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1、*.传感器技术与应用第3版习题参考答案习题11. 什么叫传感器？它由哪几部分组成？ 答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 2. 传感器在自动测控系统中起什么作用？答：自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律定性了解、定量分析预期效果所从事的一系列技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置。一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四
2、部分组成。传感器的作用是对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量，提供给测量电路处理。3. 传感器分类有哪几种？各有什么优、缺点？答：传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等；另一种是按传感器的工作原理来分，如电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。还有按能量的关系分类，即将传感器分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器
3、。按被测输入量分类的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用；缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。按工作原理分类的优点是对传感器的工作原理比较清楚，有利于专业人员对传感器的深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。4. 什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述？答：传感器测量静态量时表现的输入、输出量的对应关系为静态特性。它有线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分辨力、稳定性、漂移等技术指标。 5. 为什么传感器要有良好的动态特性？什么是阶跃响应法和频率响应法？ 答：在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅
4、速准确地响应和再现被测信号的变化。因此，需要传感器具有良好的动态特性。测试和检验传感器的动态特性有瞬态响应法和频率响应法。阶跃响应法即瞬态响应法，是给传感器输入一个单位阶跃函数的被测量，测量其输出特性。动态特性优良的传感器的输出特性应该上升沿陡，顶部平直。频率响应法是给传感器输入各种频率不同而幅值相同，初相位为零的正弦函数的被测量，测量其输出的正弦函数输出量的幅值和相位与频率的关系。动态特性优良的传感器，输出的正弦函数输出量的幅值对于各频率是相同的，相位与各频率成线性关系。6. 传感器的性能指标有哪些？设计、制造传感器时应如何考虑？试举例说明？答：传感器有基本参数指标，例如量程、灵敏度、精度以
5、及动态特性的频率特性、上升时间、过冲量等；有环境参数指标，例如温度、气压、湿度等；有可靠性指标，例如寿命、平均无故障时间、绝缘电阻、耐压等；还有供电方式、外形尺寸、重量、安装方式等性能指标。在设计、制造传感器时应根据实际的需要与可能，在确保主要性能指标实现的基础上，放宽对次要性能指标的要求，以求得高的性能价格比。例如：测量体温的温度表用的是水银材料（精度高，水银低温时要冻结），而家庭使用测量室内温度的温度计用的是染色酒精（低温时不冻结，价格便宜）。习题21. 用K型（镍铬镍硅）热电偶测量炉温时，自由端温度t0=30，由电子电位差计测得热电势E(t,30)=37.724mV，求炉温t。答：参考端
