ 按材料成分：金屬材料、無機和有機。第3章 傳感器構(gòu)成論1.傳感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？ 傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路組成。1、敏感元件：直接感受被測量，以確定的關(guān)系輸出某一物理量（包括電學量）。2、轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電量物理量轉(zhuǎn)換為電學量（包括電

9、路參數(shù)量）。3、轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)量（如電阻、電容、電感）轉(zhuǎn)換成便 于測量的電學量（如電壓、電流、頻率等）。2.從傳感器的結(jié)構(gòu)形式來劃分，可將傳感器按其構(gòu)成方法分為哪幾類？各類型的特點是什么？并畫出各類型的結(jié)構(gòu)簡圖。（必考）根據(jù)結(jié)構(gòu)組成可將傳感器按其構(gòu)成方法分為以下幾類：1.通用型、2.參比型、3.差動型、4.反饋型。每一類型，根據(jù)能量變換，一般都可分為：能量變換型，能量控制型。1. 通用型：根據(jù)組成可分為：(1)能量變換基本型、(2)能量控制基本型、(3)能量變換特殊型（輔助能源型）、(4)電路參數(shù)型和(5)多級變換型。（1）能量變換基本型特點：1.只由敏感元件構(gòu)成。2.不需外加電源，敏感

10、元件就是能量變換元件，能量從被測對象獲得，輸出能量較弱。(3)利用熱平衡現(xiàn)象或傳輸現(xiàn)象中的一次效應制成是可逆的。(4)對被測對象有負荷效應（因輸出逆效應而影響輸入）。(5)輸出能量不可能大于被測對象的能量。（2）能量控制基本型特點：（1）也由敏感元件組成，但需外加電源才能將被測非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。（2）輸出能量可大于被測對象具有的能量。（3）無需變換電路即可有較大的電量輸出。（3）能量變換特殊型（輔助能源型）特點：1.只由敏感元件構(gòu)成。2.能量從被測對象獲得，屬能量變換型。3.輔助能源是為了增加抗干擾能力或提高穩(wěn)定性，或取出信號，或為原理所需要而使用固定磁場。（4）電路參數(shù)型特點：(1) 敏

11、感元件對輸入非電信號進行阻抗變換。(2) 轉(zhuǎn)換電路含有該敏感元件。(3) 電源向轉(zhuǎn)換電路提供能量從而輸出電量，屬于能量控制型。(4) 輸出能量遠大于輸入能量。(5) 利用傳輸現(xiàn)象中的二次效應屬于此類傳感器。（5）多級變換型特點：設計自由度大，可用二級或二級以上變換，設計出適應各種條件的傳感器。2.參比補償型特點：(1) 采用兩個（或兩個以上）性能完全相同的敏感元件。其中一個感受被測量和環(huán)境量，另一個只感受環(huán)境量作補償用。(2) 兩個敏感元件同時接到電橋的相鄰兩臂或反串。(3) 能消除環(huán)境和條件變化干擾的影響（如溫度變化、電源電壓波動）。3.差動結(jié)構(gòu)型特點：(1) 采用兩個（或兩個以上）性能完全

12、相同的敏感元件，同時感受相同的環(huán)境影響量和方向相反的被測量。(2) 反串或接入電橋相鄰的兩臂。(3) 輸出信號提高一倍。(4) 傳感器差動結(jié)構(gòu)以提高靈敏度、線性度，減小或消除環(huán)境因素的影響。4.反饋型特點：(1) 傳感器的敏感元件（或轉(zhuǎn)換元件）同時兼作反饋元件。(2) 是閉環(huán)系統(tǒng)、傳感器輸入處于平衡狀態(tài)，故又稱為平衡式傳感器。(3) 主要有力（位移）反饋和熱反饋型，如差動電容力平衡式加速度傳感器、熱線熱反饋型流速傳感器等。(4) 結(jié)構(gòu)較復雜，應用于特殊場合（高精度微差壓、高流速）。3.傳感器與被測對象之間有哪些關(guān)聯(lián)形式？（表格）與固體對象的關(guān)聯(lián)為：接觸型和非接觸型；與流體對象的關(guān)聯(lián)是安裝在盛有

