測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)寶典-清華汽車系

1、題目為李老師和盧老師提供，（上）是信號(hào)處理部分，（下）為傳感器和測(cè)試電路部分所有答案為汽車系1字班合作而成，因?yàn)闀r(shí)間比較倉(cāng)促，會(huì)有一些錯(cuò)誤，希望以后得ddmm們善用。測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題（上）1. 測(cè)量的本質(zhì)和基本前提是什么？答：廣義的講，測(cè)量過程一方面是采集和表達(dá)被測(cè)物理量，另一方面是與標(biāo)準(zhǔn)做比較。測(cè)量的兩個(gè)基本前提是：（1）被測(cè)的量必須有明確的定義；（2）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)必須通過協(xié)議事先確定。2. 測(cè)試系統(tǒng)的組成原理。答：測(cè)試系統(tǒng)一般由三部分組成：信號(hào)的傳感部分、信號(hào)的調(diào)理部分、信號(hào)的顯示與記錄部分。信號(hào)的傳感部分一般是指?jìng)鞲衅鳎伤鼇砀惺鼙粶y(cè)物理量的變化，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。信號(hào)的調(diào)理部分一般由放大器

2、、濾波器或其他電路元件組成，由它把傳感器得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于顯示或記錄的新信號(hào)。信號(hào)的顯示與記錄部分一般指各種顯示儀表或計(jì)算機(jī)，由它把調(diào)理好的信號(hào)顯示或記錄下來，這樣測(cè)試者便知道了具體輸出的值。3. 平穩(wěn)隨機(jī)過程和各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程的數(shù)字特征是什么?答：隨即過程的主要特征參數(shù)：（1）均值、均方值和方差對(duì)于一個(gè)各態(tài)歷經(jīng)過程，其均方值定義為：式中：變量x的數(shù)學(xué)期望值；樣本函數(shù)；T觀測(cè)的時(shí)間；均值信號(hào)的常值分量。隨機(jī)信號(hào)的均方值定義為：其中表示的數(shù)學(xué)期望值。均方值描述信號(hào)的能量或強(qiáng)度，它是平方的均值。隨機(jī)信號(hào)的方差定義為：方差表示隨機(jī)信號(hào)的波動(dòng)分量，它是信號(hào)偏離其均值的平方的均值。方差的平方根稱為標(biāo)

3、準(zhǔn)偏差。上述三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系為：另外，均方值的平方根稱為均方根值。當(dāng)=0時(shí)，=實(shí)際工程中的估算公式：（2）概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)概率密度函數(shù)定義為：若隨機(jī)變量x的概率密度函數(shù)具有如下的經(jīng)典高斯形式：，則稱該過程為高斯過程或正態(tài)過程。概率分布函數(shù)表示隨機(jī)信號(hào)的瞬時(shí)值低于某一給定值x的概率，即式中：為值小于或等于x的總時(shí)間。概率密度函數(shù)與概率分布函數(shù)間的關(guān)系為：的值落在區(qū)間內(nèi)的概率為：對(duì)于上面提到的正態(tài)過程，隨機(jī)變量x的分布函數(shù)為：4. 證明富氏變換的對(duì)稱性和奇偶虛實(shí)性。答：（1）對(duì)稱性（亦稱對(duì)偶性）若，則有證明：因?yàn)?故有 將上式中的變量t換成，得 由于積分與變量無關(guān)，再將上式中的換為t，

4、于是得 上式表明，事件函數(shù)的傅里葉變換為，得證。（2）奇偶虛實(shí)性？若為時(shí)間t的實(shí)函數(shù)，則有，若為時(shí)間t的虛函數(shù)，則有。證明：設(shè)為時(shí)間的實(shí)函數(shù)，根據(jù)可得： 上式中頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部分別為：（1）得出頻譜函數(shù)的模和相角分別為：（2）由式（1）可見，由于為偶函數(shù)，而為奇函數(shù)，則當(dāng)為實(shí)函數(shù)時(shí)，對(duì)于來說有：，。由（2）式知，。另外，從式（1）還可知，若為時(shí)間t的實(shí)函數(shù)且為偶函數(shù)，即時(shí)，便為t的奇函數(shù)，則有；相反，便為t的偶函數(shù)，則有，由此可見為的實(shí)、偶函數(shù)。同理，若為t的實(shí)函數(shù)且為奇函數(shù)，即，則有，由此可見為的虛、奇函數(shù)。根據(jù)定義，的傅里葉變換可寫為： 令，得由于為的偶函數(shù)，而為的奇函數(shù)，則有式中：為

5、的共軛復(fù)函數(shù)。于是有：，亦稱傅里葉變換的反轉(zhuǎn)性。若為t的虛函數(shù)，則有：5. 傅氏變換的定義及主要性質(zhì)（奇偶虛實(shí)、對(duì)稱性、時(shí)移、頻移、能量積分）？答： 主要性質(zhì)：（1） 奇偶虛實(shí)性： （2） 對(duì)稱性 （3） 時(shí)移性 （4） 頻移性 （5） 能量積分亦稱為巴塞伐爾方程或能量等式。它表示一個(gè)非周期信號(hào)x(t)在時(shí)域中的能量可以由它在頻域中連續(xù)頻譜的能量來表示。6. 常見函數(shù)（正弦、余弦、矩形脈沖）的傅氏變換。7. 周期函數(shù)傅氏變換的特點(diǎn)。答：周期函數(shù)的傅立葉變換必然是離散的。具體來說，a、 對(duì)于一周期連續(xù)信號(hào)，此時(shí)傅立葉變換變?yōu)楦盗⑷~級(jí)數(shù)，因而其頻譜是離散的。式中：b、 對(duì)于一周期離散的時(shí)間序列的傅

6、立葉變換，其頻譜是周期離散的。具體說明見P89。8. 函數(shù)及性質(zhì)。9. 進(jìn)行離散富氏變換（DFT），對(duì)原時(shí)間歷程進(jìn)行了哪三次修改，為什么？10. 敘述采樣定理，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)分析時(shí)，如何選擇采樣時(shí)間？11. 什么是頻率混淆和能量泄漏現(xiàn)象，能否避免？如何避免？12. 自相關(guān)函數(shù)定義及性質(zhì)。13. 自功率譜密度函數(shù)的定義及性質(zhì)。14. 相干函數(shù)的定義、性質(zhì)。15. 采樣時(shí)間與頻率分辨率的關(guān)系，如何兼顧？答：頻域采樣的時(shí)候，由于在頻段（）內(nèi)，有N個(gè)數(shù)據(jù)輸出，所以頻率采樣間隔是（這就是頻率分辨率），T就是采樣的總時(shí)間。實(shí)際上頻域采樣的時(shí)候選定窗的長(zhǎng)度也就選定了頻譜的分辨率。T大則小，但是T大對(duì)采樣系統(tǒng)的

