生物测量与传感器考试复习总结.doc

生物测量与传感器复习总结第1章 概论1、 传感器的定义 传感器（也称为换能器或探测器）：能把被测物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出的装置n 传感器：能感受规定的被测量（包括物理量、化学量、生物量等）并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。“可用信号”指便于处理、传输的信号，通常指电信号n 广义定义：凡是利用一定的物质法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应的器件或装置2、 传感器的组成，敏感元件与传感元件的区别n 敏感元件（Sensing Element）：直接感受被测量，输出与之成确定关系的其他量n 传感元件(Transduction Element)：将敏感元件的输出量转换为电量输出n 其他辅助件：如支架、保护膜等n 信号调节与转换电路：将传感元件输出信号转换为方便使用的电信号，也称接口电路n 辅助电源3、 线性误差和线性度的定义 线性误差：校准曲线与规定直线之间的最大偏差 ，规定直线的确定方法很多种线性度（Linearity）：表征输出-输入线性吻合程度的指标4、 灵敏度的定义 灵敏度(Sensitivity)：响应变化除以激励变化，常用S或K表示 灵敏度越高，同样输入变化产生的输出变化越大，便于显示和处理，但抗干扰能力较差5、 时间常数的定义时间常数：响应从零到稳态值的63%第2章 光电式传感技术6、 三种不同的光电效应的区别：外光电、内光点和光生伏特光电效应（Photoelectric effect） ：光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电的现象被统称为光电效应n 光电效应分类： 外光电效应：光线作用下使电子溢出物体表面。如光电管、光电倍增管 内光电效应：光线作用下物体的电阻率改变。如光敏电阻 光生伏特效应：光线作用下物体产生一定方向的电动势。如光电池、光敏二 极管、光敏三极管 7、 光敏二极管的工作原理 工作原理：如图2.1(b)a) 电路中加反向直流电压，一直处于反向偏置状态 n 工作原理：如图2.1(b) 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小（称为暗电流 ），处于截止状态 有光照时，反向电阻下降，反向电流增大（称为光电流 ），处于导通状态 光电流大小与光照强度密切相关8、 光敏二极管的光谱特性和光照特性a) 光谱特性：光电流与光波波长的变化关系特点：单峰、材料不同，峰值波长不同。硅处于可见光，锗处于红外光 光照特性：一定偏压下，光电流随照度的变化关系。图2.4 ，线性好，是测量光照度的基础9、 光敏二极管的应用：光电路灯控制电路（p15图2.6）10、 光敏三极管的光照特性 光照特性：（P17图2.11，）线性没有光敏二极管好11、 光敏电阻的工作原理 工作原理：（P22图2.17）a) 利用光敏材料的内光电效应b) 外加电压无方向要求c) 无光照时呈高阻态，电阻很大，称为暗电阻，电路中仅有微弱的暗电流d) 有光照时呈低阻态，电阻变小，称为亮电阻，电路中存在较大的光电流e) 一般将光电流做为光敏电阻的输出量12、 光敏电阻的光照特性 光照特性：图2.20，非线性，不宜作定量检测元件 13、 光敏电阻的应用：照度监视器电路 （p25）14、 光电池的工作原理工作原理：a) 光生伏特效应，实质为电压源或电流源b) 由于感光的PN结面积大，使得可以产生较大电量15、 光电池的光照特性 光照特性：a) 当负载电阻很大时（相对于光电池内阻），用开路电压做为输出量b) 当负载电阻很小时，用短路电流做为输出量16、 光电倍增管的结构和工作原理 结构n 主要用于高精度的分析仪器，用于检测非常微弱的光n 结构：图2.38，由阴极K、多个倍增极D（次阴极或打拿极）和阳极A组成n 