13、流體的容器里或有流體流動的管道中。4.傳感器的輸出數(shù)學模型是什么？簡述傳感器對信號的選擇方式。（參比差動：三個指標的定義；改善非線性：互換性，可靠性，電磁兼容性）設輸入變量x1,x2,xn,傳感器內(nèi)部變量u1,u2,ur,輸出變量y1,y2ym,則傳感器的一般數(shù)學模型表達式為： yi=fi(x1,x2,xn, u1,u2,ur)其中i=1,2,m 如果被測信號為x1,與之對應的輸出為y1，則 y1=f1(x1,x2,xn, u1,u2,ur) 為了得到x1與y1一一對應，則必須使除x1以外的變量（稱干擾量）固定或即使有變化，對x1也不產(chǎn)生影響或影響很小可忽略。選擇方式：1. 固定方式：把被測量

14、以外的的其他變量固定，或用控制方法使其為定值。2. 補償方式（參比）：利用被測量和干擾量共同作用的第一函數(shù)量和只有干擾量作用的第二函數(shù)量之差（干擾量作用效果與被測量相加時）或之比（干擾量作用效果與被測量相乘時）來消除干擾量的影響的一種方式。3. 差動方式： 被測量朝兩個方向?qū)ΨQ變化，而作為影響量的次要變量則朝一個方向變化，然后取差，就能將被測量選擇出來。使傳感器的兩個相反的方向（即一個增大，另一個減?。惺芡槐粶y量，而且以兩個相同方向感受干擾量，取兩個函數(shù)之差作為輸出。 4. 頻率域及時間域的選擇：利用被測量信號與干擾信號的頻率范圍不同進行信號選擇，對于頻率域干擾，通過濾波加以排除，對于時

15、域干擾，用時間窗加以消除。5.什么是示容變量和示強變量？1.與分割方法無關(guān)，其性質(zhì)由其量的大小來決定的狀態(tài)量，稱為強度型狀態(tài)量，簡稱示強變量。如溫度、壓力、電場強度、磁場強度。2.具有與系統(tǒng)的大?。w積、面積等）成正比性質(zhì)的狀態(tài)量，稱為容量型狀態(tài)量，簡稱示容變量，又叫容量量或廣延量。如能量、熵、位移等6. 傳感器的互換性 傳感器的互換性是指一個傳感器可以完全代替另一個傳感器，而它的機械尺寸、各項性能指標不需重新校準就可滿足使用要求，更換后的誤差不會超過原來的范圍；即傳感器的功能、尺寸具有完全的互換能力。7. 可靠性 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力8. 電磁兼容性（electr

16、omagnetic compatibility）：設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。第4章傳感器的應用基礎1.傳感器與測量系統(tǒng)有什么關(guān)系？（三個部分）傳感器是測量系統(tǒng)的第一級，主要功能是檢測和敏感被測量，它輸入被測量，輸出大多為電學模擬量。2.什么叫測量？什么叫計量？它們之間有什么異同？測量是將被測量同已知量相比較，以確定被測量與選定單位的比值。這個比值同測量單位結(jié)合在一起稱量值。測量是以確定被測量值為目的的一系列操作,是人們對客觀事物取得定量認識的一種手段。計量是規(guī)范測量的測量。計量依法監(jiān)督測量工具的準確性與測量行為的規(guī)范性，使用有溯源

17、性的標準與測量儀器、按照規(guī)程、由資格被確認的人員進行的以判別測量器具合格性為目的的測量，是計量。測量與計量的具體工作對象不同。測量的直接目的是得到測得值；計量的目的是保證測量的準確?！皽y量”就是為獲取量值信息的活動；“計量”不僅要獲取量值信息，而且要實現(xiàn)量值信息的傳遞或溯源。“測量”作為一類操作，其對象很廣泛；“計量”作為一類操作，其對象就是測量儀器?！皽y量”可是以孤立的；“計量”則存在于量值傳遞或溯源的系統(tǒng)中。 測量與計量的劃分，以測量工具的作用為界。測量是用測量工具認識物理量，相信的是測量工具，目的是得到被測量的量值；計量的目的是拿標準（已知的量值）檢查測量工具的合格性，相信的是標準。簡言

