传感器题目及答案

1、传感器复习第一章：1.什么是传感器？答：“传感器”是一类将非电量(如温度、力、光、湿度等)转换成电量(如电阻、电容、电压、电流等)的元器件。 2.传感器有哪些主要特点和应用答：传感器具有应用广泛、更新快等特点，解决物理、化学、生物学等以及国防、科研、工农业生产等诸多非电量的检测课题，也是当今向“机器人”、“电脑”等传送信息的重要部件。第二章：1. 电接点水银温度计与双金属片温度传感器属于什么类的温度传感器？在工作原理上有何相同之处？答：是开关型温度传感器。 相同之处： a.利用接触头（接触相当于开，不接触相当于关）；b.利用金属的热胀冷缩。.2. 简述热聚合开关的工作原理。答： 基本工作原理：

2、将该元件A、B两端串联到过流保护电路中, 当电路正常工作时电流不大, 元件内的温度不高, 具有导电性, 处于“低阻正常态”, 如左图(a) 所示；一旦电路发生异常(如短路), 突然使电流急剧增加, 元件瞬间发热, 致使聚合树脂过热其导电物质链断裂, 如上图(b) 所示, 处于“高阻过热态”, 并限制异常电流流过, 起限流保护作用。当排除故障 约14s左右时间后, 元件内的导电链重新建立，恢复正常呈低阻态。因此可代替保险丝工作, 并且一旦发生异常不必更换元件(因普通的保险丝一旦被烧断, 不能自动恢复)。3. 简述热电偶热-电转换的基本原理。如果两端的温度相反, 即TT0，能产生热电势吗？答：热电

3、偶热-电转换的基本原理：利用两种不同质的导体或半导体一端相互接触，由于两种材料内部电子浓度不一样，开始接触时高浓度一侧电子向低浓度一侧扩散，使高浓度侧失去电子而带正电,低浓度侧得到电子而带负电, 从而开始形成接触电势，在接触电势所形成的电场力作用下, 电子从低电势向高电势漂移, 最后扩散=漂移, 从而形成稳定的接触电势。 若TT0，不能产生热电势。因为接触后动能比接触时的动能还小，即比接触电势还小，因此不能。4. 热敏电阻分哪几种类型？它们各自有何主要特性？答：（1）.NTC型：具有负温度系数特性, 即当温度上升时则元件的电阻反而下降，可用于宽温度范围。（2）.CTR型：具有负温度系数特性,

4、但在一小段温度变化范围内电阻剧变具有开关特性, 当温度略高于居里点Tc时其阻值很快减少到临介状态, 故又称它为临介热敏电阻，只能在某一特定温区内使用。（3）.PTC型：在TcTN温度范围内具有正温度系数特性, 即随温度的增加元件的电阻增加 (除此之外具有负温度特性)。5. 比较热电偶、热敏电阻、热敏管和集成温度传感器, 简要说明它们各自主要的优缺点。答：热电偶：1.适应的温度范围最大2. 热-电转换线性度适中3.热-电转换灵敏度低4. 因需要冷端处理, 所以使用不方便。热敏电阻：1. 具有体积小、价廉 和使用方便等优点 。2.热-电转换灵敏度比热电偶和热电阻都高。3.早中期产品热-电转换非线性

5、较大(因而对要求精度高时必须采用线性化电路补偿才能使用), 适应的温度范围不大等缺点。近期产品通过不断改进配方和生产工艺, 出现线性较好能适用于高温(2001000°C) 的产品, 并可以大批量生产。热敏管: 1. 具有体积小、使用方便和价廉等优点。2. 热-电转换线性较好(其中三极管更好), 因而精度较高，如温敏二极管2DWM的线性度为±0.3等。3. 适应的温度范围较小, 一般为-50+150°C。集成温度传感器: 1.电压型：输出近似为一个恒压源(内阻很小), 标准灵敏度为10mV/°C, 适用温度范围不大. 具有T-V转换线性最好因此精度高; 还

