传感技术课程复习纲要2012

1、传感技术课程复习提要考试方式：一页开卷 1. 解释：【传感器】传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换电路组成。【传感技术】传感器技术是一个汇聚物理、化学、材料、器件、机械、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。【精密度】指多次测量值之间的符合程度，即接近程度或一致性，反映测试系统的随机误差【分辨率】分辨力的相对值，等于：分辨力/测量上限100%【零漂】指在恒温条件下，测量仪器开机一段时间仪器零点的变化情况【压阻效应】沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其电阻率将随应力改变而变

2、化，这种现象称之为半导体的压阻效应。【（应变片）灵敏系数】灵敏系数系指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比逆压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。人们把这种机械能转换为电能的现象称为“正压电效应”；相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转换。 【机械品质因数

3、】压电晶片谐振时,贮存的机械能与在一个周期内(变形、恢复)损耗的能量之比。【光电导效应】在光线的作用下，半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应【暗电阻】光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。【热电偶】热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。【汤姆逊效应】假设在一匀质棒状导体的一端加热，则沿此棒状导体有温度梯度；导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低一端积累起来，使棒内建立起一电场。当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止。电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。此效应称为汤姆逊效应。【电阻

4、温度系数】电阻温度系数，即热敏电阻的温度变化1时电阻值的变化率，通常指温度为20时的温度系数，单位为1【红外线】红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它的波长范围大致在0.76m到1000m的频谱范围之内，相对应的频率大致在41014-31011 Hz之间。【大气窗口】红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即22.6m，35m和814m，统称为“大气窗口”（通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口 ）【光子探测器】光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。能检测出入射到其面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流。【传光型光

5、纤传感器】光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。【光调制技术】光调制：按照一定规律改变光波的强度、相位、振幅、频率或偏振状态等参数的方法。 按照调制方式分类，光调制可以分为： （1）强度调制；（2）相位调制；(3)偏振调制；（4）频率调制；（5）波长调制【半导体气体传感器】利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化，借此检测特定气体的成分及其浓度。【湿滞现象】各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿滞后，我们称这一特性为湿滞现象【相对湿度】相对湿度是气体的绝对湿度(V)与在同

6、一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(W)之比，常表示为RH其表达式为相对湿度= (V /W)100%RH【生物传感器】生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。2. 传感器的发展动向主要表现在哪四个方面？1.新材料、新功能的开发应用2.微机械加工工艺的发展3.传感器的多功能化发展4.传感器的智能化发展3. 画图说明传感器的6种基本构成型式，并以实例说明其中的任意三种。1.自源型 例：热电偶、压电器件

7、等。2. 带激励源型例: 某些磁电式和霍尔电磁感应式传感器。3. 外源式例：热敏电阻4. 相同传感器的补偿型这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中常被采用。5. 差动结构补偿型如应变电桥（全桥差动） 6. 不同传感器的补偿型例：采用热敏元件的温度补偿；采用压电补偿片的温度和加速度干扰补偿等。4. 举例推导二阶传感器的传递函数。P245. 传感器的无失真测试条件是什么？P256. 说明线性系统的两个主要性质。 7. 说明应变式、压电式和光纤式加速度传感器的异同。8. 试推导出半导体应变片的应变灵敏系数。9. 试简要说明电阻应变式传感器温度误差产生的原因及其补偿方法。【第三章课件43页和后面】原

8、因1. 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变2. 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。补偿方法1. 桥路补偿方法2. 应变片自补偿法 (a) 选择式自补偿应变片 (b) 双金属敏感栅（组合式）自补偿应变片10. 画图说明压电传感器的等效电路。【课件第四章27-30页】？压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。 电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为 压电传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联的电路。11. 画图说明压电片的连接方式。【课件第四章31页】12. 为什么光敏二极管在电路中处于反向偏置状态？【课件第五章46页】光敏二极管在没有光

9、照射时，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。/*如果入射光的照度变化,光生电子.空穴对的浓度将相应变动,通过外电路的光电流强度也会随之变动,光敏二极管就把光信号转换成了电信号.*/（个人补充）13. 光电池的工作原理是什么？光电池的基本结构为一个大面积的pn结。当光照到pn结上时，如果光子能量足够大，就将在pn结区附近激发电

10、于一空穴对。在pn结电场作用下，n区的光生空穴被拉向p区，p区的光生电子被拉向n区。结果在n区就聚积了负电荷，带负电；p区聚积了正电荷，带正电。这样n区和p区之间就出现了电位差。用导线将pn结两端用导线连接起来，电路中就有电流流过，电流的方向由p区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。14. 画图并说明光电式数字转速表工作原理。【课件第五章69页】没有直接的答案脉冲式光电传感器是将光脉冲转换为电脉冲的装置原理:在被测转速的电机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制光,光线每照射到光电器件上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲、经放大器整形后记录。15. 推导热

11、电偶回路热电势表达式。【课件第六章26页】综上所述，热电极A、B组成的热电偶回路，当接点温度TT0时，其总热电势为：16. 说明半导体热敏电阻有哪几类？半导体热敏电阻包括正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)、临界温度系数(CTR)热敏电阻等几类。17. 设计基于两种不同工作原理的二氧化碳检测仪。18. 简述热释电型红外探测器的工作原理及其与其它热敏型红外探测器的根本区别。19. 红外测温有哪些特点？(1)红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；(2)红外测温反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程。只要接收到目标的红外辐射即可定温。反映时

12、间一般都在毫秒级甚至微秒级。(3)红外测温灵敏度高。因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量成倍的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；(4)红外测温准确度较高。由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达到0.1以内，甚至更小；(5)红外测温范围广泛。可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围。20. 说明光纤传感器的组成与分类，并以实例进行说明。【课件第八章7页】1）功能型光纤传感器利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器，称为功能型传感器。2）传光型光纤传感器光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其

13、他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。有两种形式：一种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光透射率发生变化，这样，光探测器通光量便成为被测对象调制后的信号；举例: (1) 投币机；计数装置 (2) CO2气体传感另一种是在光纤一端设置“敏感元件+发光元件”的组合部件，敏感元件感受被测对象的作用并将其转换为电信号后作用于发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。举例：生物敏感膜+被测对象21. 光纤振动传感器的基本工作原理是什么？激光束通过分束器、光纤入射到振动体上的一点，反射光作为信号光束，经过同一光学系统，被引入到探测器。参考光束是从由部分透射面R上反射产生的。在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。信号光束只受到垂直振动分量Ucost的调制。由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改变了信号光束的光路长度，相应改变了信号光与参考光的相对相位，产生了相位调制。信号光与参考光之间的相位差为： 22. 画图说明MOS二极管气体传感器的工作原理。23. 简要说明生物传感器的工作原理。 待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如化学物质、光、热、质量等被相应的信