18、之：相信測量工具的是測量，檢查測量工具的是計量。3.什么叫量值傳遞？什么叫量值溯源？將國家計量基準所復現(xiàn)的計量單位量量值，通過檢定（或其它傳遞方式）傳遞給下一等級的計量標準，并依次逐級傳遞到工作計量器具，以保證被計量的對象的量值準確一致，稱為量值傳遞。通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果或測量標準的值能夠與規(guī)定的參考標準（國家計量標準或國際計量標準）聯(lián)系起來的特性，稱為量值溯源性。量值溯源是從下而上，量值傳遞則是自上而下的。6.說明差動技術(shù)的原理及技術(shù)環(huán)節(jié)。（第3章）原理：采用兩個（或兩個以上）性能完全相同的敏感元件，同時感受相同的環(huán)境影響量和方向相反的被測量。測量時輸入信號是

19、同時加到原理相同、性能一致的兩個敏感元件上的，但對于輸入信號，兩個敏感元件的參數(shù)變化是成相反方向的；而對于環(huán)境變化，兩個敏感元件的變化則是成相同方向的，通過變換電路，使有用輸出量增加，干擾量相減便可以消除環(huán)境變動的影響。技術(shù)環(huán)節(jié)：反串或接入電橋相鄰的兩臂。7.舉例說明誤差平均效應的原理。（溫度傳感器）誤差平均效應原理是利用n個相同的傳感器單元同時感受被測量，因而其輸出將是這n個單元輸出的總和。若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，對n個單元來說，總的誤差將減小為：8.相對于開環(huán)測量系統(tǒng)，說明閉環(huán)技術(shù)的原理和特點。閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)相比較，增加了“反饋環(huán)節(jié)” 。

20、利用反饋技術(shù)與傳感器相結(jié)合，構(gòu)成閉環(huán)的“反饋測量”系統(tǒng)，可提高傳感器測量系統(tǒng)的性能。特點：精度高、穩(wěn)定性好；動態(tài)特性好。10.常見的傳感器噪聲有哪些？如何抑制這些噪聲？（必考，三要素）噪聲形成干擾必須具備三個條件（三要素）：有噪聲源、有對噪聲敏感的接受電路和噪聲源到接收電路之間的耦合通道。按產(chǎn)生原因：機械噪聲減振措施； 熱噪聲熱屏蔽，恒溫措施，對稱平衡結(jié)構(gòu)，溫度補償技術(shù)；光噪聲光屏蔽；音響噪聲消音，隔音器材或真空容器，遠離聲源，改變聲指向；溫度噪聲防潮措施；化學噪聲密封和保持傳感器的清潔；電磁噪聲屏蔽，隔離，使用雙絞線，正確且良好的接地；射線輻射噪聲對射線進行防護；電路噪聲12.屏蔽的作用是什

21、么？有哪些屏蔽方法？（靜態(tài)、電磁）屏蔽的作用是隔斷“場”的耦合，抑制各種場的干擾。有靜電屏蔽，電磁屏蔽，低頻磁屏蔽，驅(qū)動屏蔽，信號的屏蔽傳輸，屏蔽與接地。14.在實際應用中如何改善傳感器的技術(shù)性能？（列舉幾個）結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇；差動技術(shù)；平均技術(shù)；補償與校正；穩(wěn)定性處理；屏蔽，隔離與干擾抑制；零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)；集成化與智能化第5章光電傳感技術(shù)3.簡述光電傳感器的組成及特點。（四個部分組成）光電傳感器的一般組成形式主要包括光源（光能的提供者，良好的光源是保障光電傳感器性能的重要前提）、光通道（光能量的會聚收集、平行準直、圖像的放大與縮小、光學濾波等）、光電器件和測量電路（對光電