6、具有小型化、使用方便、价廉等优点; 与温敏管传感器相似, 存在适用温度范围不大(-50150°C) 的缺点 2.电流型：输出近似为一个恒流源(内阻很大), 典型标准灵敏度为1A/°C. 由于输出电阻很高，因此具有不易受接触电阻、引线电阻和噪声 干扰等的影响, 能实现长距离(如200m) 传输; 同样也具有线性好精度高, 以及体积小、使用方便、价廉等优点；适用温度范围不大一般在-50150°C左右。6. 简要说明热释电红外传感器的基本原理。答：释电红外传感器是利用热电元件的热释电效应探测人体用的红外传感器。热释电效应：压电陶瓷晶体PZT、高分子薄膜PVFZ等材料,

7、在受到红外辐射后, 其表面温度发生变化, 使晶体中的正、负电荷重心产生相对位移, 表面产生等量异号的电荷, 从而形成电势(热释电势) 即将红外辐射的温度转换成电势, 称为热释电效应。释电红外传感器内部电路如上图所示, 由于结型场效应管VT组成源极输出器的输入电阻很高, 能将PZT产生的电荷转换成正电压输出(负电荷产生的负电压被二极管VD削去)。7. 分别对温度控制、检测(测温) 和报警各举一例, 简要说明其基本原理答：1.温度控制：电路如左图所示, 图中K为水银玻璃电接点温度开关(也可用双金属片等开关型温度传感器), 将铂丝头调到T设上, 并将R值调到当K断开时三极管VT处于饱和状态。当温控区

8、温度TT设时,K断开、VT饱和、继电器J通电、J1闭合, 加热器接通220V市电加热,T上升, 当T上升到T设时K闭合, 三极管VT的VBE =0而截止,J断电、J1断开加热器也断电而停止加热, 由于余热T略上升后下降, 当TT设时K断开,重复开始过程, 从而达到温控的目的。这种电路简单, 控温精度不够高。2温度的检测(电子温度计)：一种数字式电子温度计电路如左图所示,LM134为电流型集成温度传感器, 将待测的温度T转换成电流I,通过R再转换成电压输给运放IC同相比例放大后送DVM数字电压表头,进行数字(十进制三位半, 所谓“半位” 是指最高位只能显示十进制的1和0两个数码) 显示。如果测温

9、范围为0100°C, 一种调试方法如下：先将由LM134组成的测温探头置入0°C的冰水中, 调节Rc使表头显示“000.0”; 再将探头置入100°C的沸水中, 调R1使表头显示“100.0”。 第二次将探头置入冰水中, 这时可能显示偏离“000.0”, 再调节Rc使之显示“000.0”; 将探头置入沸水中, 也可能不显示“100.0”,再调节R1使显示“100.0” 。如此反复调节多次,直到当探头置入冰水中准确显示“000.0”和置入沸水中显示“100.0”为止。3监视报警实例：a.电冰箱温度超标指器电路如左图(参见教材P69图2-92) 所示,当冰箱的温度低于

10、5°C(报警温度) 时, 热敏电阻RT的电阻较大, 比较器反相端2的电位V2高于同相端3的电位V3,IC输出低电平, 温度超标指示发光二极管VD不亮; 一旦冰箱的温度5°C时, RT电阻下降到使2端的电位V2 也下降, 当V2V3(事先通过RP已调好,即当温度为5°C时V2=V3), 则IC输出高电平, 使VD发光, 指示冰箱内的温度已超标。b人体报警装置如左图所示, 传感器为可探测人体辐射红外线的热释电红外传感器。当有人经过传感器附近时, 传感器将人体辐射出的红外线转换成电压经放大与基准电压(为防误报事先调好的电压)进比较, 如果高于基准电压比较器将信号送功率放

