智能传感与检测技术徐小华课后参考答案

填空题1.金属半导体2.机械电阻值3.对臂阻值乘积相等4.两两5.电压二、综合题1.导体或半导体在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应的变化。2.半桥的输出电压是惠斯通电桥的两倍，全桥的输出是板桥的两倍。相同点是都与电源电压和应变片的应变成正比。3.气敏元件在高温下灵敏度大幅提高，它能烧去气敏元件附着的油污、尘埃等，起到清洗作用，并加速被测气体的吸附、脱出过程。4.气敏电阻是一种半导体敏感器件，它利用半导体材料对气体的吸附而使自身电阻率发生变化的机理进行测量的元件。5.湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。一、1、电容器电压电流频率2、极板相互遮盖面积介电常数极距3、变遮盖面积型、变极距型、变介电常数型二、1、电容量与、、三个参量有关，当改变、、三个参量中的任意一个，都会引起电容量的变化，若保持其中任意两个参量不变，只改变另一个参量，那么该参量的变化就能转换为电容量的变化。这就是电容式传感器的基本原理。2、优点：温度稳定性好、结构简单，适应性强、动态响应好、可以实现非接触测量，具有平均效应、灵敏度、分辨力高。缺点：输出阻抗高，负载能力差、寄生电容影响大、边缘效应带来的输出特性非线性三、1、0.19pF2、39.3mV一、填空题1.电感式传感器是利用电磁感应把被测物理量的变化转换成线圈的的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。2.自感式传感器是由铁芯、线圈和衔铁构成的，是将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。3.金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。二、综合题简述变气隙式自感传感器的测量原理。答：变气隙式自感传感器的测量原理是：铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或铁镍合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变化，引起磁路总磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。列举电涡流式传感器的应用场合。答：（1）、电涡流式传感器可制成开关量输出的检测元件，这时可使测量电路大为简化。目前，应用比较广泛的有接近传感器，也可用于技术金属零件的计数（见图3-9）；（2）、电涡流式传感器可用于测量转速。在一个旋转体上开一条或数条槽，或者将其加工成齿轮状，旁边安装一个电涡流式传感器。当旋转体转动时，传感器将周期性地改变输出信号，此电压信号经过放大整形后，可用频率计指示出频率值，算出转速；（3）、电涡流式传感器还可用于测量振幅第4章压电式传感器填空题1.压电元件一般有三类：第一类是石英晶体；第二类是压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。2.压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。3.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的压电效应；蜂鸣器中发出“嘀…嘀…”声的压电片发声原理是利用压电材料的逆压电效应。4.在实验室作检验标准用的压电仪表应采用sio2压电材料；能制成薄膜，粘贴在一个微小探头上、用于测量人的脉搏的压电材料应采用PVDF。5.使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量动态的力或压力。6.动态力传感器中，两片压电片多采用并联接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用串联接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。7.用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了逆压电效应原理。综合题1.简述压电式加速度传感器的结构及原理。压电式加速度传感器一般由壳体及装在壳体内的弹簧、质量块、压电元件和固定安装的基座组成。压电元件一般由两片压电片组成，并在压电片的两个表面镀银，输出端由银层或两片银层之间所夹的金属块上引出，输出端的另一根引线就直接和传感器的基座相连。在压电片上放置一个质量块，然后用硬弹簧对质量块预加载荷，然后将整个组件装在一个基座的金属壳体内。为了隔离基座的应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，增加传感器的抗干扰能力，基座一般要加厚或者采用刚度较大的材料制造。

使用时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，当其感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此可以认为质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用，这样，质量块就有一个正比于加速度的作用力作用在压电片上。通过压电片的压电效应，在压电片的表面上就会产生随振动加速度变化的电压，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出的电压与作用力成正比，即与传感器感受到的加速度成正比。将此电压输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出加速度，如在放大器中加适当的积分电路，就可以测出振动速度和位移。2.举例说明压电式传感器的应用。1）共振型压电式爆燃传感器共振型压电式爆燃传感器。主要由插头、插接器、压电元件等组成。传感器中的压电元件紧密的贴合在振荡片上，振荡片固定在传感器的基座上。工作原理：振荡片随发动机的振荡而振荡，压电元件随振荡片的振荡而发生变形，进而在其上产生一个电压信号。当发动机爆燃时，气缸的振动频率与传感器振荡片的固有频率相符合，此时振荡片产生共振，压电元件将产生最大的电压信号。2）压电式雨滴传感器。主要由振动板、压电元件、放大器、壳体及阻尼橡胶构成。振动板的作用是接收雨滴冲击能量，按自身固有的振动频率进行弯曲振动，并将振动传递给内侧压电元件上，压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压信号。当压电元件上出现机械变形时，在两侧的电极上就会产生电压。当雨滴滴落在振动板上时，压电元件上就会产生电压，电压大小与加到板上的雨滴的能量成正比，一般是0.5~300mV。放大器将压电元件上产生的电压信号放大后再输入到刮水器放大器中。第五章思考题与习题填空题热电偶作为温度传感器，测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度值。热电偶传感器广泛用来测量-200℃~1800℃范围内的温度，特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K的低温。2.热电偶冷端0℃恒温法是指在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以使冷端温度保持0℃。3.