《传感器与智能检测技术》 第7章习题答案

第7章思考题与习题填空题霍尔传感器是一种磁敏传感器，它是把磁学物理量转换成电信号的装置，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。它的最大特点是非接触测量。2.霍尔电势UH与输入电流I及磁感应强度B成正比，其灵敏度KH与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。3.霍尔元件的结构很简单，它通常由霍尔片、引线和壳体组成。4.半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。二、简答题1.简述你理解中的霍尔效应。1879年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量的实验发现：如果让一恒定电流通过一金属或半导体薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势，这个现象后来被人们称为霍尔效应。假设霍尔元件为N型半导体薄片，薄片厚度为d，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片。在薄片前后两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力FL而发生偏转，结果在半导体的右端面上电子积累带负电，而左端面缺少电子带正电，在半导体的左右端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体左右两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势UH称为霍尔电势。2.制成霍尔元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了锑化铟、砷化镓、砷化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的灵敏度、温度特性、线性度均较好。3.简述集成霍尔传感器的分类、特点及应用场合。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。按照输出信号的形式，可以分为开关集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器主要由霍尔元件、恒流源、放大电路组成，由恒流源提供稳定的激励电流，霍尔电势输出接入放大电路，输出电压较高，应用广泛。集成电路的输出电压与霍尔元件感受的磁场变化近似呈线性关系。它主要用于对被测数据进行线性测量的场合，如角位移、压力、电流等的测量。开关集成霍尔传感器开关集成霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术制成的一种传感器，以开关信号形式输出。霍尔开关集成器件具有使用寿命长、无触电磨损、元火花干扰、工作频率高、温度特性好及能适应恶劣环境等优点。常用的开关集成霍尔传感器由霍尔元件、放大电路、施密特触发器等部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开关输出可使该电路方便地与各逻辑电路连接。4.简述磁敏二极管的工作原理。当磁敏二极管未受到外界磁场作用，且外加如图7-16a所示的正偏压时，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区而形成电流。只有一部分电子和空穴在I区复合掉。当磁敏二极管受到如图7-16b所示的外界磁场H+（正向磁场）作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转。由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，所以，内部参与导电的载流子数目减少，因此，外电路电流减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入r区复合的电子和空穴数量就越多，外电路的电流就越小。a)不受磁场作用时b)受正向磁场作用时c)受反向磁场作用时图7-16磁敏二极管工作原理当磁敏二极管受到如图7-16c所示的外界磁场片H-（反向磁场）作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移；则外电路的电流比不受外界磁场作用时大。利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。三、综合应用题1.图7-22是利用霍尔传感器构成的一个自动供水装置，请分析其工作原理。图7-22利用霍尔传感器的自动供水装置锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭。电磁阀的打开与关闭，则受控于控制电路。打水时，需将铁制的取水卡从投放口投人，取水卡沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到磁传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，让水从水龙头流出。延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，水流停止。2.设计一种霍尔式液位控制器，要求：①当液位高于某一设定值时，水泵停止运转。②储液罐是密闭的，只允许在储液罐的玻璃连通器外壁和管腔内确定磁路和安装霍尔元件。③画出磁路和霍尔元件及水泵的设置图；画出控制电路原理框图；简要说明该检测、控制系统的工作过程。霍尔元件及水泵的设置图：检测、控制系统的工作过程：液位测量原理是利用漂浮在被测液面的浮子的位置来判断液面高度的。浮子漂浮在液面上，随液位高低上下浮动；浮子内装有环形磁铁，磁铁产生了沿不锈钢保护管轴向的稳定磁场；浮球是泡沫材料，可以在液体的浮力作用下随液位的升高或下降而升降。当上升到液位控制器UGN3020调定好的位置时，控制开关便发出控制信号。工作原理:首先闭合隔离开关Q，220V电源经过降压、整流、滤波和稳压后得到12V直流电压供给控制电路。控制电路发出的信号驱动继电器kM，然后控制注液电动机启停。1、液位上升

当液面上升时，液体浮力使浮球浮起，霍尔元件的磁场强度随之增大，当浮球（磁铁）移动到距离霍尔元件UGN3020几毫米时，霍尔UGN3020接近开关输出低电平变为高电平，经驱动电路使继电器KM放，使电动机停止运转，液位停止上升。

2、液位下降