7、存儲(chǔ)、處理等的要求高。應(yīng)當(dāng)按照工程實(shí)際要求選取采樣時(shí)間。（參照采樣定理P97，采樣頻率通常選取為抗混濾波器截至頻率的34倍）【注：如何兼顧采樣時(shí)間和頻率分辨率書上沒有找到理論的定量分析，置疑】16. 頻響函數(shù)及脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義及相互關(guān)系。答：對(duì)于穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)，可設(shè)，亦即原中的a=0,，此時(shí)，相應(yīng)的有稱為測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。測(cè)試裝置在激勵(lì)輸入信號(hào)為單位脈沖函數(shù)時(shí)的輸出將是，其中H(s)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對(duì)Y(s)作拉普拉斯反變換即可得裝置輸出的時(shí)域表達(dá)h(t)稱為裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。頻率響應(yīng)函數(shù)是在頻域里定義的，是傳遞函數(shù)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的特殊形式，不能反映過渡過程。脈沖響應(yīng)函數(shù)是在

8、時(shí)域里定義的，是輸入為單位脈沖時(shí)的輸出函數(shù)的時(shí)域形式。但是兩者是相互對(duì)應(yīng)的。 頻率響應(yīng)函數(shù)是的s算子直接轉(zhuǎn)化為得出的。由于，所以H(s)和Y(s)是相等的。h(t)和y(t)相等，經(jīng)Y(s)反傅里葉變換即可得到。17. 一階系統(tǒng)的輸入、輸出及系統(tǒng)傳遞特性之間的關(guān)系。答：一個(gè)線性系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系一般用微分方程來描述：其中：系統(tǒng)的輸入；系統(tǒng)的輸出；上式中若除了、和之外令其他所有的和均為零，則得到等式任何測(cè)試系統(tǒng)若遵循上式的數(shù)學(xué)關(guān)系則被定義為一階測(cè)試系統(tǒng)或一階慣性系統(tǒng)。將它兩邊都除以得令為系統(tǒng)靜態(tài)靈敏度；為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行Laplace變換，則有故系統(tǒng)的傳遞函數(shù)18. 測(cè)量誤差的類型。答：

9、任何測(cè)試均有誤差，誤差E是指示值與準(zhǔn)確值的差。按誤差的性質(zhì)可將測(cè)量誤差分成隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差以及過失或非法誤差。1）系統(tǒng)誤差：每次測(cè)量同一量時(shí)，呈現(xiàn)出相同的或確定性方式的那些測(cè)量誤差稱為系統(tǒng)誤差，它常常由標(biāo)定誤差、持久發(fā)生的人為誤差、不良儀器造成的誤差、負(fù)載產(chǎn)生的誤差、系統(tǒng)分辨率局限產(chǎn)生的誤差等因素所產(chǎn)生。2）隨機(jī)誤差：每次測(cè)量同一量時(shí)，其數(shù)值均不一致、但卻具有零均值的那些測(cè)量誤差稱為隨機(jī)誤差。它產(chǎn)生的原因有：測(cè)量人員的隨機(jī)因素、設(shè)備受到干擾、試驗(yàn)條件的波動(dòng)、測(cè)量?jī)x器靈敏度不夠等。3）過失誤差或非法誤差：意想不到而存在的誤差。如實(shí)驗(yàn)中因過失或錯(cuò)位引起的誤差、實(shí)驗(yàn)之后的計(jì)算誤差。當(dāng)獲得足夠多的測(cè)

10、量值讀數(shù)時(shí)，隨機(jī)誤差可以通過統(tǒng)計(jì)分析來估計(jì)該誤差的或然率大小。系統(tǒng)誤差可采用將儀器同一更精確的標(biāo)準(zhǔn)加以比較，從人們對(duì)該儀器標(biāo)定的知識(shí)以及人們使用該特殊類型儀器的經(jīng)驗(yàn)中來加以估計(jì)。根據(jù)測(cè)量的類型也可將誤差分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。1）靜態(tài)誤差：這種誤差一般僅取決于測(cè)量值的大小，其本身不是時(shí)間的函數(shù)，稱為靜態(tài)誤差。2）動(dòng)態(tài)誤差：在測(cè)量時(shí)變物理量時(shí)，要用微分方程來描述輸入輸出關(guān)系，此時(shí)產(chǎn)生的誤差不僅取決于測(cè)量值的大小，還取決于測(cè)量時(shí)的時(shí)間過程，稱為動(dòng)態(tài)誤差。19. 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的條件答：理想化條件：，即系統(tǒng)的放大倍數(shù)為常數(shù)，這是理想化的條件；由于實(shí)際系統(tǒng)都有時(shí)間上的滯后，因此上述條件應(yīng)被修改為

11、：，上式的傅里葉變換表達(dá)式為，所以系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為：，幅頻和相頻特性分別為： 如果一個(gè)系統(tǒng)滿足上面的傳遞特性，即它的幅頻特性為一常數(shù)，相頻特性與頻率呈線性關(guān)系，那么稱該系統(tǒng)是一個(gè)精確的或不失真的測(cè)試系統(tǒng)。換種說法，就是精確測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性應(yīng)該是一條平行于頻率軸的直線，相頻應(yīng)是發(fā)自坐標(biāo)系原點(diǎn)的一條具有一定斜率的直 線，但實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)具有一定的頻率范圍，只要再輸入信號(hào)的頻率范圍內(nèi)滿足上面的兩條即可。（見課本上P151圖3.33）需要說明的是，上面的條件由于輸出比輸入滯后，對(duì)于對(duì)時(shí)間的延遲要求不高或是沒有要求的工程應(yīng)用是滿足的，但是嚴(yán)格要求輸入輸出之間沒有滯后，則對(duì)相角的要求應(yīng)改為20. 測(cè)試

12、系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性包括哪些方面答：靜態(tài)特性： 重復(fù)性：亦稱精度。表示由同一個(gè)觀察者采用同樣的方法，條件以及儀器對(duì)同一被測(cè)量所作的一組測(cè)量之間的接近程度。它表征測(cè)量一起隨機(jī)誤差接近零的程度。 漂移儀器的輸入未產(chǎn)生變化時(shí)其輸出所發(fā)生的變化。 誤差系統(tǒng)誤差：每次測(cè)量同一量時(shí)，呈現(xiàn)出相同的或確定性方式的那些測(cè)量誤差。隨機(jī)誤差：每次測(cè)量同一量時(shí)，其數(shù)值均不一致，但卻具有零均值的那些測(cè)量誤差成為隨機(jī)誤差。過失誤差：意想不到而存在的誤差。 精確度測(cè)量?jī)x器的指示值和被測(cè)量真值的符合程度。 靈敏度單位被測(cè)量引起的儀器輸出值的變化。 分辨率接近滿量程附近引起輸出變化的最小輸入變化量。 線性度實(shí)際輸入輸出關(guān)系