6、（自由端）温度t0=30，由分度表2-1可查得 E(30,0)=1.203mv，若测得热电势E(t,30)= 37.724mv，则可得E(t,0)=E(t,30+E(30,0)= 37.724+1.203=38.927mv再查分度表可知炉温t=940。2. 热电偶主要分几种类型，各有何特点。我国统一设计型热电偶有哪几种？答：热电偶主要分普通型热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶。普通型热电偶由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，是工业测量上应用最多的热电偶；铠装热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用；薄膜热电偶适用于各种表面温度的测量。我国指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型
7、热电偶。3. 利用分度号Pt100铂电阻测温，求测量温度分别为t1=-100和t2=650的铂电阻Rt1、Rt2值。答：在-100铂电阻的电阻温度特性方程为： Rt=RO1+At+Bt2+Ct3(t-100)将R0=100、t1=-100、A= 3.968410-3/、B= -5.84710-7/2、C= -4.2210-12/4代入，可计算得到Rt=10013.968410-3（-100）（-5.84710-7）（-100）2（-4.2210-12）（-100）3（-100100）59.6在+650铂电阻的电阻温度特性方程为： Rt=RO(1+At+Bt2)将R0=100、t2=650、A=
8、 3.968410-3/、B= -5.84710-7/2代入，可计算得到Rt=100（13.968410-3650-5.84710-76502）3334. 利用分度号Cu100的铜电阻测温，当被测温度为50时,问此时铜电阻Rt值为多大？答： RtR0(1+t) R0为温度为0时铜电阻值，Cu100为100，1为常数；1=4.2810-3 -1。代入算得 Rt100（14.2810-350）121.45. 画出用四个热电偶共用一台仪表分别测量T1、T2、T3和T4的测温电路。若用四个热电偶共用一台仪表测量T1、T2、T3和T4的平均温度，电路又应怎样连接？答：（1）四个热电偶分别接电子开关，再接
9、同一台测量仪表，通过选通电子开关的办法，实现分别测量T1、T2、T3和T4的温度。（电子开关可以采用DG801802超导通电阻（最大导通电阻为0.4）电子开关， S端输入，D端输出，C端高电平时选通。）（2）四个热电偶并联再接测量仪表，可以实现共用一台仪表测量T1、T2、T3和T4的平均温度。图略，可参照图212。6. 硅二极管测温电路，如图2-25所示。当被测温度t为30时，输出电压为5V，当输出电压为10V时，问被测温度为多大？答：温度每变化1，输出电压变化量为0.1V。输出电压为10V时，被测温度为80。7. 利用如图2-28所示集成温度传感器测量温度，如果被测温度为30时，输出电压为3
10、03mV，问被测温度为120时，输出电压UR为多大？答：温度每变化1，输出电压变化量为1mV（每1度K与每1相同）。被测温度为120时，输出电压UR为303mV90mV，即393mV。8. 分析图2-29所示热电偶参考端温度补偿电路工作原理。答：集成温度传感器AD590应紧贴热电偶参考端，处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器，提供稳定输出电压U0=2.5V。电路工作时，调整电阻R2使得集成温度传感器AD590的随温度变化的输出电流的I1分量为 I1=t010-3I1的单位是mA，即1AK的电流。这样在电阻R1上产生一个随参考端温度t0变化的补偿电压U1=I1R1。选择R1使U1与EAB（
11、t0,0）近似相等。U1与热电偶输出电压EAB（t, t0）串联相加后输入测量仪表，起参考端温度补偿作用，测量仪表显示的为实际测量温度值。9. 正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻各有什么特性？各有哪些用途？哪一种热敏电阻可以做“可恢复熔丝”？答：正温度系数热敏电阻随温度升高阻值增大，阻值随温度的变化有线性型和突变型。负温度系数热敏电阻随温度升高阻值降低，阻值随温度的变化有突变型和负指数型。 线性型正温度系数热敏电阻和负指数型负温度系数热敏电阻适用于温度测量。突变型正温度系数热敏电阻和突变型负温度系数热敏电阻适用于温控开关和温度保护电路。突变型正温度系数热敏电阻可以做“可恢复熔丝”。温度升高