22、器件輸出的電信號進行放大或轉(zhuǎn)換，從而達到便于輸出和處理的目的）四個部分。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠、體積小、重量輕、價格廉、靈敏度高的特點。4.傳感器用光源有什么特點？常用哪些光源？特點：具有足夠的照度； 均勻、無遮擋或陰影； 光源的照射方式符合傳感器的測量要求； 光源的發(fā)熱量??； 光源發(fā)出的光具有適合的光譜范圍。常用光源：熱輻射光源；氣體放電光源；發(fā)光二極管；激光光源。5.簡述光電探測器的原理、特點和基本類型。光電探測器基于光電效應。所謂光電效應是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應，就是光致電效應。外光電效應及器件：在光的照射下，使得電子逸出物體表面而

23、產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應。光電管和光電倍增管；光電導效應：半導體受到光照會產(chǎn)生光生“電子空穴”對，使得導電性能增強。光線越強，導電性越強，電阻越低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻（光電導型）和反向工作的光敏二極管、光敏三極管（光電導結(jié)型）；光生伏特效應：光電池。7.簡述激光傳感技術(shù)的原理、方法（1）激光干涉法，原理：光的干涉（2）激光衍射法細絲直徑測量:單色平行光垂直照射被測細絲，經(jīng)細絲衍射后，在成像物鏡的焦平面上形成衍射圖樣。根據(jù)夫瑯和費衍射理論和巴比涅互補原理，直徑為d的細絲和縫寬為d的狹縫具有相同的衍射圖樣。線陣ccd器件放在成像透鏡的后焦面上，細絲衍射條

24、紋成像到ccd上，光強分布轉(zhuǎn)換成按時序分布的電壓信號。該信號經(jīng)低通濾波和放大處理，再利用施密特電路變成方波輸出。根據(jù)脈沖寬度計數(shù)便能求出細絲直徑。9.簡述紅外輻射的基本定律。（熱分子）（1）基爾霍夫定律：一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能；如果幾個物體處于同一溫場中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)；（2）斯忒藩玻耳茲曼定律：物體的總的出射輻射度與溫度的四次方成正比；（3）維恩位移定律 ：熱輻射電磁波中包含各種波長，從實驗可知，物體峰值輻射波長與物體自身的絕對溫度成以下關(guān)系：10.簡述紅外探測器的原理、種類、特點及應用。紅外探測器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，主要用于將接收到的紅外輻

25、射轉(zhuǎn)換為便于測量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換方式，紅外探測器可分為熱探測器和光子探測器兩大類。特點：熱探測器不適合用于快速、高靈敏度的探測。熱探測器的最大優(yōu)點是光譜響應范圍較寬且較平坦。應用于光譜儀，紅外測溫儀，熱像儀，紅外遙感技術(shù)。光子探測器的光譜響應特性與熱探測器完全不同，通常需要制冷至較低溫度才能正常工作。光子探測器的響應時間為微秒或納秒級。探測率一般比熱探測器大一到兩個數(shù)量級。應用于真空光電管，光電倍增管。第6章光纖傳感技術(shù)6.光纖傳感器分幾類？各有什么特點？（功能、非功能，給圖會分析）(1)功能型：利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖作傳感元件，將“傳”和

26、“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素（溫度、壓力等）的作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。(2)非功能（傳光）型：光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。(3)拾光型：用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。7.簡述光纖中的光波調(diào)制技術(shù)。

27、（基本原理）強度調(diào)制主要是指外界物理量通過傳感元件使光纖中光強發(fā)生相應變化的過程；（雙光路強度檢測）相位調(diào)制指當傳感器光纖受到外界機械或溫度場的作用時，外界信號通過光纖的力應變效應、熱應變效應、及熱光效應使傳感光纖的幾何尺寸的折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導致光纖中的光相位變化。通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強變化，從而檢測出待測物理量。頻率調(diào)制，外界物理量通過傳感元件，使光纖中光的頻率發(fā)生相應變化的過程。波長調(diào)制，外界物理量通過傳感元件，使光纖中光的波長發(fā)生相應變化的過程。時分調(diào)制外界物理量通過不同傳感元件，使光纖中光的基帶頻譜的延遲時