13、曲線和擬定直線的偏差，通常用最大偏差與量程的百分比表示。 遲滯，回差以及彈性后效遲滯回差：同一輸入值在增長(zhǎng)過程中和減少過程中，對(duì)于同一輸入，輸出的差值。彈性后效：輸入增長(zhǎng)后，減少至初始值，但是對(duì)應(yīng)輸出并不能回到初始值。 零點(diǎn)穩(wěn)定性被測(cè)量回到零值且其他變化因素被排除后，儀器回到零指示值的能力。動(dòng)態(tài)特性：傳遞函數(shù)：定義見書P124頻率響應(yīng)函數(shù)：定義見書P126用傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)均可表達(dá)系統(tǒng)的傳遞特性，但含義不同。在推導(dǎo)傳遞函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的初始條件設(shè)為0，所以傳遞函數(shù)能反映包括過渡過程的全過程，而頻率響應(yīng)函數(shù)只能反映系統(tǒng)對(duì)簡(jiǎn)諧輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)輸入的輸出。 測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題（下）1傳感器的基本概念

14、（定義、構(gòu)成） 傳感器是指將一個(gè)被測(cè)物理量按照一定的物理規(guī)律轉(zhuǎn)換為另一個(gè)物理量的裝置，它是敏感元件及其相關(guān)的輔助元件和電路組成的整個(gè)裝置，其中敏感元件是傳感器的核心部件。傳感器一般有三個(gè)部分組成：敏感元件：感受被測(cè)物理量的變化；傳感元件：傳遞被測(cè)物理量的變化；轉(zhuǎn)換元件：將非電物理量轉(zhuǎn)換為電量。2評(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)（量程、過載能力、重復(fù)性、靈敏度、線性度、分辨率、穩(wěn)定性、零點(diǎn)漂移、遲滯等）量程：傳感器輸入的被測(cè)量范圍。一般用傳感器允許測(cè)量的上、下限值來表示。上限值又稱為滿量程值（F.S）。過載能力：傳感器允許承受的最大輸入量。在這個(gè)輸入量的作用下傳感器的各項(xiàng)性能 指標(biāo)應(yīng)保證不超出其規(guī)定

15、的公差范圍。通常用滿量程的百分比來表示。重復(fù)性：傳感器在同一工作條件下，重復(fù)地給與相同的輸入值時(shí)，所得到的一組輸出值之間的一致程度。衡量重復(fù)性的指標(biāo)，一般用極限誤差來表示。線性度：傳感器實(shí)際的輸入輸出關(guān)系曲線與選定的擬和直線之間的偏差。其在滿量程中的最大偏差與滿量程的百分比用來表示線性度。分辨率：傳感器在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi),可能檢測(cè)到的被測(cè)信號(hào)的最小增量。一般用輸入達(dá)到滿量程附近時(shí)能檢測(cè)到的最小輸入增量來表示，或者用這個(gè)增量與滿量程的百分比來表示。閥值：在傳感器最小量程附近的分辨率稱為閥值。 穩(wěn)定性：傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。一般以室溫條件下經(jīng)過一個(gè)規(guī)定的時(shí)間后，傳感器輸出值與

16、起始輸出的基準(zhǔn)值的差異程度來表示其穩(wěn)定性。表示方法如：_個(gè)月不超過_%滿量程輸出。零點(diǎn)漂移：傳感器輸入在零狀態(tài)時(shí),由各種干擾因素引起的輸出值的變化。一般分為時(shí)間漂移和溫度漂移。 遲滯（回差）：傳感器在輸入值增長(zhǎng)過程（正行程）中和減少過程中，對(duì)同一輸入量輸出的差值。3 傳感器的頻率特性（含義、幅頻、相頻、表示方法）答： 不同頻率的正弦信號(hào)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出與輸入間的幅值比、相角與角頻率之間的關(guān)系成為頻率特性，他表示傳感器在不同頻率下傳遞不同正弦信號(hào)的能力。記為G（j）。 其中：A()=|G(j)|,表示正弦輸出對(duì)正弦輸入的幅值比，它隨而變化，A()稱為幅頻特性。其中：ImG(j)表示G(j)

17、的虛部，RmG(j)表示G(j)的實(shí)部，上式表示正弦輸出對(duì)正弦輸入的相移，()稱為相頻特性。4 電阻式傳感器的基本原理（）及主要類型、特點(diǎn)工作原理電阻式傳感器被測(cè)量 電 阻 一個(gè)導(dǎo)體的電阻值按如下公式進(jìn)行變化： 式中：R-電阻，；-材料電阻率，mm/m; l-導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m; A-導(dǎo)體的截面積，mm;從上式可見，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)中一個(gè)或幾個(gè)發(fā)生變化，則電阻值跟著變化，因此可利用此原理制成傳感器。 主要類型、特點(diǎn)··滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器是通過滑動(dòng)觸點(diǎn)改變電阻絲的長(zhǎng)度來改變電阻值的大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。分為線位移與角位移型兩種。 變阻式傳感

18、器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。常被用于線位移和角位移的測(cè)量，如發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置的測(cè)量等。··應(yīng)變式傳感器·電阻應(yīng)變式傳感器當(dāng)金屬電阻絲受拉或受壓時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度、橫斷面積和電阻率會(huì)發(fā)生變化，引起電阻值的變化。·半導(dǎo)體應(yīng)變片單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受外力時(shí)，其電阻率隨之發(fā)生變化。這種效應(yīng)被稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬。由于半導(dǎo)體材料的原因，其缺點(diǎn)是溫度漂移、非線性大以及制造困難等。 5、滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器的負(fù)載效應(yīng) （公式推導(dǎo)、誤差分析、減少誤差的途徑）一、 定義滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器是通過滑動(dòng)觸點(diǎn)改變電阻絲的長(zhǎng)度來改變電阻值

19、的大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。分為線位移與角位移型兩種。 二、 公式推導(dǎo)在直線位移傳感器中，觸點(diǎn)C沿變阻器表面在長(zhǎng)度方向移動(dòng)的距離x與A、C兩點(diǎn)間的電阻值R之間有如下關(guān)系： (4.2)式中：kt為單位長(zhǎng)度中的電阻。當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)為一常數(shù)，此時(shí)傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）間為線性關(guān)系，傳感器的靈敏度相應(yīng)地為： (4.3)在角位移傳感器中，其電阻值隨角度變化,傳感器的靈敏度為: (4.4)式中:-觸點(diǎn)轉(zhuǎn)角;kr-單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值。當(dāng)變阻器器后接一負(fù)載電阻電路時(shí)，會(huì)從傳感器抽取電流，形成負(fù)載效應(yīng)（如圖4.4.2）所示，開路時(shí)： （4.5）當(dāng)接有負(fù)載電阻R1時(shí)， （4.