集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-50℃～±150℃之间的温度测量。二、简答题1.什么是热电效应？将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时，如T＞T0，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。2.热电偶分哪几种类型？热电偶的冷端温度补偿有哪些方法？根据热电极的材料，热电偶可分为难熔金属热电偶、贵金属热电偶、廉金属热电偶、非金属热电偶等；根据测温范围，热电偶可分为高温热电偶、中温热电偶、低温热电偶；根据工业标准化的情况，又分为标准化热电偶和非标准化热电偶。热电偶需要采取一定的措施进行冷端温度补偿，消除冷端温度变化和不为0℃时所引起的温度误差。常用的补偿措施有补偿导线法、冷端0℃恒温法、电桥补偿法等。3.简述热电阻测温原理，常用热电阻有哪些？他们的性能特点是什么？热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件），连接导线和显示或纪录仪表构成。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。热电阻按感温元件的材质分金属与半导体两类。金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻;

半导体有锗、碳和热敏电阻等。按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。按结构分为绕线型、薄膜型和厚膜型等。(1)铂热电阻铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是-200～850℃。除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。(2)铜热电阻铜热电阻的使用范围是-50～150℃，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250℃以上易氧化。铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。

4.什么是热敏电阻？热敏电阻的主要特点？热敏电阻是一种电阻值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。广泛应用于家电、汽车、测量仪器等领域。优点如下：电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10～100倍；结构简单，体积小，可以测量“点”温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；功耗小，不需要参考端补偿，适于远距离的测量与控制。缺点是阻值与温度的关系呈非线性，元件的稳定性和互换性较差。除高温热敏电阻外，不能用于350℃以上的高温。第6章思考题与习题一、填空题1.光电传感器通常是指能敏感检测到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。2.光照射到物体表面后产生的光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。3.热释电红外传感器由探测元件、场效应管匹配器和干涉滤光片组成。4.光纤传感器主要包括光纤、光源、光探测器和信号处理电路四个重要部分。二、综合题1.光电传感器在工业上的应用有哪几种形式的工作方式？由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点,加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。简述光纤传感器的原理及其应用实例。光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。信号的转换环节，将被测参数转换成为便于传输的光信号。信号的传输环节，利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。信号的接收与处理环节，将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。光纤传感器可以制造成传感各种不同物理信息（位置、声、磁、温度、旋转等）的器件，如：光纤位移传感器、光纤液位传感器等。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。思考题与习题填空题当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷。二、综合题1．图8-7是汽车倒车防碰装置的示意图。请根据学过的知识，分析该装置的工作原理。并说明该装置还可以有其它哪些用途？图8-7习题二（1）图超声波传感器在汽车中主要用于倒车提醒，使得驾驶员可以安全地倒车。其原理是，利用超声波探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出提示。超声波测距虽然目前在测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。该装置还可以用在自动化流水线工件检测。2.上网查阅电视机和汽车门遥控器的原理，说明除了超声波外，还可以采用哪些方法来进行遥控？各有哪些优缺点？实现遥控的方式很多，比如红外线、电磁波等，鼓励学生上网查阅。第9章参考答案一、填空题1.A/D转换模块、\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"放大器、\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"A/D转换器、\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"微处理器（\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"CPU）、\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"存储器2.位移的方向性、位移的放大作用3.增量式光电编码器、绝对式光电编码器4.直线式、旋转式5.定尺、滑尺、线位移二、简答题1.如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。2.磁栅位移传感器和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单，使用方便，动态范围大（1～20m）和磁信号可以重新录制等优点，其缺点是需要屏蔽和防尘。3.当滑尺任意绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。定尺滑A尺B241位C221置D243E2EAV2MN正弦绕组余弦绕组距离BDCOPBCDE如果滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。再移动至1/2节距处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相同。显然，在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图9-13中ABCDE。