12、到突变值，电阻陡然升高，相当于保险丝熔断。当温度降低时，电阻陡然变小，相当于保险丝又恢复接通了。10. 参照冰箱热敏电阻温控电路，用热水器专用温度传感器设计热水器温度控制电路？答：如图，温度降低到一定值，继电器K接通，电加热器加热。温度升高到一定值，继电器K断开，电加热器停止加热。习题31. 弹性敏感元件的作用是什么？有哪些弹性敏感元件？如何使用？答：弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。有变换力的弹性敏感元件，例如等截面柱式、圆环式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。有变换压力的弹性敏感元件，例如弹簧管、波纹管、波纹膜片、膜盒和薄壁圆筒等，它可以把流
13、体产生的压力变换成位移量输出。应仔细分清不同弹性敏感元件的性能，根据测量物理量的性质、大小、测量条件和测量精度，选用合适的弹性敏感元件。2. 电阻应变片是根据什么基本原理来测量应力的？简述图3-9所示不同类型应变片传感器的特点。答：电阻应变片是把导体的机械应变转换成电阻应变，通过电阻测量来测量所受的应力。金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。图3-9所示丝绕式应变片粘贴性能好，能保证有效地传递变形，性能稳定，且可制成满足高温、强磁场、核辐射等特殊条件使用的应变片。缺点是U型应变片的圆弧型弯曲段呈现横向效应，H型应变片因焊点过多，可靠性下降。箔式应变片优
14、点是粘合情况好、散热能力较强、输出功率较大、灵敏度高等。在工艺上可按需要制成任意形状，易于大量生产，成本低廉。半导体应变片灵敏系数大、机械滞后小、频率响应快、阻值范围宽（可从几欧几十千欧），易于做成小型和超小型；但热稳定性差，测量误差较大。3. 图3-11（d）为应变片全桥测量电路，试推导其输出电压U0表达式。答：图3-11（d）是四个桥臂均为测量片的电路，且互为补偿，有应变时，必须使相邻两个桥臂上的应变片一个受拉，另一个受压。可以计算输出电压为 4. 利用图3-12分析石英晶体的压电效应。答：当在X轴向施加压力时，如图3-12（b）所示，各晶格上的带电粒子均产生相对位移，正电荷中心向B面移动
15、，负电荷中心向A面移动，因而B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。当在X轴向施加拉伸力时，如图3-12(c)所示，晶格上的粒子均沿X轴向外产生位移，但硅离子和氧离子向外位移大，正负电荷中心拉开，B面呈现负电荷，A面呈现正电荷。在Y方向施加压力时，如图3-12（d）所示，晶格离子沿Y轴被向内压缩， A面呈现正电荷，B面呈现负电荷。沿Y轴施加拉伸力时，如图3-12（e）所示,晶格离子在Y向被拉长，X向缩短，B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。5. MPX4100A型集成硅压力传感器由哪几部分电路组成？单晶硅压电传感器单元是如何工作的？为什么需要加温度补偿和放大电路？答：MPX4100A型集成硅压力传感器由3
16、部分电路组成，它们是单晶硅压电传感器单元，薄膜温度补偿器和第一级放大器，第二级放大器和模拟电压输出电路。单晶硅压电传感器单元受到垂直方向上的压力p时，该压力进入热塑壳体，作用于单晶硅压电传感器管芯，与密封真空室的参考压力相比较，使输出电压大小与压力p成正比。该电压经A/D转换成数字量后，可由微处理器计算出被测压力值。 单晶硅压电传感器本身的内阻比较大，而输出能量又比较小，且随温度的变化比较大，所以，通常需要加温度补偿和放大电路。6. 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试问不同接法输出电压、电流或电荷有什么不同？它们分别适合哪一种应用场合？答：以2片压电元件串、并联为例。压电元件2
17、片串联时，输出电容为单片的一半，输出电压为单片的一倍，极板上电荷量不变。压电元件2片并联时，输出电容为单片的一倍，输出电压与单片相同，极板上电荷量增加一倍。串联接法输出电压高，适用于以电压作为输出量，测量电路输入阻抗大的场合。并联接法输出电荷量大，输出电容大，时间常数大，适用于测量缓变信号和以电荷作为输出量，以及测量电路输入阻抗较小的场合。7. 电容式传感器分几种类型？各有什么特点？适用于什么场合？答：平行板电容器的和S不变，只改变电容器两极板间距离d，为变极距型电容传感器，电容变化与d的关系是线性的，常用于压力、加速度、振动的测量。改变电容器极板面积S，为变面积型电容传感器，电容变化是线性的