20、6）公式推導(dǎo)如下: 開路電壓: 等效輸出電阻： 輸出電流： 輸出電壓： 三、 誤差分析開路情況下，Rt/RL=0時(shí)， ，輸入-輸出為一直線，電位計(jì)的靈敏度S=es/xt。有負(fù)載情況下，eo和xi之間存在非線性關(guān)系，當(dāng)Rt/Rl=1時(shí)，最大誤差為滿量程的12%。當(dāng)Rt/Rl=0.1時(shí)，誤差降為1.5%。四、 特點(diǎn)以及減少誤差的途徑 變阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。常被用于線位移和角位移的測(cè)量，如發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置的測(cè)量等。 應(yīng)用中要注意的問題： 為了取得好的線性度：Rt/Rl應(yīng)盡量小，Rl ，Rt (但因流過Rt電流受熱耗散能量限制不能無限減小)。 變阻器的非線性補(bǔ)償：可以采用觸點(diǎn)

21、距離與電阻值成非線性關(guān)系的變阻器。 變阻器的分R辨率：線位移最好的為40m,角位移最好為0.1°。采用碳膜等材料可以提高分辨率。 6 電阻應(yīng)變片在溫度的影響主要體現(xiàn)在哪些方面，補(bǔ)償方法有哪些答：（一） 溫度是影響應(yīng)變片精度的主要問題。一是溫度引起應(yīng)變片電阻值的變化，二是應(yīng)變片與襯底材料的熱膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片在不受力而溫度變化時(shí)，也會(huì)誘發(fā)應(yīng)變和阻值變化。具體分析如下： 1、溫度變化引起應(yīng)變片本身阻值變化： 式中:RT-溫度引起的電阻變化值 ; T-溫度變化度數(shù) ;rf-金屬應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)，即單位溫度引起的電阻變化。由該電阻值的變化折算成應(yīng)變值為： 2、絲與襯底材料線膨脹不同引

22、起的附加應(yīng)變： 金屬絲的應(yīng)變： 襯底材料引起的應(yīng)變： 式中：g-絲線膨脹系數(shù) ;s-襯底線膨脹系數(shù)。 當(dāng)gs時(shí)，g和s不等，從而造成應(yīng)變誤差：這兩個(gè)因素造成的總附加應(yīng)變?yōu)椋?（二） 對(duì)溫度效應(yīng)可以進(jìn)行補(bǔ)償。一是電路補(bǔ)償，圖4.9所示，用一片補(bǔ)償應(yīng)變片，與工作片參數(shù)完全相同，布置在電橋相鄰兩臂，感受同樣的溫度變化，使溫度的影響抵消；二是采用特殊材料制造應(yīng)變片，使線膨脹系數(shù)和電阻變化造成的影響差不多相互抵消，達(dá)到補(bǔ)償目的。 7 電感式傳感器的基本原理、主要類型及應(yīng)用（可變磁阻、電渦流、互感）電感式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電磁線圈的自感或互感量變化的一種裝置。Ø 按其

23、不同的轉(zhuǎn)換方式分為：自感式和互感式；Ø 按其不同的結(jié)構(gòu)方式分為：變氣隙式、變截面式和螺管式。 ··自感式·可變磁阻式適用于測(cè)量小位移，測(cè)量范圍為0.001mm1mm。應(yīng)用場(chǎng)合： 透平軸與殼體的軸向伸長(zhǎng)； 磁性材料上非磁性材料的厚度； 管道中閥的位置； 測(cè)量微小位移。·電渦流傳感器 測(cè)量范圍：距離0mm30mm; 線性誤差：1%3%； 最大分辨率：0.05m具體應(yīng)用:a、測(cè)量軸振擺b、測(cè)量軸回轉(zhuǎn)c、測(cè)量轉(zhuǎn)速d、測(cè)量材料厚度e、物件計(jì)數(shù)f、表面探傷g、測(cè)位移h、測(cè)溫度。··互感式互感式傳感器（差動(dòng)變壓器式電感傳感器）的基本工作原

24、理是電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。 特點(diǎn): 測(cè)量精度高（可達(dá)0.1m量級(jí)）； 線性量程大，可達(dá)±100mm； 穩(wěn)定性好，使用方便。應(yīng)用：圖4.358 說明渦流測(cè)振儀分壓調(diào)幅電路的工作原理（）渦流測(cè)振儀分壓調(diào)幅電路如圖所示：然后是這一電路的等效電路以及諧振曲線和輸出特性，如下：由電路可得輸出電壓：（其中，z為L(zhǎng)C構(gòu)成的諧振回路等效阻抗，其大小為）在這個(gè)式子中，輸入電壓和分壓電阻R為定值，所以輸出電壓e是諧振回路等效阻抗Z的函數(shù)特別的，當(dāng)R>>Z時(shí)，有。再來看Z，輸入信號(hào)的圓頻率和電容C為定值，但是電感卻實(shí)的函數(shù)，所以，當(dāng)變化時(shí)，變化，從而Z變化，從而e變化，這便是渦流測(cè)振儀分壓調(diào)幅

25、電路的工作原理。我們可以結(jié)合上面的諧振曲線和輸出特性來定量地看一下，增大后，對(duì)應(yīng)的減小，由諧振頻率計(jì)算公式可知，諧振頻率增大，若是如上圖中所示，諧振頻率的增大是單調(diào)地遠(yuǎn)離輸入頻率，則輸出電壓隨之減小。9 畫出差動(dòng)式位移傳感器的工作原理圖，并說明其工作過程差動(dòng)式位移傳感器實(shí)質(zhì)上是變壓器，由于次級(jí)采用兩個(gè)線圈接成差動(dòng)式，因此叫做差動(dòng)式位移傳感器。工作原理：初級(jí)線圈接入穩(wěn)定的交流激勵(lì)電源，次級(jí)線圈感應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，當(dāng)被測(cè)參數(shù)使得互感M發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓也隨之變化。工作原理圖：見書上P191工作過程：當(dāng)鐵芯位于零位時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)出的電壓是一樣的，因此輸出為零；當(dāng)鐵芯朝任一方向移動(dòng)時(shí)，次級(jí)線圈

26、中的一個(gè)具有較大的互感，而另一個(gè)具有較小的互感，這樣在零位兩側(cè)的一定范圍內(nèi)，輸出電壓與鐵芯位置便是一種線性關(guān)系。比如當(dāng)鐵芯位于零位上方時(shí)，上方的次級(jí)線圈互感增加，下方的次級(jí)線圈互感減少，兩者產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不一樣，于是有了輸出。當(dāng)鐵芯位于零位下方時(shí)，正好與上方相反，下方的次級(jí)線圈互感增加，上方的次級(jí)線圈互感減少，因而輸出電壓也與上方時(shí)反相。根據(jù)輸出電壓的大小以及相位，即可知道鐵芯的位置。需要注意的是：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出eo與激勵(lì)輸入ex一般并不同相，但這一點(diǎn)隨激勵(lì)電壓頻率而改變，對(duì)于一個(gè)特定的差動(dòng)式傳感器來說，總存在一個(gè)相位為零的特定頻率，零位移的激勵(lì)電源頻率由廠方給出。差動(dòng)式位移傳感器特點(diǎn)：測(cè)量精