28、間及幅度發(fā)生相應變化的過程。偏振態(tài)調(diào)制 外界物理量通過傳感元件，使光纖中光的偏振特性發(fā)生相應變化的過程稱為偏振態(tài)調(diào)制。8.什么叫光纖光柵？光纖光柵利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波或反射鏡。9.簡述光纖光柵傳感中的解調(diào)技術(shù)（給出圖，說出原理）1.匹配光柵解調(diào)法當傳感光柵處于自由態(tài)時，參考光柵的反射光最強，光探測器輸出信號幅度最高。這時控制掃描信號發(fā)生器使之固定輸出為零電平，當傳感光柵感應外界溫度和應變時，發(fā)生移位，使參考光柵的反射光強下降，信號發(fā)生器工作，使參考光柵的

29、輸出重新達到原有值，這時的掃描電壓對應一定的外界物理量。2.波分復用光纖耦合器解調(diào)法fbg探頭返回的窄帶波長信號經(jīng)過3db耦合器后進入分光比與波長相關(guān)的耦合器，在3db耦合器連接光源的光路上置有光隔離器，以防止光源被返回光成分影響。在波分復用耦合器的兩個輸出口輸出的光直接進入光探測器將其強度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并經(jīng)過模擬信號運算，其輸出即為正比于fbg探頭所受應力大小。4.斜光纖光柵(tfbg)解調(diào)法這種解調(diào)方法應用了斜光柵能將纖芯中特定波長的光模耦合到光纖包層或者耦合到外界環(huán)境的原理。斜光柵的折射率變化的分界面和光纖橫截面具有一定的角度。傳感fbg的光通過光環(huán)行器進入線性啁啾的斜光柵，斜光柵

30、就會將特定范圍的光耦合到包層外介質(zhì)成為輻射光，通過檢測從斜光柵側(cè)面出射輻射光的強度，從而可以測得光纖中傳導光信號的強度隨波長分布情況。檢測光強可以采用光電探測器的線性陣列，也可采用ccd器件。10.什么叫長周期光纖光柵？有什么特點？長周期光纖光柵是指柵格周期大于100mm的光纖光柵。長周期光纖光柵是一種透射型光柵，其功能是將光纖中傳播的特定波長的光波耦合到包層中損耗掉。特點：當包層與纖芯的有效彈光系數(shù)相同時，長周期光纖光柵的應變靈敏度幾乎為零；而當包層與纖芯的熱光系數(shù)相同時，長周期光纖光柵的溫度靈敏度也幾乎為零；對不同的包層模，其有效折射率是不同的，因而溫度和應變靈敏度也不同。利用該特性，通過

31、監(jiān)測兩個不同包層模的吸收波長的移位，可在一個長周期光纖光柵傳感器上實現(xiàn)溫度和應變的同時測量。第7章視覺傳感技術(shù)1.簡述計算機視覺、機器視覺及視覺測量的區(qū)別與聯(lián)系。計算機視覺是借助于信息處理理論、電子器件和計算機技術(shù)的進步，人們試圖用攝像機獲取環(huán)境場景圖像，轉(zhuǎn)化為計算機處理的數(shù)字信號，由計算機平臺進行視覺信息處理；機器視覺地應用計算機視覺研究的部分成果，是數(shù)字成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計算機技術(shù)的集成應用技術(shù)，著重于利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力對獲取圖像進行自動分析處理，提供一個可供機器或自動化設備可以識別和利用的結(jié)果；視覺傳感測量源于計算機視覺，但并不等同計算機視覺，marr的視覺計算理論是通過

32、三維場景映射到的二維圖像來研究和感知場景三維物理結(jié)構(gòu)的理論，強調(diào)的是識別和理解功能，側(cè)重于基本理論研究，而視覺傳感測量，尤其是幾何量測量則是從工程應用的角度出發(fā)，研究定量提取三維空間內(nèi)有用信息的理論和方法。第8章聲表面波傳感技術(shù)1.什么叫聲表面波？有什么特點與用途？聲表面波saw（surface acoustic wave）是一種能量集中在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ膹椥圆āＬ攸c：聲表面波具有較低的傳播速度和較短的波長，大概是相應電磁波的10-5倍，因此在同一頻段上，saw器件的尺寸比相應電磁波器件的尺寸小得多，這樣就可以大幅度減小器件的體積和重量，有利于電子器件的超小型化。由于聲表面波是沿固體表面?zhèn)鞑サ模?/p>