11、大驱动声光报警。第三章：1. 试比较金属应变效应和半导体压阻效应, 简要说明它们有何相同与不同之处。答：1.金属应变效应一根长度为L、截面积为S和电阻率为的金属导体丝的电阻R为R=(L)/s.当受力作用后导体发生形变, 使L、S和均发生变化, 由R=(L)/s 式可知电阻R发生变化, 其中L、S变化引起R变化占主体 这就是金属应变效应.2. 半导体压阻效应当半导体受到外力作用后其电阻率发生变化(但截面积S和长度L变化不多,即形变不大), 由R=(L)/s 式说明其电阻也发生变化, 这就是半导体压阻效应。同：都是半导体受外力引起电阻变化。异：金属应变效应主要是形变(S、L变化) 引起电阻变化,

12、而半导体压阻效应主要是电阻率() 变化引起电阻变化。2. 固态压阻组件有何特点？答：固态压阻器件(又称为硅杯)，有以下几种：利用半导体扩散技术, 将P型杂质半导体扩散到一片N型硅的底层上, 形成一层很薄的P型电阻条, 装上引线, 制成单片式传感器。在圆形的N型硅膜片上扩散出四个P型电阻条, 并构成惠斯登电桥的四个臂。采用集成化技术, 将单片或多片压阻传感器件、误差补偿电路、温度补偿电路及信号处理电路等集成在一块芯片上, 制成专用集成芯片。特点：灵敏度高、动态响应快、工作温度范围宽、稳定性好、易于集成化等优点; 但易受温度影响、单片直线性较差等缺点,基于灵敏度高这一特点, 常用于测微力, 如检测

13、人体脉博等。第四章：1. 光电管和光电倍增管利用何种光电效应制成？简要说明光电倍增管的基本原理。答：利用外光电效应效应制成。外加电源E通过分压电阻R1R5分压, 并合理选择R1R5,使E1E2E3E4E5。 基本原理：当光强为的光照射到阴极K上后, 产生外光电效应逸出的电子在E1加速作用下,轰击第一倍增极并产生二次电子(比阴极逸出的电子多), 又在更高电压E2加速作用下产生更高的速度轰击第二倍增级, 并产生更多的二次电子, 如此连续进行下去, 直到阳极A获得比阴极K由光 强产生的电子倍增许多倍, 大大增加阳极电流IA,可达106数量级的倍增。2. 三种光敏器件在结构上各有何共同特点？答：1、光

14、敏电阻主体为半导体材料的光导体薄膜, 用半导体工艺沉积在绝缘基片上, 封装时必须设置透光窗口2光敏二极管除具有与普通二极管相似的PN结外, 还具有透光和聚光的玻璃透镜等装置。3光敏三极管具有透光和聚光等装置；多数管子只引出集电极和发射极两个电极, 基极与外电路开路。3. 试证明光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高(1+)倍。答：光敏二极管的光电流即为PN结的反向饱和电流,与三极管的集-基反向饱和电流ICBO相当, 由于ICEO=(1+)ICBO, 所以光敏三极管的灵敏度要比光敏二极管高(1+) 倍,当然受温度的影响也要高(1+) 倍。4.试比较光耦合器与光断续器有何相同与不同之处。答：同：（1）都

15、可以进行进行电-光-电转换；（2）两者都有个发光元件和一个受光元件异：光耦合器主要用于电路间的隔离，而光断续器则是一个非接触式传感器光耦合器用于传送信号，使得电路安全（单向传输） 光断续器用于检测被测体（形状、运动方向、转速等）5. 简要说明一种测量心率的基本方法。答： 1. 基本原理人体心脏搏动引起组织血液流量的变化, 这种变化又会引起组织传光特性的变化, 通过光传感器可以检测出这种与心率(即每分钟心脏搏动的次数) 相同的变化, 从而可以测量出人体的心率。2. 传感装置部分如右图(参见教材P124图4-47)所示, 由超亮发光二极管发出超强光入射到手指组织中, 再经组织反射出与心率变化相同的