27、度高（可達(dá)0.1m級(jí)），線性量程大（可達(dá)±100mm），穩(wěn)定性好，使用方便，廣泛用于線性位移的測(cè)量，也可用于轉(zhuǎn)動(dòng)位移的測(cè)量。通過彈性元件把壓力、重量轉(zhuǎn)化為位移之后，此傳感器也可用于測(cè)量壓力、重量的其他物理量。需要了解此傳感器電路公式推導(dǎo)的同學(xué)請(qǐng)參看書P193。10 電容式傳感器的基本原理、類型及各自特點(diǎn)答：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。其工作原理可通過下圖所示的平板電容器來加以解釋。平板式電容的電容可表示為：式中：A極板面積，m2；0真空介電常數(shù)，0=8.85×10-12F/m；極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，=1；兩極

28、板距離，m。由上式可知，改變A, 或的任何一個(gè)參數(shù)都能引起電容值的變化，據(jù)此可做成不同的傳感器，通?？煞譃槊娣e變化型、介質(zhì)變化型和間隙變化型三種。間隙變化型特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是非接觸式測(cè)量，因而對(duì)被測(cè)量影響小，靈敏度高；測(cè)量范圍：01mm；非線性誤差：1%3%；測(cè)量的頻率范圍：0Hz105Hz； 缺點(diǎn)是非線性誤差大，因此限制了它的測(cè)量范圍，且內(nèi)阻很大，雜散電容影響大，布線要求高。面積變化型特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：S=Cont,滿足線性關(guān)系；測(cè)量范圍大，線位移n厘米，角位移180°；測(cè)量頻率范圍：0Hz104Hz；可以接差動(dòng)式。缺點(diǎn)：橫向靈敏度大；機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸要求精確；測(cè)量精度比變隙式低。介質(zhì)變化型特點(diǎn)：

29、（按照課本和課件的看法特點(diǎn)是優(yōu)缺點(diǎn)，但書本和課本只談?wù)摰綉?yīng)用，沒有提及優(yōu)缺點(diǎn)，暫略）11 以石英晶體為例，說明壓電材料的壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)材料在承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化作用，在材料兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)原來狀態(tài)；反之，當(dāng)材料承受電場(chǎng)作用時(shí)，幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。下面以石英晶體為例，說明壓電效應(yīng)。石英晶體是各向異性體，即在各個(gè)方向是異性的。石英晶體是一個(gè)六棱柱，兩端是六棱錐。在結(jié)晶學(xué)中可以把它用三根互相垂直的軸來表示： zz軸：過正六棱體棱錐，稱為光軸； xx軸：經(jīng)過棱線垂直zz軸，稱為電軸； yy軸：與xx軸、zz軸垂直，稱為機(jī)軸。通常把沿x

30、x方向加力，產(chǎn)生電荷的效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，而把沿機(jī)械軸yy方向加力產(chǎn)生的電荷效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。沿光軸zz加力，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。從晶體上沿yy方向切下一個(gè)平行六面體切片，使其晶面分別平行于晶體的三根晶軸。切片在受到沿不同方向的作用力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的極化現(xiàn)象。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理解釋Ø 在每個(gè)晶體單元中，它具有3個(gè)硅原子，6個(gè)氧原子，而氧原子是成對(duì)出現(xiàn)靠在一起的。每個(gè)硅原子帶4個(gè)單位正電荷，每個(gè)氧原子帶2個(gè)單位負(fù)電荷。Ø 在單元晶體中，硅、氧原子排成六邊形，所產(chǎn)生的極化效應(yīng)正好互相抵消。Ø 當(dāng)有外力作用，使這種平衡受到破壞時(shí)，晶體單元被極化，產(chǎn)生壓電效

31、應(yīng)。Ø 沿x軸加壓力Fx，上表面硅原子被擠入，表面帶負(fù)電荷，下表面氧原子被擠入，帶正電荷。加拉力時(shí)，表面產(chǎn)生的電荷符號(hào)相反。這是縱向壓力效應(yīng)。Ø 沿y軸加壓力，在垂直于y軸平面上，硅原子、氧原子均發(fā)生方向相反位移，因此，不產(chǎn)生電荷。而在垂直x軸平面上，硅原子、氧原子分別被擠出，因此，兩表面出現(xiàn)符號(hào)相反的電荷。受拉力時(shí)，兩表面產(chǎn)生的符號(hào)與受壓力時(shí)相反。 這橫向壓電效應(yīng)。Ø 由于原子排列沿ZZ軸是對(duì)稱的，因此，沿ZZ軸加力時(shí)，原子間的相對(duì)位置變化是相同的。因此，在任何表面均不產(chǎn)生電荷。 12電壓放大器、電荷放大器的工作原理及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。（葛強(qiáng)強(qiáng)）答：電壓放大器工作原

32、理 等效電路如圖:把放大器輸入端的電容、電阻等效為一個(gè)總的電容C、電阻R，考慮到負(fù)載影響時(shí)，根據(jù)電荷平衡建立方程：。式中：q壓電元件所產(chǎn)生的電荷量；C輸入端等效總電容量，C=Ci+Ca+Cc；其中Ca 為壓電傳感器等效電容，Cc 為電纜形成的雜散電容，Ci 為放電器輸入電容。ei電容上建立的電壓；i泄漏電流。而。式中：R輸入端等效電阻，R=Ri/Ra。當(dāng)測(cè)量時(shí)外力一交變力時(shí)，有：，為分析簡(jiǎn)單，將L歸一化，得（）電荷q有兩個(gè)通路：在R上泄漏形成電壓降，在C上儲(chǔ)有電荷，即：或微分方程的穩(wěn)態(tài)解為：。其中：電容上的電壓值：。設(shè)放大器為一線性放大器，則放大器輸出優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。缺點(diǎn)：當(dāng)0=0，e

33、m=0,所以電壓放大器不能測(cè)量直流。當(dāng)0RC<<1時(shí)，em=R0q0，em隨0變化，測(cè)量誤差大。只有當(dāng)0RC>>1時(shí)，em=q0/C，em才與0無關(guān)。在em=q0/C中，C=Ci+Ca+Cc，因此電纜分布電容，放大器輸入電容不穩(wěn)定時(shí)，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有影響，實(shí)際工作中，應(yīng)盡量減少Ci、Cc（采用短電纜或驅(qū)動(dòng)電纜）。電荷放大器工作原理 等效電路如圖:當(dāng)忽略漏電阻Ra和放大器輸入電阻Ri的影響（Ri、Ra足夠大）式中：ei放大器輸入電壓；e0放大器輸出電壓；Cf放大器反饋電容。根據(jù)當(dāng)K足夠大時(shí)：有，則簡(jiǎn)化為優(yōu)點(diǎn)：從上式可知，在一定條件下（Ra、Ri，即傳感器漏電阻，放大器輸入電

34、阻足夠大;K足夠大;C= C=Ci+Ca+Cc足夠小），電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比，與電纜引線所形成的分布電容無關(guān)。消除了電纜長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量精度的影響。缺點(diǎn)：電路構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)高。需滿足特定條件。13 磁電式傳感器的工作原理、類型及其應(yīng)用（張濤）（參見課件4.10）答：磁電式傳感器是一種利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為線圈感應(yīng)電勢(shì)的傳感器。磁電式傳感器分為三類：動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式、磁阻式動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式傳感器：圖中(a)為線位移式，當(dāng)彈簧片2敏感一速度時(shí)，線圈4在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)：式中：B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；l線圈的有效長(zhǎng)度，m；W有效線圈匝數(shù)，在均勻磁場(chǎng)中參與