18、，灵敏度为常数，常用于作用力、角度、长度位移的测量。改变电容器的，为变介电常数型电容传感器，电容变化与介质进入电容器的长度x的关系是线性的，常用于作用力、位移、成分含量的测量。8. 已知变面积型电容式传感器两极板间距离为10mm，介电常数50Fm，两极板几何尺寸一样，为30 mm20 mm5 mm，在外力作用下，动极板向外移动了10 mm，试求电容量变化C和灵敏度Kx。答：a30 mm，b20 mm，d10 mm，x10 mm，50Fm。可以计算 C0abd3000F10003F， 电容量变化Cx C0a1F， 灵敏度Kxbd100Fm。9. 利用图3-22分析差动式电容传感器提高灵敏度的原理
19、。答：差动式电容传感器中间电极不受外力作用时，由于d1=d2=d0,所以C1=C2，则两电容差值C1-C2=0。中间电极若受力向上位移d，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为 可见，电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。10. 如图3-29所示交流电桥测量电路，静态时，Z1=Z2，电感量都是100mH，u0=0V；动态时，电感最大变化量L=10mH，若uAC=2sint(V)时，求动态最大输出电压Uo。答： L0100mH，L=10mH，UAC2V，动态最大输出电压UOL UACL00.2 （V）瞬时量u0=0.2sint (V) 11. 差动变隙式电感传感器是如何工作的？差动变压
20、器式传感器又是如何工作的？两种电感传感器工作原理有什么异同？答：闭磁路式自感传感器电感量L为：当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感变化为： 电感的相对变化为： 差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈和磁路组成，当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，一个线圈的电感量减小，形成差动工作形式，使灵敏度提高一倍。差动变压器式传感器有多种型式，螺线管式差动变压器由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。初级线圈输入激励电压，两个次级线圈感应的输出电压反相串联后输出。圆柱形铁芯受外力移动时，输出电压变化，可测位移方
21、向和距离。差动变隙式电感传感器是位移产生磁阻变化，造成自感量的变化，差动变压器式传感器是位移产生磁阻变化，造成互感量的变化。最后都要转换为电压输出进行测量。12. 如何用两个测力单元（重力传感器）组成加速度传感器？如何用加速度传感器测物体的垂直运动加速度和水平运动加速度？答：测力单元为差动式结构的变极距电容传感器。上下两块极板a、b为固定极板，与加速度传感器壳体固定成一体。中间极板c是活动的，与活动框连成一体，经弹簧锚定在壳体上，组成加速度传感器。加速度会使中间极板c向一个固定极板运动，从而使电容变化。测出变化量，即可测出加速度。加速度传感器壳体可以水平方向固定在被测设备上，测被测设备的水平方
22、向加速度；也可以竖直方向固定在被测设备上，测被测设备的竖直方向加速度（重力加速度以外）或静止时受到地球引力（重力）。单轴加速度传感器的两个测力单元是同方向的，两个测力单元电容变化相叠加，可增加输出信号强度。双轴加速度传感器的两个测力单元分别为X和Y方向，两个测力单元电容变化量相减，不仅可以测出加速度或静止时地球引力的大小，还可以测出方向。13. 试用ADXL320双轴加速度传感器设计一个手机跌落关机保护电路。答：跌落（失重）状态，ADXL320双轴加速度传感器的Xout和Yout输出端的输出都是1.500V，送入运算放大器比较器进行比较，输出为0V。将其作为触发信号，送入微处理器，触发运行关机
23、程序，进行关机。14. 手机和平板电脑的重力感应屏幕横竖显示方向转换是如何实现的？答：采用ADXL320双轴加速度传感器。当人们纵向（X方向）拿着手机或平板电脑时，XOUT端口和YOUT端口输出电压为XOUT1.500V， YOUT1.326V。分别接比较器A的正相输入端和反相输入端。比较器A输出高电平，送入微处理器，控制扫描电路进行X方向扫描和信号显示。当人们将拿着的手机或平板电脑转为横向（Y方向）时，XOUT端口和YOUT端口输出电压变为XOUT1.326V， YOUT1.500V。比较器A输出变为低电平，送入微处理器。微处理器控制扫描电路改为Y方向扫描和信号显示。习题41. 光电效应有哪