16、反射光进入光敏电阻, 由光-电转换电路检测出与心率变化相同的电信号。3. 检测处理电路框图如下图(参见教材P125图4-48, 作了补说)所示, 所检出的电信号由接插件输给检测处理电路, 经滤波放大后送信号变换处理(包括单片机及其接口等), 送输出显示电路数字显示检测结果 第五章： 1.简要说明光积分过程。答：当有光信号照射到P衬底表面上后, 半导体表面由于光激发产生新的电子-空穴对。空穴向电源负极运动并被负极中和而消失, 电子向高电位的栅极运动被绝缘层阻挡而积累在SiO2层下面形成信号电荷, 如果停止光照, 信号电荷被存贮。显然, 如果光照信号越强、照射时间越长, 则光激发产生新的电子-空穴

17、对越多, 信号电荷(这里是电子) 被积累存贮越多, 这就是光积分过程。2. 如何画出CCD的势阱？以二相CCD为例说明信号电荷是如何传送的。答：下面以二相CCD为例, 说明信号电荷是如何从前一单元移位传送到下一单元。左图为二相CCD的驱动脉冲信号1、2, 它们反相, 即相差为180°。二相CCD多元MOS电容组成的模拟移位寄存器的主体示意图如下图所示, 其中1、3等奇数单元连接一起接1,2、4等偶数单元连接在一起接2。如右图(a) 所示,设在t=t1时刻1单元内有信号电子, 而此时1=5V、2=0V, 由此可以画出势阱如虚线所示,1、3等单元势阱最深。当从t1时刻到t2时刻, 1=0

18、V、2=5V, 势阱发生变化, 如上图(b) 虚线所示, 此时2单元势阱最深(即电位最高) 而1单元势阱最低(电位最低), 所以信号电子已从低电位传送到高电位的2单元内, 完成从前一单元移位(传送) 到下一单元, 共用半个周期时间(T/2) 。如此在驱动脉冲1、2作用下, 信号电荷逐位以串行方式移位到输出电路中去, 完成信号电荷的移位传送。3. 简要说明面阵CCD在监视和图像处理方面的应用。答： （一）、实时监视如下图所示, 由面阵CCD摄像头摄下被监视区的视频图像信号送监视器或同时送录像机的AV端子, 则可以在监视器上显示监视对象, 或 对被监视对象进行录像, 实现监视。（二）、图像处理CC

19、D图像传感器已普遍应用于图像处理中的图像输入器件, 如右图所示, 从CCD摄像头获得图像电信号,送图像处理板及计算机, 可进行多种图像处理。第六章：1. 如何利用霍尔效应判断霍尔电势VH的实际方向？答：如下图所示, 对一块P(或N) 型半导体通电、加磁以后, 多子不仅受电场力的作用, 而且还受磁场力(又称为洛仑兹力)的作用, 洛仑兹力表达式为其中V为载流子运动的速度,q为载流子的电量。当载流子为空穴时,q0, 其运动的方向(的方向) 即为电流I的方向; 当载流子为电子时,q0, 但其运动的方向与电流I方向相反, 所以qV的方向仍与电流I的方向一致。因此在杂质半导体中, 洛仑兹力的方向均为的方向

20、, 这对判别的方向十分方便。在上图中, 根据电流I和磁场B的方向, 很容易判别出的方向如图中所示。在两种力的共同作用下, 多子不再作单方向直线运动, 而是作曲线运动, 向半导体非通电的下边沿运动并形成 正电荷积累, 而在半导体非通电另一个边沿因缺少多子而带与多子相反的电荷即负电荷, 从而形成电势VH, 称它为霍尔电势, 如上图所示, 所标的方向即为实际方向。2.已测出霍尔电势实际方向如下图所示, 试判断半导体的类型(P型或N型) 。答：n型3.简要说明热敏电阻、光敏电阻和磁阻元件的主要工作原理。答：热敏电阻 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化特性制成的光敏器件由于半导体内存在电子-空穴