35、切割磁力線的線圈匝數(shù)；vy敏感軸（y軸）方向線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向夾角。當(dāng)=90°時(shí)有：，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（B，l，W）確定后，。由于這種傳感器直接測(cè)量線圈速度，又稱速度傳感器。vy微分或積分，可以得到加速度和位移。圖4.75(b)為角速度型動(dòng)圈式傳感器的結(jié)構(gòu)。線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：式中：線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；A單匝線圈的截面積，m2；k依賴于結(jié)構(gòu)的參數(shù)，k<1。由上式可知，當(dāng)W、B、A確定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度正比。將傳感器線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e經(jīng)電纜與電壓放大器相連接，感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)放大，檢波后即可推動(dòng)知識(shí)儀

36、表。磁電式速度傳感器有兩種絕對(duì)式速度傳感器、相對(duì)式速度傳感器。磁阻式傳感器傳感器的線圈與磁鐵固定不動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)物體（導(dǎo)磁材料）運(yùn)動(dòng)來影響磁路磁阻，從而引起磁場(chǎng)的變化，使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。14.光電傳感器的類型、原理、特點(diǎn)（總結(jié)表）（黃毅）答：原理器件特點(diǎn)外光電效應(yīng)電子吸收光子能量，克服逸出功逸出物體表面，在外電場(chǎng)作用下形成電流光電管頻譜靈敏度：陽極電壓恒定，光強(qiáng)恒定條件下，入射光波長(zhǎng)與光電流I的關(guān)系。光電特性：陽極電壓恒定，入射光頻率成份恒定，光電流I與光通量之間關(guān)系。 氧銫陰極 頻譜靈敏度范圍：310×103閾波長(zhǎng)：近似3×103逸出功：0.74eV銻銫陰極頻譜靈敏度范圍

37、：1.27×103閾波長(zhǎng)：近似1.2×103A°逸出功：1.34eV伏安特性：入射光頻率、光強(qiáng)恒定條件下，光電流I與Ua的關(guān)系。當(dāng)Ua增加時(shí)，I趨于飽和，光電管一般工作在飽和區(qū)。光電倍增管設(shè)光電倍增管陽極電流I，陰極電流I0，則有：電流I流經(jīng)負(fù)載RL形成電壓降，給出輸出電壓。 一般陰極與陽極電壓1000V2000V；相鄰兩倍增極電壓差50V100V；電壓越穩(wěn)定越好，以減小波動(dòng)引起的誤差。靈敏度高，所以適合在微弱光下使用，但不能接受強(qiáng)光刺激，否則易于損壞。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)（續(xù)）半導(dǎo)體材料，電子吸收光子能量，發(fā)生能級(jí)躍遷，激發(fā)電子-空穴對(duì)改變材料電阻率光敏電阻靈敏

38、度高；光譜響應(yīng)范圍寬，從紫外一直到紅外；體積??；性能穩(wěn)定。光敏晶體管光敏二極管光照特性：光敏晶體管的光電流與入射光的照度之間關(guān)系曲線。光敏二極管照射特性的線性好于光敏三極管。光敏三極管在小照度，光電流增加較小在不同照度下，其伏安特性跟一般晶體管在不同基極電流時(shí)的輸出特性一樣伏安特性：光敏三極管的光電流比相同管型的二極管的光電流大數(shù)百倍。光敏二極管在零偏壓時(shí)仍有光電流輸出，這是由于光敏二極管的光生伏打效應(yīng)。光敏三極管光譜特性：當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度均下降，這是由于光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)波長(zhǎng)減少時(shí)，靈敏度也會(huì)下降，光在半導(dǎo)體 表面附近激發(fā)的電子空穴對(duì)不能達(dá)到PN結(jié)。硅管的峰

39、值波長(zhǎng)0.9m左右。鍺管的峰值波長(zhǎng)1.5m左右。鍺光的暗電流比硅管大。在可見光范圍內(nèi)同硅比較合適，在紅外光范圍內(nèi)用鍺管合適。溫度特性：暗電流受溫度影響較大。輸出流受溫度影響較小。使用中對(duì)溫度影響要采取補(bǔ)償措施。響應(yīng)時(shí)間：光敏管的輸出與光照之間有一定的響應(yīng)時(shí)間，一般鍺管時(shí)間常數(shù)為左右，硅管為左右。光生伏打效應(yīng)半導(dǎo)體材料，電子吸收光子能量，形成電子-空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)作用下，形成電勢(shì)光電池 硅光電池：光譜范圍0.45-1.1m，在800左右有一峰值。靈敏度為：。響應(yīng)時(shí)間為幾微秒至幾十微秒。硒光電池：光譜范圍0.34-0.57m，比硅光電池窄得多，在5000左右有一峰值。15 光敏電阻的主要性能指標(biāo)及

40、其意義（周國(guó)強(qiáng)）答： 暗電阻、亮電阻、光電流 暗電阻：光敏電阻未受光照條件下，呈現(xiàn)的阻值，稱為“暗電阻”，此時(shí)流過電流稱為暗電流。 亮電阻：光敏電阻受到光照條件下，呈現(xiàn)的阻值，稱為“亮電阻”，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之間差稱為光電流。意義：光電流的大小表征了光敏電阻的靈敏度大小。 光照特性：光敏電阻的光電流I與光通量F的關(guān)系曲線稱為光敏電阻的光照特性。 伏安特性：在一定光照的條件下，光敏電阻兩端所施加的電壓與光電流的關(guān)系曲線稱為伏安特性。 曲線1：照度為零的伏安特性；曲線2：照度為某一值時(shí)伏安特性。 光譜特性 光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，如圖4.88，三

41、種材料的光譜特性。不同材料的光譜范圍不同；同一種材料在不同波段有不同靈敏度；光敏電阻的光譜分布與材料性質(zhì)、制造工藝有關(guān)。 頻率特性光敏電阻的光電流對(duì)光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)時(shí)間，或光電流跟隨光強(qiáng)變化的能力，稱為頻率特性。一般用時(shí)間常數(shù)來描述。 光譜溫度特性 同一種材料的光敏電阻，在不同的溫度下，光譜特性不同。國(guó)16 霍爾元件的工作原理、霍爾電勢(shì)公式中每個(gè)參數(shù)的物理意義（葉明輝）答：霍爾元件的工作原理為霍爾效應(yīng)。如下圖所示，將霍爾元件（霍爾板）置于一磁場(chǎng)中，板厚d一般遠(yuǎn)小于板寬b和板長(zhǎng)，在板長(zhǎng)方向通以控制電流I時(shí)，板的側(cè)向（寬度方向）會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，稱為霍爾電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由