感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。设滑尺绕组的节距为2，它对应的感应电势按余弦函数规律将变化2。若滑尺的移动距离为x，则对应于感应电势以余弦函数将变化θ：三、综合应用题1.感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。设滑尺绕组的节距为2，它对应的感应电势按余弦函数规律将变化2。若滑尺的移动距离为x，则对应于感应电势以余弦函数将变化θ：因θ＝180°，2τ=2mm，故滑尺移动距离x=1mm。2.光栅传感器获得的四路原始信号，经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辨向电路辨向进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。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章机器视觉技术思考题与习题填空题机器视觉是使机器具有像人一样的视觉，从而实现各种检测、判断、识别等功能。2.图像边缘是图像最基本的特征，图像边缘存在于目标、背景和区域之间，3.图像边缘大致可以分为:阶梯状边缘、脉冲状边缘和屋顶状边缘。二、综合题1.描述典型的工业机器视觉系统包括哪几个组成部分？典型的工业机器视觉系统组成包括：图像采集单元：\t"/item/%E6%9C%BA%E5%99%A8%E8%A7%86%E8%A7%89/_blank"光源、\t"/item/%E6%9C%BA%E5%99%A8%E8%A7%86%E8%A7%89/_blank"镜头、视觉传感器（包括\t"/item/%E6%9C%BA%E5%99%A8%E8%A7%86%E8%A7%89/_blank"CCD和COMS）、采集卡等。图像处理分析单元：工控主机、图像处理软件、图形交互界面等。执行单元：接受数据和指令，通过电力、液压、气压实现运动的执行机构，如机械手或机械臂等执行机构。视觉传感器按照芯片类型主要分为电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，CCD)和互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)两大类，按照镜头和布置方式的不同又分为单目视觉传感器、多目视觉传感器和环视视觉传感器。2.数字图像处理分为哪些层次？如何理解各图像处理层次？数字图像处理的层次分为图像处理、图像分析、图像理解，如图11-3所示。图像处理指对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果，提取有用信息，便于机器自动识别，或通过编码以减少对其所需存储空间、传输时间或传输带宽的要求。图像处理是对图像之间进行的变换，输入的是图像，输出的也是图像。图像分析是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建对图像中目标的描述，是一个从图像到数据的过程。图像分析输入的是图像，输出的是数据。图像理解在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和相互联系，得出对图像内容的理解(对象识别)及对原来客观场景的解释(机器视觉)，从而指导相关的动作执行。图像理解借助机器视觉，通过知识、经验和机器学习来理解整个客观世界。图像理解输入的是数据，输出的是理解。3.图像边缘检测的基本思想是什么？如何实现图像的边缘检测？图像边缘是图像最基本的特征，是指其像素灰度急剧变化的像素集合。边缘存在于目标、背景和区域之间，边缘是位置的标志，也是图像匹配的重要特征。图像边缘检测的基本思想是：先检测图像中的边缘点，再按照策略或思路将边缘点连接成轮廓。边缘是所要提取目标和背景的分界线，所以边缘检测对于数字图像处理十分重要。图像边缘大致可以分为:阶梯状边缘、脉冲状边缘、屋顶状边缘。阶梯状边缘两边像素的灰度值明显不同，边缘位置容易检测；脉冲状边缘处于灰度值由小到大再到小的突变位置；屋顶状边缘处于灰度值由小到大再到小的逐渐变化转折点位置。实现图像的边缘检测，就是要用离散化梯度逼近函数根据二维灰度矩阵梯度向量来寻找图像灰度矩阵的灰度跃变位置，然后在图像中将这些位置的点连起来，构成图像边缘。第12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13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结构及组成部分。无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是由大量移动或静止的传感器节点，通过无线通信方式组成的网络。无线传感器网络是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的各种不同的传感器以及由它们组成的无线传感器网络来感知物质世界。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。2.简述无线射频识别装置的工作原理装有天线的RFID阅读器在工作过程中持续地发出一定频率的射频信号，当装有电子标签的物体接近射频信号所覆盖的区域时，根据查询信号中的命令要求，将存储在标签中的数据信息反射回阅读器。阅读器接收到电子标签反射回的信号后，经解码处理即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来。这些信息被传送到后台中央信息系统，后台系统根据运算，针对不同的设定做出相应的处理和控制。3.简述网络传感器的概念及发展趋势网络传感器是指在现场级实现了TCP/IP协议的传感器，这种传感器让现场测控数据能就近登录网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享。具体地说，网络传感器是采用标准的网络协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合在一起的智能传感器。网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从孤立元件向系统化、网络化发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展。因此，网络化智能传感器代表了传感器技术的发展方向。4.智慧校园的核心的特征是什么？智慧校园指的是以物联网为基础的智慧化的校园学习、工作和生活一体化环境，这个一体化环境以各种应用服务系统为载体，将教学、科研、管理和校园生活进行充分融合。智慧校园的核心的特征：一是为广大师生提供一个全面的智能感知环境和综合信息服务平台，提供基于角色的个性化定制服务；二是将基于计算机网络的信息服务融入学校的各个应用与服务领域，实现互联和协作；三是通过智能感知环境和综合信息服务平台，为学校与外部世界提供一个相互交流和相互感知的接口。举例说明物联网技术在智慧城市建设中的应用。智慧农业智慧医疗智慧校园智能工厂供电供水智慧交通智慧停车……13章习题答案一、填空题1.初级智能化、中级智能化和高级智能化2.被测信息流、内部控制信息流3.软件4.前面板、程序框图、图标/连接器5.输入、显示输出6.工具模板、控件模板、函数模板7.前面板、程序框图窗口二、简答题1.何谓智能检测？答：智能检测是检测设备模仿人类智