33、且傳播速度較慢，這使得時變信號在給定瞬時可以完全呈現(xiàn)在晶體基片表面上，當信號在輸入和輸出之間行進時，就容易對信號進行注入、提取和變換等處理。聲表面波是晶體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ簧婕熬w內(nèi)部電子的遷移過程，這樣使得saw器件具有較強的抗輻射能力和較大的動態(tài)范圍。用途：saw器件主要包括：濾波器、延遲線、振蕩器、混頻器、放大器、卷積器、相關(guān)器、編碼器、聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光開關(guān)、超聲馬達、射頻標簽和傳感器等。特別是其作為一種快速、超小型的頻率控制、選擇和信號處理器件，對電子和通信系統(tǒng)的發(fā)展起著極為重要的作用。2.叉指換能器的作用原理是什么？在發(fā)射叉指換能器上施加適當頻率的交流電信號后，在壓電晶

34、片內(nèi)部分布有電場，該電場可分解為垂直和水平二個分量（ev和eh），通過逆壓電效應使指條電極間的材料發(fā)生垂直于和平行于表面的交變形變（聲波），其頻率與激勵頻率一致，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑?，并最終由接收叉指換能器通過壓電效應轉(zhuǎn)換為電信號輸出。3.什么叫聲表面波傳感器？簡述其結(jié)構(gòu)組成和性能特點。利用聲表面波固有特點做出的傳感器叫做saw傳感器。聲表面波器件包括一個壓電材料薄基板和采用薄膜工藝制作在基板上的叉指換能器和反射極陣列。saw傳感器一般采用振蕩器電路的形式。特點：高精度、高靈敏度準數(shù)字輸出：微型化，低功耗：便于實現(xiàn)無線、無源化 多參數(shù)敏感性，抗干擾能力強：結(jié)構(gòu)工藝性好，便于大批量生產(chǎn)：5.聲

35、表面波傳感器為什么要特別注意溫度補償？常用的補償方法有哪些？由于saw傳感器能感測到許多物理量與化學量，所以用它來感測某種物理量或化學量時，其它物理量或化學量（特別是溫度）產(chǎn)變化對測量精度的影響就不可忽視了。1.選擇零溫度系數(shù)切型2.差動法3.數(shù)字補償法4.浮動零點法8.什么是聲表面波標簽？試說明其工件原理與特點。聲表面波（saw）射頻標簽（rfid）芯片主要由壓電基片、叉指換能器、標簽天線和反射柵組成。其基本原理為，在壓電基片上制作一個saw叉指換能器（idt），同時在saw傳播路徑上分布了一組或多組的反射柵，工作時閱讀器發(fā)射出高頻脈沖激勵信號，由敏感基片的天線接收無線信號，并通過idt將電

36、磁信號轉(zhuǎn)換為聲表面波。聲表面波經(jīng)過一段延遲后由反射柵反射回來，再通過idt將信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號，并經(jīng)天線發(fā)射出去，再由讀寫器接收處理。根據(jù)由反射柵不同位置形成的反射（saw）脈沖來實現(xiàn)脈沖位置或相位位置編碼。第9章生物傳感技術(shù)6.闡述微生物反應與酶反應的異同點。1.微生物反應和酶反應的共同特點（1）兩者都是生物化學反應，反應所需要的環(huán)境相似；（2）微生物細胞中包含各種各樣的酶，可以催化所有酶可以催化的反應；（3）兩者催化的速度近似。2.不同點（1）酶反應需要溫和的環(huán)境，微生物細胞的膜系統(tǒng)為酶的反應提供了天然的“理想環(huán)境”，細胞可以在較長的時間保持一定的催化活性；（2）同一個微生物細胞自身包含