21、两种载流子, 因此比金属对温度敏感, 当温度变化时, 半导体内的载流子数发生变化, 从而使电阻(电导率) 发生变化, 实现将温度变化转换成元件电阻的变化。光敏电阻 光敏电阻又叫光导管，当光照射到光导体表面时, 半导体表面产生光激发(类似于热激发) 形成新的电子-空穴对, 改变了器件的电导率, 从而将光强的变化转换成器件电阻的变化, 实现光-电转换的目的。磁阻元件 利用磁阻效应：对半导体材料既通电而且外加磁场作用, 由霍尔效应可知, 载流子同时受到电场力和磁场力(即洛仑兹力) 双重力的作用, 不再只是作直线运动, 而是作曲线运动, 因而运动路径增加, 故电阻增加, 磁场强度越强, 路径增加越多,

22、 则电阻变化越大, 实现将磁场的变化转换成电阻的变化。4.试分别对热敏二极管、光敏二极管和磁敏二极管, 就其基本结构、外加电压(正偏或反偏) 和基本工作原理加以简要比较说明。答：2光敏二极管基本结构如左图(参见教材P107图5-14a) 所示, 除具有与普通二极管相似的PN结外, 还具有透光和聚光的玻璃透镜等装置。 基本工作原理：正常工作时PN结反向加压, 如下图(参见教材P107图4-15) 所示。无光照时，由少数载流子形成反向饱和电流(暗电流)很小。当有光照射到PN结表面时, 由光激发形成许多新的电子-空穴对, 使少子随光强的增加而增加, 则此时的反向饱和电流I(亮电流)也增加, 在负载电

23、阻RL上产生电压UOUT输出,从而实现光-电转换。3磁敏二极管磁敏二极管的基本结构如下图(参见教材P181图7-30, 作了补充)所示, 与普通PN结二极管根本区别是中间有很长的本征半导体区即i区, 为P+-i-N+结构, 主要为外加磁场提供较大空间;并在一个面进行研磨成一面打毛的r区, 载流子通过该面时因路径曲折复合率高; 在r区对面为光滑区, 载流子通过该面时复合率低。.基本原理：为了解基本原理, 以其下面剖面图(参见教材P182图7-31, 作了补充)为例加以说明: 图(a) 为正向通电, 但不加磁场, 此时P区的空穴和N区的电子分别作直线扩散运动, 除在i区复合一部分外形成稳定的正向电

24、流, 记为I0; 图(b) 加正向磁场(相对而言, 为从平面“出” 方向), 此时洛仑兹力的方向(×)向下, 即偏向r面因而复合多, 因此二极管电流(记为I+)减少, 显然B越强,I+减少越多; 图(c) 为加反向磁场(相对而言, 为从平面“进” 方向), 此时洛仑兹力方向向上, 即偏向光滑面因而复合相对少, 因此二极管电流(记为I- )减少较小。以上分析的三种情况, 满足I0I-I+,改变磁场B的大小和方向均能控制磁敏二极管的正向管电流I+或I-（或管压降、管电阻），这就是磁敏二极管的基本工作原理。从以上分析，磁场不仅控制元件中载流子的路径，而且还控制载流子的复合情况，所以灵敏度比

25、磁阻元件高。5. 简要说明霍尔计数装置的基本原理。答：本装置可对钢铁金属零器件进行自动计数, 如左图所示, 当钢球等零器件通过磁体时被磁化, 使霍尔开关传感器周围磁场发生变化一次, 霍尔开关传感器产生一个脉冲输出。计数电路工作示意图如下图所示, 霍尔开关集成传感器SL3051输出脉冲经R1C1滤波、IC放大和开关管VT整形成方波脉冲, 送计数显示器显示累计计数结果。 第七章：1.何谓放射线源？答：具有相同的核电荷数而有不同的质子数的原子所构成的元素称为同位素,它们的原子序数相同而原子质量不同。某些同位素在没有任何外因作用下它的核成份自动变化而衰变,同时辐射出放射线,一般称这种辐射为核辐射。这种