42、于磁場(chǎng)中洛倫茲力Fm作用的結(jié)果。當(dāng)霍爾板為N型半導(dǎo)體材料時(shí)，在磁場(chǎng)作用下通以電流I時(shí)，半導(dǎo)體材料中的載流子（電子）將沿著與電流相反的方向運(yùn)動(dòng)，帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場(chǎng)中沿和磁力線垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，都要受到磁場(chǎng)力亦即洛倫茲力Fm的作用：；在洛倫茲力的作用下，電子向板的一方偏轉(zhuǎn)，使板的一側(cè)積聚大量電子，面板的另一側(cè)相應(yīng)的缺少電子而積累正電荷，于是便形成一個(gè)電場(chǎng)E,該電場(chǎng)E又在電子上作用一個(gè)反作用力Fe:；當(dāng)作用力Fe與洛倫茲力Fm相等時(shí)，電子的累積達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，由此則在一寬度為b的霍爾板上產(chǎn)生一電位差U?；魻栯妱?shì)公式中每個(gè)參數(shù)的物理意義：為霍爾電壓；為霍爾傳感器材料中帶電粒子（載流子）的電荷（一般為電子的

43、電荷）；為材料的載流子濃度；為板厚；為流經(jīng)板的控制電流（激勵(lì)電流）；為磁感應(yīng)強(qiáng)度。17試述霍爾乘法器的工作原理。（洪木南）答：由于霍爾電勢(shì)U正比于控制電流I和磁通密度B。如果采用一個(gè)流經(jīng)有的電磁鐵來產(chǎn)生磁通密度B，那么霍爾電勢(shì)U將隨著電流I和乘積的增加而增大。根據(jù)這一原理可得到能對(duì)電流進(jìn)行乘法運(yùn)算的部件。若控制電流I正比于一個(gè)用電器上的電壓，且當(dāng)流經(jīng)用電器的電流等于產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流，亦即時(shí)，由此產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)U便正比于轉(zhuǎn)換成用電器中的功率，即。18 試述N型（或P型）半導(dǎo)體氣敏器件的工作原理（鄧博）（書245頁(yè)）答：當(dāng)氣敏元件表面吸附有被測(cè)氣體時(shí)，其電導(dǎo)率發(fā)生了變化。簡(jiǎn)單地說，是一種氣-電轉(zhuǎn)換元

44、件，其導(dǎo)電機(jī)理為：當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件表面吸附氣體分子時(shí)，由于二者互相接受電子的能力不同，產(chǎn)生了正離子或負(fù)離子吸附，引起表面能帶發(fā)生彎曲，導(dǎo)致了電導(dǎo)率的變化。半導(dǎo)體氣敏元件分為N型和P型兩種。以N型半導(dǎo)體氣敏元件為例（圖見書245頁(yè)）被吸附的氣體原子為C，當(dāng)其電子親和力大于半導(dǎo)體功函數(shù)時(shí)，亦即此時(shí)氣體分子的能級(jí)低于N型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)，從而在吸附后使吸附氣體原子從N型半導(dǎo)體內(nèi)獲得電子成為負(fù)離子。由于電子從半導(dǎo)體內(nèi)朝吸附氣體方向移動(dòng)，吸附表面的靜電場(chǎng)增加，使能帶向上彎曲，形成表面空間電荷層，該電荷層的形成阻止了電子繼續(xù)向吸附表面的移動(dòng)。隨著離子的不斷增加，電子向吸附表面的移動(dòng)也越來越困難。最后吸附表面

45、與半導(dǎo)體內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)間達(dá)到一種新的平衡，吸附便停止。設(shè)碳原子的電子親和力為A，半導(dǎo)體吸附前的功函數(shù)為，C原子與半導(dǎo)體間的相互作用力為，則吸附開始時(shí)的親和力為；吸附后，由于能帶彎曲形成表面空間勢(shì)壘，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)有。由于N型半導(dǎo)體的負(fù)離子吸附，使功函數(shù)增大，表面的電子濃度降低，從而使電導(dǎo)率降低。P型半導(dǎo)體正好與之相反，當(dāng)P型半導(dǎo)體的正離子吸附時(shí)，電導(dǎo)率下降。同樣當(dāng)N型半導(dǎo)體的正離子吸附時(shí)，能帶向下彎曲，使表面電子濃度增大，電導(dǎo)率增加。19二氧化錫半導(dǎo)體氣敏器件的選擇性、靈敏度與哪些因素有關(guān)，在使用中易受哪些因素的影響？（李可瑞）答：選擇性和靈敏度與添加劑成分添加劑含量燒結(jié)溫度工作溫度有關(guān)。添加P

46、d，Pt可以提高選擇性和靈敏度。在同一溫度下，1.5%Pd對(duì)CO最靈敏，2.0%Pd對(duì)CH4最靈敏。工作溫度的影響：同一Pt含量，200oC時(shí)對(duì)CO最靈敏，400oC時(shí)對(duì)CH4最靈敏。使用中易受環(huán)境溫度和濕度的影響。環(huán)境溫度和濕度變化時(shí)，器敏器件特性會(huì)明顯變化，在實(shí)際使用中，要進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償，以提高檢測(cè)精度和靈敏度 44444444444r5yeryt435q12233444545123213232232。20試述輻射溫度計(jì)的工作原理。（洪木南）答：運(yùn)用斯蒂芬-玻爾茨曼定律可進(jìn)行輻射溫度測(cè)量。下圖為一輻射溫度計(jì)原理圖。圖中被測(cè)物的輻射線經(jīng)物鏡聚焦在受熱板-人造黑體上，該人造黑體常為涂黑的鉑

47、片，吸熱后溫度升高，該溫度便被裝在受熱板上的熱敏電阻或熱電偶所測(cè)到。被測(cè)物通常為<1的灰體，若以黑體輻射作為基準(zhǔn)來定標(biāo)，則知道了被測(cè)物的值后，就可根據(jù)以及的定義來求出被測(cè)物的溫度。假定灰體輻射的總能量全部被黑體所吸收，即它們的總能量相等，即，式中，被測(cè)物體的比輻射率；0黑體的比輻射率；T被測(cè)物溫度；T0黑體溫度；斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)。由此可得。21 熱敏輻射與光敏輻射原理上有什么不同，在應(yīng)用中各有什么特點(diǎn)（石英喬） 紅外探測(cè)器是一種能將紅外輻射轉(zhuǎn)化為電量的裝置。分為熱敏探測(cè)器和光敏探測(cè)器兩種。熱敏輻射光敏輻射熱敏探測(cè)器：利用半導(dǎo)體薄膜材料在受到紅外輻射時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。光電探測(cè)器：一種半導(dǎo)