24、几种？与之对应的光电元件有哪些？请简述其特点。答：通常把光电效应分为三类：外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。根据这些光电效应可制成不同的光电转换器件（光电元件），如：光电管，光电倍增管，光敏电阻，光敏晶体管，光电池等。光电管的金属阳极A和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极上时，从阴极表面溢出的电子被具有正向电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。光电流I正比于光电子数，而光电子数又正比于光通量。光电倍增管的阴极和阳极间设置许多二次发射电极D1、D2、D3、，光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大倍，因此光电倍增管灵敏度极高。光敏电阻受到光照时，电阻率变小。光照愈强，阻
25、值愈低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电子也逐渐恢复原值。光敏晶体管有两个PN结，从而可以获得电流增益。光线通过透明窗口落在集电结上，在集电结附近产生电子-空穴对，大部分的电子穿越基区流向集电区，集电极电流IC是原始光电流的倍，灵敏度高。光电池基于光生伏特效应。当光照射在光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。2. 光电传感器可分为那几类，请分别举出几个例子加以说明。答：利用光电效应可制成了各种光电转换器件，即光电式传感器。众多的光电传感器中，最为成熟且应用最广的是可见光和近红外光传感器，热释电传感器属于中、远红外线传感器，光纤传感器属于传光型传感器。光电传感器的应用类型有两类。一类是模拟
26、量光电传感器，一类是开关量光电传感器。模拟量光电传感器有光辐射检测型，例如光电比色高温计；光透射检测型，例如液体、气体浑浊度计；光反射检测型，例如物体表面光洁度计。开关量光电传感器有稳定的“通”、“断”状态，例如长度、厚度测量仪，转速表，继电器开关等。3. 某光电开关电路如图4-40（a）所示，施密特触发反相器CD40106的输出特性如图4-40（b）所示。1）请分析该电路的工作原理；答：无光照时，光敏二极管VD1不导通，IC1的1端低电平， 2端输出高电平，晶体管VT1导通，继电器得电流吸合，将外接电路接通。有光照时，光敏二极管导通，IC1的1端高电平， 2端输出低电平，晶体管VT1截止，继
27、电器无电流释放，将外接电路断开。2）列表说明各元件的作用；答：元件作用元件作用VD1光敏二极管IC1施密特触发反相器VD2继电器反向感应电动势泄流R2隔离降压电阻R1向IC1提供输入电压K继电器RP调节向IC1输入电压大小VT1继电器导通激励晶体管3）光照从小到大逐渐增加时，继电器K的状态如何改变？反之当光照由大变小时继电器的状态如何改变？答：光照从小到大逐渐增加时，继电器由吸合状态滞后一段时间再变化到释放状态；当光照由大逐渐变小时，继电器由释放状态滞后一段时间再变化到吸合状态。滞后状态形成回差，保证了继电器不会在光照阈值点来回反复吸合和释放。 （a） （b） 图4 40 光电开关电路及特性（
28、a）电路； （b) CD40106的输出特性4. 某光敏晶体管在强光照时的光电流为2.5mA，选用的继电器吸合电流为50mA，直流电阻为200。现欲设计两个简单的光电开关，其中一个是有强光照时继电器吸合，另一个相反，是有强光照时继电器释放。请分别画出两个光电开关的电路图（只允许采用普通晶体管放大光电流），并标出电源极性及选用的电压值。 答： （a）强光照时继电器吸合 （b）强光照时继电器释放图（a）R1和RP共约300，图（b）R1约5k，R2和RP共约1k。5. 造纸工业中经常需要测量纸张的“白度”以提高产品质量，请你设计一个自动检测纸张“白度”的测量仪，要求：（1） 画出传感器简图；（2）