材料：阴极和次阴极包含半导体锑铯n 工作原理n 给阴极、倍增极和阳极加上电压，逐级升高，总电压差为1000V-2500Vn 阴极在光照射下逸出电子-外光电效应n 在电场作用下，倍增极受电子轰击，可产生更多的电子（3-6倍）n 在阳极收集所有电子，形成很大的电流输出17、 热释电效应的原理 自发极化 温度变化，极化强度改变 重新平衡n 热释电效应 某些晶体具有自发极化的特征，温度恒定时极化电荷与空气吸附电荷平衡 在外部红外线照射下，温度升高，极化强度减小，极化电荷减少，则在两端产生大小相等，符号相反的电荷，这种现象称为热释电效应 热释电效应：图2.49 只能测量外红外强度的变化或温度的变化18、 CCD图像传感器的光敏元是什么，它的工作原理MOS电容器为CCD的光敏元，将图像的一个像素区域的光信号转换为电信号，以电荷包形式存储电信号输出是通过将电荷包耦合的方式转移出去形成电压信号工作原理n MOS电容器工作原理（电荷包的形成）：给栅极加一正脉冲电压在半导体和氧化物的交界面形成耗尽层，耗尽层为电子势阱，可以 吸引电子聚集其中当光照射MOS电容器时，产生电子-空穴对，电子被耗尽层吸引，形成电荷包-光生伏特效应 光照强度与电荷包的电量成正比电荷包的转移原理栅极电压越大，电子势阱越深相邻MOS电容器加上不同栅极电压，使得电荷包向深势阱移动，称为耦合19、 光纤传光原理是什么n 光纤的传光原理：图2.73 折射定理（斯涅尔公式）： 全反射临界角： 全反射（所有光线都被反射，而没有折射）： 光纤的衰减和损耗因子：光在光纤中传播时，能量有一定的衰减。单位长度光纤光功率衰减的分贝数n 光纤损耗原因 吸收损耗 散射损耗 波导散射损耗（微弯损耗）第3章 数字式传感技术20、 数字式传感器的定义数字式传感器（Digital Sensor）：把被测模拟量直接转换成数字量输出，是传感器的发展方向之一21、 光栅传感器测量的原理 光栅尺形成莫尔条纹: 条纹间距：莫尔条纹的特点：微小的横向位移转化为放大了的纵向位移横向移动一个栅距，导致条纹纵向移动一个条纹间距原理：将光敏元件放置在光栅的某个位置，光源发出的光通过莫尔条纹透射到光敏元件上当莫尔条纹上下移动时，可改变某位置上透过的光信号，从而改变光敏元件输出的电信号输出电信号与横向位移之间的关系：通过放大、滤波和整流处理，将正弦信号变为方波信号方波信号的一个周期代表光栅横向移动了一个栅距22、 编码器码盘的结构 码盘：图3.15 码道：n 分区: 码盘加高电平， 黑色区导电， 白色区不导电 电刷：n个，与码盘接触，固定不动，经电阻接地23、 编码器的非单值误差的产生原因和解决办法：循环码 循环码不会产生非单值误差 循环码：相邻编码间只有一位是不同的 n 工作原理：由电刷输出的数字编码值可以判断电刷处于码盘的哪个分区，从而判断码盘旋转的角度24、 频率输出式传感器的两种测频方法（P102） 一种是测量其输出信号的频率，另一种是测量其周期n 频率信号的基本测量方法： 当频率较高时，测量一定闸门时间内的信号周期个数 当频率较低时，测量信号一个周期内的时基脉冲个数第4章 热电式传感技术25、 热敏电阻的分类n 分类：根据电阻随温度变化的关系，图4.2 正温度系数热敏电阻(Positive Temperature Coefficient, PTC)：电阻随温度增加而增大 负温度系数热敏电阻(Negative Temperature Coefficient, NTC)：电阻随温度增加而减小，应用最广 临界温度系数热敏电阻(Critical Temperature Resistor, CTR)：在某一特定温度下电阻值会发生突变26、 热敏电阻线性化处理的三种方法线性化网络法（线性化网络：用温度系数很小的精密电阻（一种热电阻）与热敏电阻串并联）计算修正法（利用数字计算方法实现较宽温度范围内线性化校正的方案）温度-频率转换法（利用温度-频率转换电路改善线性）27、 双金属片热电开关的工作原理 温度升高，向膨胀系数小的一面弯曲温度下降则恢复原平直状态28、 陶铁磁体式热点开关的工作原理n 