当液位下降时，浮球随之下降，霍尔元件UGN3020接近开关输出低电平，经驱动电路使继电器KM合，电动机运转，液位重新上升。第10章思考题与习题一、填空题1.智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类的大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断。2.科学和生产工艺的发展大大促进了传感器技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术共同构成了现代信息技术的三大支柱。3.按照像素排列方式的不同，CCD又可分为线阵与面阵两大类。4.生物传感器是一种利用生物活性物质的分子识别功能，将感受到的被测物质的特征量转换成可用输出信号的传感器。二、综合题1.简述智能化传感器的特点。智能传感器已具备了人类的某些智能思维与行为。人类通过眼睛、鼻子、耳朵和皮肤感知获得外部环境多重传感信息，这些传感信息在人类大脑中归纳、推理并积累形成知识与经验；当再次遇到相似外部环境时，人类大脑根据积累的知识、经验对环境进行推理判断，做出相应反应。智能传感器精度高、响应快、稳定性好，可靠性高，还要求其具有数据存储与处理、自校准、自诊断、自补偿和远程通信等功能。2.图像传感器主要分为哪三种？图像传感器产品主要分为CCD(ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件）、COMS（ComplementaryMetatal-oxideSemiconductoor，互补金属氧化物半导体）以及CIS(ContactImageSensor，接触式图像传感器）三种。3.CCD有几个工作过程？分别是什么？在CCD中，CCD的信号为电荷信号，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类。CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（也就是光生伏特效应）。CCD工作过程的第二步是信号电荷的存储收集，是将入射光子激励出的电荷收集起来使其形成信号电荷包的过程。CCD工作过程的第三步是信号电荷包的传输转移，是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。CCD的信号电荷读出方法有输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法两种。CCD工作过程的第四步是电荷的检测，是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。输出类型主要有以下三种。电流输出。浮置栅放大器输出。浮置扩散放大器输出。4.简述CCD图像传感器和CMOS图像传感器的区别。CCD图像传感器与CMOS图像传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用光电二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据的。CCD图像像传感器与CMOS图像传感器器的主要差异是数字数据传输的方式不同。CCD图像传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。而在CMOS图像传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。CCD图像传感器与CM0S图像传感器另一个主要差异是电荷读取方式不同。对于CDD,光通过光电二极管转换为电荷，然后电荷通过传感器芯片传递到转换器，最终信号被放大，因此电路较为复杂，速度较慢。对于CMOS,光通过电极二极管的光电转换后直接产生电压信号，信号电荷不需要转移，因此CMOS图像传感器集成度高，体积小。综上所述，CCD图像传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS图像传感器，而CMOS图像传感器则具有低成本、低功耗以及整合度高的优点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。例如：CCD图像传感器一直在功耗上做改进，以应用于移动通信市场；CMOS图像传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。5.简述智能生物传感器的应用场合。从20世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始，生物传感器的发展已经距今已有几十年的历史了。作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的交叉学科，生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用。近年来，受生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，智能生物传感器技术飞速发展。未来的智能生物传感器将进一步应用在医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业等各个领域。6.什么是生物芯片？进入21世纪，电子技术和生物技术相结合，诞生了生物芯片。生物芯片由研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术开始，已形成独立学科，成为生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术。生物芯片原名称为“核酸微阵列”，是通过微加工技术和微电子技术，在一块1cm2大小的硅片、玻璃片、凝胶或尼龙膜上，构建成密集排列的生物分子微阵列。7.简述模糊传感器的概念。模糊传感器是在传统传感器数值测量数据的基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的形式来描述输出结果的智能传感器。所以，模糊传感器具有智能传感器感知、学习、推理，通信等基本功能，其中学习功能是模糊传感器特殊而重要的功能，例如，检测天气舒适度的模糊传感器需结合温度、湿度、风速等气象要素对人体综合作用，表征人体在大气环境中舒适程度。8.简述多传感器数据融合系统有应用场合。多传感器数据融合系统包含多传感器融合和数据融合。多传感器融合是指多个基本传感器空间和时间上的复合设计和应用，常称多传感器复合。多传感器融合能在极短时间内获得大量数据，实现多路传感器的资源共享，提高系统的可靠性和宽容性。数据融合也称信息融合，是指利用计算机对获得的多个信息源信息，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和评估任务而进行的信息处理技术。数据融合已经应用到智能机器人、遥感、医疗等领域，在军用领域，数据融合已经应用到对空防御、电子对抗、指挥系统等。这些是目前数据融合应用得较为成熟的领域，另外还有很多其他新的领域均会应用到多传感器数据融合技术。9.简述MEMS传感器的应用领域。微传感器具有空间占有率小、灵敏度高、响应速度快、便于集成化和多功能化、可靠性高、消耗电力小、价格低廉、适于批量化生产等优点。因此MEMS传感器已经非常广泛的应用于航空航天、汽车工程、生物医学与健康领域中。MEMS压力传感器在汽车上主要用于测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力等。第11章思考题与习题一、填空题1.机器人的技术主要包括：传感技术、智能技术、控制技术等。机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。2.机器人外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉和味觉等传感器。