37、數(shù)以千計種的酶，顯然比單一的酶更適合多底物反應；（3）酶反應需要的輔助因子和能量可以由微生物細胞提供；（4）酶的提純成本高，有些酶至今未能完全的提純，相比之下，微生物細胞來源方便，價格低廉。15.微生物的特征及微生物傳感器的分類如何？微生物的特征：體積小，繁殖快，分布廣。根據(jù)微生物與底物作用原理的不同：測定呼吸活性型微生物傳感器；測定代謝物質(zhì)型微生物傳感器；根據(jù)測量信號的不同：電流型微生物傳感器；電位型微生物傳感器。16.常見的微生物傳感器及其工作原理是什么？電化學微生物傳感器分為電流型和電位型。電流型是指工作中，微生物敏感膜與待測物質(zhì)發(fā)生反應后，通過檢測某種物質(zhì)的含量變化，最終輸出為電流信號

38、的傳感器。電位型是指工作時，通過信號轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換后輸出信號為電位的微生物傳感器。壓電高頻阻抗型微生物傳感器：基于高頻壓電晶體頻率對溶液介質(zhì)性質(zhì)變化具有靈敏的響應特性制成的。燃料電池型微生物傳感：微生物在呼吸代謝過程中可產(chǎn)生電子，直接在陽極上放電，產(chǎn)生電信號。但是微生物在電極上放電的能力很弱，往往需要加入電子傳遞的媒介物介體，起到增大電流的作用。22.試簡述基因傳感器的原理。所謂基因傳感器，其原理就是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的己知核甘酸序列的單鏈dna分子(也稱為ssdna探針)，和另一條互補的ssdna分子，也稱為目標dna雜交，形成的雙鏈dna(dsdna)會表現(xiàn)出一定的物理信號

39、，最后由換能器反應出來。24.簡述微懸臂梁傳感器的工作原理。微懸臂梁生物傳感器是以微懸臂梁作為換能元件，在微懸臂梁的一面涂有生物敏感層，當被測物質(zhì)吸附到生物敏感層后，微懸臂梁的表面應力或共振頻率發(fā)生變化。通過檢測微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測吸附到敏感層上的生物分子。第11章前沿傳感技術(shù)3.什么是軟測量技術(shù)？它主要包括哪幾方面內(nèi)容？（4個主要因素，1、3）軟測量技術(shù)一般是根據(jù)某種最優(yōu)準則，通過選擇一些容易測量且與主導變量密切聯(lián)系的二次變量(輔助變量)來預測主導變量，它所建立的軟測量模型可以完成一些實際硬件檢測儀器所不能完成的測量任務。四個因素：中間輔助變量的選擇；輸入數(shù)據(jù)的處理數(shù)學；模型

40、的建立；數(shù)學模型的修正軟測量技術(shù)的核心是建立工業(yè)對象的精確可靠的模型5.簡述模糊理論與模糊傳感器原理結(jié)構(gòu)。（絕對到相對，邏輯框圖，初值敏感性，參數(shù)敏感性）模糊理論是以模糊集合為基礎，其基本精神是接受模糊性現(xiàn)象存在的事實，而以處理概念模糊不確定的事物為其研究目標，并積極的將其嚴密的量化成計算機可以處理的訊息，不主張用繁雜的數(shù)學分析即模型來解決模型模糊傳感器是在經(jīng)典傳感器數(shù)值測量的基礎上，經(jīng)過模糊推理與知識集成，以自然語言符號描述的形式輸出測量結(jié)果。其邏輯結(jié)構(gòu)可以分為轉(zhuǎn)換部分和符號處理與通信部分。從功能上看，有信息調(diào)理與轉(zhuǎn)換層、數(shù)值符號轉(zhuǎn)換層、符號處理層、有指導信息層和通信層。這些功能有機地集成在