29、 画出测量电路简图；（3） 简要说明其工作原理。答：如图所示，光源照射白纸，反射光照射到光电池上，产生光生电动势输出，光生电动势大小与白纸反射光强度有关，反射光强度又与白纸的白度有关。该光生电动势经运算放大器放大后输出到测量仪表，或再经AD转换后输入计算机，测出白纸的白度。其测量的精度需用精确的白度仪进行校准。6. 在物理学中，与重力加速度g有关的公式为s=0t+gt2/2，式中0为落体初速度，t为落体经设定距离s所花的时间。请根据上式，设计一台测量重力加速度g的教学仪器，要求同第5题（提示：0可用落体通过一小段路程s0的平均速度0代替）。答：如图所示。图中1、5为RS触发器，2、6为高频脉冲
30、发生器，3、7为计数器，4、8为计算显示器。当物体自上向下自由落体时，首先遮断光源LEDA的光线，光敏二极管VDA输出低电平，触发RS触发器，使其Q端置“1”，与非门打开，高频脉冲可以通过，计数器3开始计数。当物体经过已知高度h1而遮挡 光源LEDB时，光敏二极管VDB输出低电平，RS触发器Q端置“0”，与非门关闭，高频脉冲不能通过，计数器3停止计数。设高频脉冲的频率f =1MHz，周期T=1s，若计数器所计脉冲数为n ，则可计算出物体通过已知高度h1所经历的时间为t1 =nT =ns ，则物体下落的平均速度为 V=h1/nT该平均速度近似作为自由落体的初速，由计算显示器4计算后输入计算显示器
31、8备用。物体继续向下自由落体，计数器7以同样的办法所计脉冲数为m, 可计算出物体通过已知高度h2所经历的时间为t2 =mT =ms。计算显示器8根据h2、t2、V和公式 h2Vt2gt22/2可计算得到重力加速度g。7. 标准化考试，学生用2B铅笔填涂答题卡，由机器阅卷评分。答题卡机器光电头首先将正确答题卡填涂信息录入到答题卡机器软件系统，然后将需要阅读的答题卡用光电头录入，与正确答题卡填涂信息对比，给出得分。试用学过的光电式传感器知识，设计一答题卡机器方案，画出框图。答：OMR 光标阅读器，如图。光标阅读器由机械传动部分、光电传感器部分和微处理器部分组成。一般可阅读16开、32开和64开信息
32、卡（答题卡）。信息卡边缘有定位同步带线。阅读速度一般2张秒。机械传动部分包括电动机、电机驱动、分纸机构和变速机构。光电传感器部分包括多个（例如43个）红外发光二极管和同样数量的光敏二极管，组成一个线型陈列。微处理器包括A/D转换器、CPU、RAM、EPROM、键盘和显示器，通过USB接口与PC机通信。光标阅读器组成框图如图所示。8. 光耦合器有哪几种结构？能做哪些用途？光耦合器在插卡式电源开关中起什么作用？答：光耦合器有窄缝透射式，可用于片状遮挡物体的位置检测，或码盘阅读、转速测量中；有反射式，可用于反光体的位置检测，对被测物不限制厚度；有全封闭式，用于前后级电路的隔离。插卡式电源开关中，光耦
33、合器由发光二极管和光敏晶体管组成。住宿卡插入光断路器的凹槽内，正好挡住光线，光敏晶体管截止，光断路器输出高电平，使VT1和VT2导通，继电器K工作，接通房间内的总电源。住宿人员外出，取走住宿卡，光线无阻挡，光敏晶体管导通，光断路器输出低电平，使VT1截止。C3起延时作用，其充的电放完后，VT2截止，继电器K断开，切断房间总电源。 习题51. CCD的MOS电容器阵列是如何将光照射转换为电信号并转移输出的？答：每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件，假定半导体衬底是P型硅，当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引存储在陷阱中。入射光强，则光生电荷多，
34、入射光弱，则光生电荷少。无光照的MOS电容器则无光生电荷。这样把光的强弱变成与其成比例的电荷的多少，实现了光电转换。若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的记忆。一个个的MOS电容器可以被设计排列成一条直线，称为线阵；也可以排列成二维平面，称为面阵。每一个光敏元件（像素）对应有三个相邻的栅电极1、2、3，在时序脉冲的作用下，三个相邻的栅电极依此为高电平，将电极1下的电荷依此吸引转移到电极3下。再从电极3下吸引转移到下一组栅电极的电极1。到整个一行的各像素都传送完，在CCD的末端就能依次接收到原存储在各个MOS电容器中的电荷。完成一行像素传送后，再进行第二行像素的传