温度较低时，硬磁和软磁都具有磁性，相互吸引n 当温度升高到软磁的居里点温度时，软磁失去磁性，与硬磁分开29、 热电开关的应用：单按键电饭锅的工作原理 具有自动保温功能的电饭锅 30、 热电效应的定义，热电势的大小与哪些因素有关 将两种不同材料的导体A、B组成闭合回路，若节点1和2处于不同温度时，两者之间将产生热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应n 热电势的大小与电极的几何尺寸无关n 仅与热电偶材料成分和热、冷两端的温差有关31、 热电偶的三个基本定律 中间导体定律 标准电极定律 中间温度定律 32、 热电偶的冷端温度补偿原理和方法n 当冷端温度不为0时，但能保持恒定不变，可采用修正法 热电势修正法 温度修正法n 当冷端温度变化时，需要进行补偿 电桥补偿法33、 PTAT（集成温度传感器）电路的输出电压与温度成正比的条件 工作原理：正常工作时保持两个温敏三极管集电极电流之比恒定，则输出电压与绝对温度成正比。将该电路称为PTAT第5章 RLC传感技术34、 电阻应变效应的定义 应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化， 这种现象称为应变效应或压阻效应35、 自感型传感器的分类 包括可变磁阻式和涡流式36、 涡流式传感器的工作原理n 线圈通以高频激磁电流，产生变化的磁场和磁通量n 变化的磁通量在金属板内引起涡电流或涡流，进而形成反向变化的磁通量，改变线圈自感n第6章 压电磁敏传感技术37、 压电效应的定义 压电效应：某些晶体在一定方向的外力作用下，发生形状改变，晶体内部产生极化现象，晶体表面上有电荷出现，形成电场。当外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。38、 压电效应的类型n 三种压电效应：图6.3 纵向效应： 纵向压电常数 横向效应： 横向压电常数 剪切效应： 剪切压电常数39、 磁阻效应的定义 磁阻效应：当载流导体（金属或半导体）置于磁场中时，其电阻会随磁场变化而变化，这种现象称为磁阻效应。该导体的电阻称为磁阻。 40、 磁敏二极管的结构特点和工作原理n 结构：图6.15 PN结之间有一个较长的本征区I I区一面磨光，一面打毛成为高复合区r区 r区内电子-空穴复合率高n 工作原理：图6.16 无外界磁场时，外加正偏压，形成电流 外加正向磁场时，电子-空穴对偏向r区，电子-空穴对复合增加，电流减小 外加负向磁场时，电子-空穴对偏离r区，电子-空穴对符合较少，电流增大41、 霍尔效应的定义 霍尔效应：置于磁场中的静止载流导体，当其电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势42、 霍尔传感器的灵敏度与哪些因素有关，如何提高霍尔传感器的灵敏度n 霍尔效应材料选择：提高灵敏度 元件制成薄片 金属材料电子迁移率大，但电阻率很小 绝缘材料电阻率大，但电子迁移率小 半导体材料具有较大的电子迁移率和电阻率第7章 声气湿敏传感技术43、 超声波发生器和接收器的基本工作原理n 超声波探头（换能器） 发生器：逆压电效应（电致伸缩效应），图7.14 接收器：压电效应 发生器和接收器可为同一个压电晶体44、 P型和N型半导体气敏传感器遇到氧化型和还原型气体时，电阻的变化n 原理： P型半导体与气体的反应：遇氧化型气体，阻值减小；遇还原型气体，阻值增加 N型半导体与气体的反应：遇氧化型气体，阻值增加；遇还原型气体，阻值减小：图7.20 需要加热到一定工作温度45、 相对湿度的定义 相对湿度：每立方米空气中，水蒸气的实际含量与同温度下最大可能的饱和水蒸气含量之比，用符号RH表示， Relative Humidity46、 氯化锂湿敏电阻的工作原理n Li离子对水分子的吸引力强，容易吸收空气中的水分子n 当环境相对湿度高，当Li离子吸收水分子而电离，导致自由离子浓度升高，电阻率下降，电阻减小n 当环境相对湿度低，当水分子脱附Li离子，导致自由离子浓度下降