接近觉传感器主要检测传感器与对象物之间的接近程度。接近觉传感器有电磁感应式、光电式、电容式、气压式、超声波式、红外式以及微波式等多种类型。4.传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。汽车传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。5.手机的摄像头一般都采用CMOS图像传感器，目前很多手机厂商采用多摄像头方案。6.中国工业企业所关注的相关技术包括工业软件、传感器技术、通信技术、人工智能、物联网、大数据分析等。二、综合题1.你怎样理解机器人的“大脑”和执行机构的自由度？智能机器人之所以叫智能机器人，这是因为它有相当发达的“大脑”，即\t"/item/%E6%99%BA%E8%83%BD%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA/_blank"中央处理器。机器人的“大脑”叫做中央处理器（CPU）。中央处理器就是一个超大规模的集成电路，接收到传感器传回来的数据后，根据内部预先设定好的算法程序解析各个信号所代表的真实意义。伺服电机是机器人常用的执行机构，相当于人体的肌肉系统，一旦接收到来自“大脑”的控制信号则完成相应的动作。在机器人系统里，每个伺服电机都相当于一个人体关节，比如，一个机器人的手臂有7个不同方向的伺服电机，就代表这个机械手臂可以向7个不同方向转动，也可以说成有7个自由度，由此可见一个机器人自由度越多，就说明这个机器人得动作就越灵活。2.汽车发动机中主要有哪些传感器？发动机用传感器主要包括空气流量传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气与冷却液温度传感器、氧传感器、爆燃传感器等3.简述汽车电子点火系统的工作原理。汽车电脑ECU电子点火系统主要包括各种传感器、ECU和执行器（点火器、点火线圈、火花塞）。传感器主要有：曲轴位置传感器、发动机转速传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、车速传感器、爆燃传感器以及空调开关信号等。汽车电脑（ECU）接收到曲轴位置传感器发出的曲轴位置（G）信号，并根据空气流量信号（或进气歧管压力信号）和发动机转速信号，确定基本点火时刻（基本点火提前角）。与此同时，ECU接收其他各传感器发出的信号，对点火提前角进行修正。如发动机冷车起动时，由于发动机怠速控制装置的作用，运转速度较正常怠速时高，应增大点火提前角；暖机过程中，随着冷却液温度的升高，发动机转速逐渐降低，点火提前角应随之减小。4.简述第五代移动通信技术（5G）的特点。5G呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点，已经不再是一个单一的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术（4G后向演进技术）集成后的解决方案总称。5G将大大增强数百万智能手机用户的移动体验。除此之外5G还给我们带来物联网(I0T)和人工智能（AI）等领域全新的体验。在基础级技术领域，5G将提供比4G更快的数据速度，更高的数据容量，更好的覆盖范围，更低的延迟或更快的响应时间。这些优势的组合将超越提高智能手机使用体验，5G的诞生，将进一步改变我们的生活。5.智能手机中主要有哪些传感器？1.光线传感器2.距离传感器3.重力传感器4.加速度传感器5.磁阻传感器6.陀螺仪7.GPS8.近场通信（NFC）传感器9.霍尔感应器10.气压传感器11.心率传感器12.血氧传感器13.紫外线传感器6.简述电容指纹传感器的原理。电容指纹传感器原理是：手指构成电容的一极，另一极是硅晶片阵列，通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，从而描绘出指纹图像。美国Veridicom公司生产的FPS100固态指纹传感器是一种直接接触的指纹采集器件，它是一种低功耗、低价格、高性能的电容式指纹传感器。芯片集成有二维金属电极阵列传感器，其中金属电极是电容的一个极，而接触的手指作为另一个极，表面钝化层是中间的电介质。由于手指上纹路及深浅的存在，导致电容阵列的各个电容值的不同，通过测量并记录各点传感单元电容上的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。7.简述陀螺仪工作原理。原理：角动量守恒，一个正在高速旋转的物体（陀螺），它的旋转轴没有受到外力影响时，旋转轴的指向是不会有任何改变的。陀螺仪就是以这个原理作为依据，用它来保持一定的方向。三轴陀螺仪可以替代三个单轴陀螺仪，可同时测定6个方向的位置、移动轨迹及加速度。陀螺仪则可以对转动、偏转的动作做很好的测量。这样，就可以精确分析判断出使用者的实际动作，从而根据动作对手机做出相应的操作。8.简述智能制造的实现需要哪些技术产品的支持。智能制造实现需要多个层次上技术产品支持，主要包括传感器技术、工业机器人、3D打印、工业物联网、云计算、工业大数据、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能等，这些技术产品中会产生无数的商机和上市公司。中国工业企业智能制造五大部署重点都包括什么内容？中国工业企业智能制造五大部署重点依次为：数学化工厂（63%）、设备及用户价值深挖（62%）、工业物联网（48%）、重构生态及商业模式（36%）以及人工智能（21%）、从相关技术来看，受访企业所关注的相关技术包括工业软件、传感器技术、通信技术、人工智能、物联网、大数据分析等。10.简述《中国制造2025》提出的实现制造强国的战略目标。《中国制造2025》提出，通过“三布走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，我国制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。第12章思考题与习题填空题1.物联网是指通过各种信息传感器、\t"/item/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91/_blank"射频识别技术、\t"/item/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91/_blank"全球定位系统、\t"/item/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91/_blank"红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，采集物品的声、光、热、电、力学、化学、生物、信息，按约定的协议，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现对物品和过程的智能化感知、识别、定位和管理。2.无线传感器网络是由大量移动或静止传感器节点，通过无线通信方式组成的网络。3.无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点、移动通信或卫星通信网、数据管理中心、终端用户组成。二、综合题1.简述无线传感器网络的