26、同位素称为放射性同位素,也就是辐射出放射线的同位数放射线源,常简称为放射线源。2.试比较、和三种放射线的主要特点？答：辐射(线)是一种带正电荷的高速(粒子)流. 辐射(线)是一种带负电荷的高速(.粒子)流辐射(线)是一种以光速运动不带电的光子流，是一种从原子核中发出的电磁辐射，没有直接电离，只能利用反射和增加电离室气体来提高光子与物质作用的有效性来产生电离。射线穿透能力最强,射线次之,射线最弱。射线散射作用最强。粒子电离作用最强, 次之，最弱。3.在半导体放射线传感器中,为了能检测弱强度射线采取了哪些措施？并说明其原因。答：1.PN结型传感器：采用n+-p-p+式结构方式,增加扩散的路程, 增

27、加耗尽层宽度,从而达到增加射线作用区的目的。2.表面势垒型传感器：利用金-半加宽耗尽层（只有电子扩散，没有空穴扩散）。外加电场和内电场的方向相同时，从而进一步加宽耗尽层的宽度。3.锂漂移型：在p-n结中间加一层本征半导体，但是受温度影响大，所以使温度低于4°K（绝对温度）。第八章：1. 何谓相对湿度？为什么要引入相对湿度的概念？答：相对湿度：Pv水汽压(单位为mmHg, 代表绝对湿度:单位体积大气所含水汽的质量);Pw同温度条件下的水汽饱和气压(单位为mmHg)人们自我感觉、农作物的生长等一般与绝对湿度无多大的直接关系, 而与水汽离饱和状态有关, 故引出相对湿度Hr概念2. 简要说明

28、涂膜状AI2O3湿度传感器的基本结构和工作原理。答：这是一种电容式湿度传感器, 基本结构示意图如下图： (1)为内电极, 在其表面上用等离子体喷涂一层(2)AI2O3感湿膜层, 在其上制作多孔金属外电极(3)及其引线(4), 这样由内、外电极组成电容两个 电极,AI2O3为电 容的电介质。测湿度时, 水分子通过多孔的外电极被AI2O3感湿膜吸附, 导致其电介常数变化, 从而使器件电容值发生变化, 完成湿-电转换。由于高温处理提高AI2O3的纯度,性能稳定, 且不易老化。3.简要说明高分子电解质薄膜湿度传感器的基本原理和特点。1.结构感湿膜为聚笨乙烯磺酸铵,以高分子聚乙烯醇作为添加剂,经旋转涂敷

29、后烧结而成,其结构如下图(参阅教材P239图10.27)所示。2.原理聚笨乙烯磺铵为一种吸湿性很强的物质，当与高分子电解质结合吸附水分子后，产生正、负离子，使膜内可移动的H+离子数增加，从而改变其电阻,实现了将湿度转换成电阻的传感作用，因此它也是一种电·阻型传感器。3.主要特点基本上克服了上述LiCl湿度传感器的缺点，它具有测试范大(可覆盖整个区间，即0RH100RH)、重复性好、小型化易于集成和批量生产等特点。4. 简要说明硅MOS电容式湿度传感器的基本结构和工作原理。答：1.基本结构这是一种电容式传感器, 为金属-氧化物-半导体即MOS结构, 在单晶Si(硅) 片上生长一层SiO

30、2膜层介质(介质2), 再在SiO2膜上蒸镀制作氧化物AI2O3感湿膜生成另一层介质(介质1), 在其两面分别蒸镀金属Au和AI网作电容的两个电极, 如下图所示。2. 基本原理当介质1的AI2O3吸湿后, 使其电介常数发生变化, 则MOS电容的电容值也发生变化, 湿度不同, 则电容值变化也不同, 从而将被检测的湿度变化转换成器件电容的变化。5. 简要说明湿度检测器的基本原理。答：电路如下图所示,CH为电容式湿度传感器, 为555芯片组成多谐振荡器的定时电容, 因此它输出方波的频率(或周期) 与被测湿度有关。C2与555输出电阻组成积分电路, 将方波转换成三角波,如下图所示。从图中可以看出, 上图方波周期T1长(频率低), 下图方波周期T2短(频率高),由于积分结果, 其三角波的幅度上图(为Vm1) 比下图(为Vm2) 高, 所以经VD