35、送，直到传送完整个面阵上所有行的MOS电容器中的电荷为止，完成一帧像素的传送。2. CCD图像传感器上使用光敏元件与移位寄存器分离式的结构有什么优点？答：合而为一的结构，称为光积蓄式结构。这种结构最简单，但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所以再生图像往往产生“拖尾”，图像容易模糊不清。分离式结构采用光敏二极管阵列作为感光元件，光敏二极管在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷，再经过电注入法将这些电荷引入CCD电容器阵列的陷阱中，便成为用光敏二极管感光的CCD图像传感器。它的灵敏度极高，在低照度下也能获得清晰的图像，在强光下也不会烧伤感光面。3. 举例说明CCD图像传感器的用途。答：摄
36、像机、照相机、监视器、图像分析仪、物体形状检测仪、扫描仪、肠胃镜、液体浓度分析仪等。4. CMOS图像传感器与CCD图像传感器有什么不同？各有什么优缺点？答：CCD图像传感器是MOS电容器组成的阵列，CMOS图像传感器是按一定规律排列的互补型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）组成的阵列。互补型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）如下图所示。它是把与CMOS型放大器源极相连的P型半导体衬底充当光电变换器的感光部分。当CMOS型放大器的栅源电压时，CMOS型放大器处于关闭状态，即，CMOS型放大器的P型衬底受光信号照射产生并积蓄光生电荷，当积蓄过程结束，栅源之间加上开启电压时，源极通过漏
37、极负载电阻对外接电容充电形成电流即为光信号转换为电信号的输出。5. CCD彩色图像传感器在数码相机中起什么作用？数码相机存储卡上存储的是什么信号？答：变化的外界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感器上，当感觉满意的图像出现时，可由取景器电路发出信号锁定，再由CCD彩色图像传感器转换为串行模拟脉冲信号输出。该串行模拟脉冲信号由放大器放大，再由A/D转换器转换为数字信号，经ASIC集成电路压缩后，存储在PCMCIA卡（个人电脑存储卡国际接口标准）上。数码相机存储卡上存储的是经ASIC集成电路压缩后的外界景物的数字信号。 6. 平板电脑和手机的摄像头为什么一般都采用CMOS彩色图像传感器？CMOS图
38、像传感器采用什么方法提高低光照环境下的清晰度？答：CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。平板电脑和手机要延长电池充电后的使用时间，必须要尽可能省电。所以其摄像头一般都采用CMOS彩色图像传感器。新型背照式CMOS是将传统CMOS表面的电子电路布线层移到感光面的背部，使感光面前移接近微型透镜，能获得约两倍于传统正照式CMOS的光通量，从而使CMOS传感器可在低光照环境下、夜视环境下使用，低光照对焦能力也大大提高。习题61. 什么是霍尔效应？霍尔电压与哪些因素有关？答：在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的
39、方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。1）霍尔电压UH大小与材料的性质有关。2）霍尔电压UH与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到：3）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。2. 霍尔器件由什么材料构成？为什么用这些材料？答：由霍尔电压公式 设 ，得 式中，RH为霍尔系数，反映材料霍尔效应的强弱；KH为霍尔灵敏度，表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。一般来说，金属材料电子浓度n较大，导致和变小，故不宜做霍尔元件。霍尔元件一般采用N型半导体材料。3. 霍尔器件有哪些指标？使用时应注意什么？答： 输入电阻RIN和输出