48、體器件，它的核心是光敏器件，光子投射到光敏元件上時(shí)，促使電子-空穴對(duì)分離，產(chǎn)生電信號(hào)。特點(diǎn)：（1）響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，約10-3s。（2）對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射有相同響應(yīng)。因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的紅外輻射，只要功率相同，對(duì)物體的加熱效果是相同的。特點(diǎn)：（1）響應(yīng)快，最快響應(yīng)達(dá)ns級(jí)。（2）波長(zhǎng)范圍固定，且有一個(gè)峰值波長(zhǎng)p，如圖4.108所示。 超過p，響應(yīng)曲線迅速截至。這是因?yàn)槌^一定波長(zhǎng)后，光子儲(chǔ)量減小，不足于激發(fā)電子釋出。（3）由于光電探測(cè)器以光子為單元起作用，因此必須在低溫下才能工作。22 試述熱像儀的工作原理及其應(yīng)用（書251頁(yè)）（徐必旋）答：被動(dòng)式紅外熱成像是利用被測(cè)物體自身的紅外輻射來攝取物體的熱輻射圖像

49、。這種成像稱為熱像。獲取熱像的裝置稱為熱像儀。熱像儀無需外部光源，能精確地?cái)z取反映被測(cè)物溫差的熱圖像，使用方便，已成為紅外成像技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：被測(cè)對(duì)象的熱輻射經(jīng)掃描透鏡2反射到一凹面鏡10上，反射后經(jīng)透鏡3和反射鏡4聚集在紅外檢測(cè)器5上。掃描鏡2可作水平方向掃描（行掃描），其框架可作垂直掃描（幀掃描），行、幀掃描的同步信號(hào)由行同步、幀同步信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生，以控制掃描的協(xié)調(diào)進(jìn)行。紅外檢測(cè)器一般采用碲鎘汞光電型檢測(cè)器，它必須工作在77K的低溫下，因此被封裝在一個(gè)杜瓦瓶中，瓶中灌有液氮對(duì)紅外檢測(cè)器進(jìn)行冷卻，紅外檢測(cè)器將紅外熱輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送往后續(xù)電路系統(tǒng)進(jìn)行處理

50、。參考黑體一般用一塊銅塊制成，上面涂有比輻射率為0.999的涂料。黑體本身無溫度控制，其溫度隨環(huán)境溫度變化而變化，因此常用一溫度轉(zhuǎn)換器測(cè)量參考黑體的溫度用作溫度補(bǔ)償。用一個(gè)斬波器來使探測(cè)器交替接收被測(cè)對(duì)象和參考黑體的輻射能，這樣可對(duì)環(huán)境溫度作補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)溫度絕對(duì)測(cè)量。從探測(cè)器出來的信號(hào)經(jīng)前置放大后送往A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送至計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理，用作顯示、記錄和圖象存儲(chǔ)。另外，探測(cè)器出來的信號(hào)經(jīng)放大后還可直接連至陰極射線管顯示器進(jìn)行圖象顯示。應(yīng)用：各種不同環(huán)境下的溫度檢測(cè)；無損缺陷的探查；用于公安和消防，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的建筑物采用熱像儀可知建筑物中被燒毀的情況以及人員的情況

51、；由于可在夜間工作，可用于公安夜間巡邏，機(jī)場(chǎng)的夜間狀況監(jiān)測(cè)。另一個(gè)有效的應(yīng)用是用于臨床醫(yī)學(xué)診斷。23 CCD傳感器MOS電容式器件的工作原理答：固態(tài)圖像傳感器是一種大規(guī)模集成電路光電器件，又稱為電荷耦合器件（Charge Coupled Device），簡(jiǎn)稱CCD器件。1. CCD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu) CCD是一種高性能光電圖像傳感器件，由若干個(gè)電荷耦合單元組成，基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器結(jié)構(gòu)。以P型或N型半導(dǎo)體為襯底。在半導(dǎo)體表面覆蓋一層厚120nm的SiO2層。SiO2表面依一定次序沉積一層金屬電極，構(gòu)成MOS電容式轉(zhuǎn)移器件，通常稱一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)為一個(gè)光敏元或一個(gè)

52、像素。 根據(jù)不同應(yīng)用要求，將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。 一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)-光敏元 MOS陣列-若干個(gè)MOS結(jié)構(gòu)有機(jī)組合輸入、輸出結(jié)構(gòu)電荷存儲(chǔ)原理：MOS光敏元存儲(chǔ)電荷的方式與普通電容器不同，以P型半導(dǎo)體構(gòu)成的光敏元為說明：Ø 當(dāng)在其金屬電極（柵極）上加正偏壓Ug時(shí)（襯底接地），正電壓Ug超過MOS管的開啟電壓。Ø 由Ug形成的電場(chǎng)使Si-SiO2界面的勢(shì)能發(fā)生相應(yīng)變化。Ø 界面附近的多數(shù)載流子-空穴被排斥到襯底表面入地，半導(dǎo)體內(nèi)電子被吸引到界面上來。Ø 在表面形成一個(gè)帶負(fù)電的耗盡區(qū)，也稱表面勢(shì)阱，對(duì)負(fù)電子而言，耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域

53、。Ø 在有光照射到硅片時(shí)，在光的作用下半導(dǎo)體產(chǎn)生電子空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的電子被附近的勢(shì)阱吸收。Ø 勢(shì)阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。Ø 存儲(chǔ)了電荷的勢(shì)阱被成為電荷包。Ø 同時(shí)產(chǎn)生的空穴被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)。Ug，表面勢(shì)（半導(dǎo)體表面與襯底的電勢(shì)差） ，光敏元容納電子數(shù)越多。光強(qiáng)，光生電子數(shù)量，光敏元電荷量。24 CCD傳感器輸出信號(hào)有哪幾種，與不同的光學(xué)器件結(jié)合時(shí)，有哪些方面的應(yīng)用答：CCD傳感器的輸出信號(hào)有以下特點(diǎn)：Ø 能夠輸出與光像位置對(duì)應(yīng)的時(shí)序信號(hào)。Ø 能夠輸出彼此獨(dú)立的模擬信號(hào)（脈沖形式）。Ø 能夠輸

54、出焦點(diǎn)面信息的信號(hào)。 將不同光源與光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反光鏡等光學(xué)器件靈活地與這個(gè)特點(diǎn)結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)各種CCD傳感器的用途三種不同特點(diǎn)的輸出信號(hào)，經(jīng)過電子處理單元，可以實(shí)現(xiàn)多種參量的測(cè)量。 應(yīng)用舉例： 一維尺寸測(cè)量首先借助于光學(xué)成像法將被測(cè)物未知長(zhǎng)度Lx投影到CCD線型傳感器上，根據(jù)總像素與被遮掩的像素?cái)?shù)目，可以計(jì)算出Lx。Ø 距透鏡a處有被測(cè)物，尺寸為L(zhǎng)x。Ø 距透鏡b處有CCD線型傳感器，總像素為N0。Ø 光由左方向右方發(fā)射，在整個(gè)視野L0中將Lx部分被遮擋。 Ø 與此對(duì)應(yīng)CCD上只有N1和N2兩部分接受光照，因此有：L0和N0已知， N1和N2可測(cè)得，所以Lx可以計(jì)算得到。 二維尺寸測(cè)量Ø 零件在生產(chǎn)線上一個(gè)接一個(gè)經(jīng)過CCD鏡頭。Ø CCD逐行掃描整個(gè)零件。&#