41、一起，完成數(shù)值符號轉(zhuǎn)換功能6.什么叫混沌理論？它在測量中有何應用？混沌理論是一種兼具質(zhì)性思考與量化分析的方法，用以探討動態(tài)系統(tǒng)中無法用單一的數(shù)據(jù)關(guān)系，而必須用整體、連續(xù)的數(shù)據(jù)關(guān)系才能加以解釋及預測之行為?；诨煦缦到y(tǒng)性初值敏感性的檢測技術(shù)的基本思想就是反蝴蝶效應倒過來應用，將敏感元件作為混沌電路的一部分，其敏感參數(shù)隨被測量變化而變化，并使系統(tǒng)的混沌軌道變化，測出混沌軌道的變化從而得到被測量。如基于混沌理論的頻率測量、溫度測量、電阻電容電感測量等。第12章現(xiàn)代傳感系統(tǒng)概述1.現(xiàn)代傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是什么？現(xiàn)代傳感系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、通信網(wǎng)絡、中央處理服務器、處理電路和相關(guān)軟件組成，集成了傳感器技術(shù)

42、、分布式測量技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、智能儀器技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等，可以滿足現(xiàn)代測量、控制和數(shù)據(jù)處理的多種需求。2.什么是分布式測量系統(tǒng)？分布式測量系統(tǒng)有什么結(jié)構(gòu)特征分布式測量系統(tǒng)通過internet、intranet或無線網(wǎng)絡等，把分布于不同地方、獨立完成特定功能的本地測量設備和測量計算機連接起來，允許在不同地理位置的多個用戶與不同地理位置的多個儀器交互，以完成特定的測試任務，達到測量資源共享、協(xié)同工作、分散操作、集中管理、測量過程監(jiān)控和設備診斷等目的。分布式測量系統(tǒng)以網(wǎng)絡為基礎，測量中心服務器為核心，由測量中心服務器、現(xiàn)場測試子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)組成，具有開放互聯(lián)能力

43、，支持網(wǎng)上測試應用服務的功能。分布式測量系統(tǒng)是一種層次結(jié)構(gòu)，分為三次：客戶層、管理層、現(xiàn)場測量層3.什么是現(xiàn)場總線系統(tǒng)？其典型協(xié)議都有哪些，簡要說明各有什么特點？安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線是以單個分散、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，節(jié)點間通過總線連接實現(xiàn)信息交互，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字控制系統(tǒng)。profibus：porfibus支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式；lonworks：它采用了iso/osi模型的全部七層通訊協(xié)

44、議，采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通訊速率從300bps至15mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應的本安防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡；基金會現(xiàn)場總線：基金會現(xiàn)場總線，即foudation fieldbus,簡稱ff，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。can：can支持多主方式工作，網(wǎng)絡上任何節(jié)點均在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。hart：種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放

45、通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。rs-485：盡管rs-485不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的鼻祖，還有許多設備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用rs-485通訊具有設備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以rs-485為基礎的opto-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。6.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器有什么不同？虛擬儀器：以通用計算機為硬件平臺，利用相應具有高性能測試功能的硬件作為輸入/輸出接口，結(jié)合高效靈活的儀器軟件，在計算機屏幕上虛擬出儀器面板和交互功

46、能，通過鼠標或鍵盤實施操作的儀器。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。由于計算機性能以每半年提高一倍的速度飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠遠拋到后面。第13章多傳感器數(shù)據(jù)融合1.什么是多傳感器數(shù)據(jù)融合？多傳感器數(shù)據(jù)融合的實質(zhì)是什么？多傳感器數(shù)據(jù)融合是針對一個系統(tǒng)中使用多個（種）傳感器這一特定問題而提出的信息處理方法，是將來自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)進行綜合處理，從而對觀測對象形成準確結(jié)論的過程。數(shù)據(jù)融合的目的是基于各獨立傳感器的觀測數(shù)據(jù)，通過融合導出更豐富的有效信息，獲得最佳協(xié)同效果，發(fā)揮多個傳感器的聯(lián)合優(yōu)勢，提高傳感器系統(tǒng)的有效性和魯棒性，消除單一傳感器的局限性。3.比較不同數(shù)據(jù)融合形式的特點、結(jié)構(gòu)和適應性。如果多傳感器數(shù)據(jù)是同質(zhì)的，原始數(shù)據(jù)可以直接融合，稱為數(shù)據(jù)級融合。數(shù)據(jù)級融合直接對未經(jīng)預處理的傳感器原始觀測數(shù)據(jù)進行綜合和分析，其優(yōu)點是保持盡可能多的客體數(shù)據(jù)，基本不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失