40、电阻ROUT，要与电路匹配。额定控制电流IC，不能超过。不等位电势U0，要注意消除测量误差。霍尔电压UH，要符合测量要求。霍尔电压的温度特性，注意消除温度造成的测量误差。4. 什么是磁阻效应，产生的原因是什么？答：当霍尔元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的电路元件，叫做磁阻元件。产生的原因是当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角，这使电流流通的途径变长，导致磁阻元件两端金属电极间的电阻值增大。5. 阐述磁敏二极管的工作原理。答：磁敏二极管是平面P+-i-N+型结构的二极管。在电
41、路连接时，P+区接正电压，N+区接负电压， P+区向i区注入空穴，N+区向i 区注入电子。在没有外加磁场情况下，大部分的空穴和电子分别流入N区和P 区而产生电流，只有很少部分载流子在r区复合。若给磁敏二极管上加一个正向磁场，空穴和电子受洛仑兹力的作用偏向r区，由于空穴和电子在r区的复合速率大，载流子数量减少，使i区的电阻增大，压降也增大，正向电流减小。若给磁敏二极管上加一个反向磁场，载流子在洛仑磁力的作用力下，均偏离复合区r，结果与加正向磁场时的情况恰好相反，载流子数量增加，正向电流增大，电阻减小。6. 新型的磁传感器有哪些？工作原理如何？答：磁阻元件将磁信息转换成电阻变化，具有阻抗低、阻值随
42、磁场变化率大、非接触式测量、频率响应好、动态范围广及噪声小等特点，可广泛应用于无触点开关、压力开关、旋转编码器、角度传感器、转速传感器等场合。磁敏二极管、磁敏晶体管可以将磁信息转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点。它可广泛应用于磁场的检测、磁力探伤、转速测量、位移测量、电流测量、无触点开关、无刷直流电机等许多领域。7. 分析图6-16所示霍尔计数装置的工作原理。答：钢球为铁磁性材料，钢球到达，磁场增强，霍尔开关集成传感器UGN3020在增强磁场的作用下，输出霍尔电压增大为高电平，加在运算放大器的反向输入端，输出为低电平，晶体管截止，集电极输出高电平。钢
43、球离开，磁场减弱，霍尔开关集成传感器在减弱磁场的作用下，输出霍尔电压减小为低电平，加在运算放大器的反向输入端，输出为高电平，晶体管导通，集电极输出低电平。高、低电平变化为一个脉冲信号，输入到计数器进行计数。 8. 霍尔元器件在地磁场中会产生霍尔电压，其大小正比于霍尔元器件正面法线与磁子午线所成角度的余弦值，连接指示仪表后可做成航海罗盘。试画出航海罗盘的组成框图，解释罗盘的使用方法。答：霍尔元件在地磁场内旋转到不同的方位，可以得到霍尔电压输出为 UH=KHIBcosf(L/W) 式中：KH为霍尔灵敏度，I为输入霍尔元件电流值，B为地磁场的水平分量，为霍尔元件正面法线与地磁子午线的夹角，f(L/W
44、)为霍尔元件形状效应系数。航海罗盘的组成框图如下：将霍尔线性集成传感器SL3501的霍尔电压输出同指示仪表相连，就可以从仪表上读出方位角来。9. 简单叙述磁卡结构和磁卡阅读器的工作过程。为什么说磁卡是识别卡？答：磁条贴在磁卡的背面，磁条中有3条编码磁道，磁道之间有间隔。离磁卡边最近的是1磁道。各磁道的编码信息有主帐号、国家、持卡人姓名、失效日期、服务范围、货币类型、可用金额指数、允许输错次数、校验码等。刷卡速度为10120cms，在刷卡的过程中，阅读器通过电感线圈感应磁条上磁性（磁阻）的变化来读取数据，相当灵敏，准确度很高。阅读器读取的数据送入ATM机专用计算机。专用计算机通过网络交换中心与发
45、卡银行主机联系，检查帐号的合法性，通过专用计算机接口驱动点钞机、打印机进行点钞输出和打印输出。所谓识别卡，是指一种标识其持卡人和发行者的卡，卡上载有进行该卡预期应用所要求输入的数据。磁卡就是这种识别卡，卡上并没有用户所具有的资源信息，资源信息保存在发卡单位主机中。习题71. 用作位移测量的电位器传感器的主要作用有哪些？答：用作位移测量的电位器传感器由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，用机械运动调节电位器的转轴，将机械位移或其它能转换为位移的非电量，转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。2. 画图分析光栅位移传感器莫尔条纹放大作用原理，并讨论数量关系。答：莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下 移动，查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数，可由下式确定，即 当角较小时，例如=30，用弧度表示为1115，则K=115，表明莫尔