传感器原理与应用习题课后答案第2章到第8章文档格式.docx

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在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自状态，而引起材料电导率的变化的现象。

　　光生伏特效应：

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。

8-3试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。

光电池：

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。

它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。

当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。

　　8-4通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？

它们对正确选用器件有什么作用？

8-5怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？

试举例说明。

不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。

因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。

　　光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。

　　8-6简述CCD图像传感器的工作原理及应用。

8-7何谓PSD？

简述其工作原理及应用。

　　8-8说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。

　　8-9试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。

8-10简述光电传感器的主要形式及其应用。

模拟式、开关式。

　　应用：

光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。

8-11举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。

　　8-12试说明图8-33（b）所示光电式数字测速仪的工作原理。

若采用红外发光器件为光源，虽看不见灯亮，电路却能正常工作，为什么？

当改用小白炽灯作光源后，却不能正常工作，试分析原因。

　　的砷化镓发光二极管作光源，宜采用哪几种光电元件作测

　　8-14手头有三种光电元件：

硫化铊光敏电阻、硫化铅光敏电阻、硅光敏三极管，用可见光为光源，请按

　　下列条件选用光电元件：

制作光电开关，开关频率约10Hz；

制作光电开关，开关频率约为104Hz；

作线性测量元件，响应时间10-1s。

　　8-15简述视觉传感器概念、结构组成和工作原理。

　　*8-16什么是外光电效应？

内光电效应？

光生伏特效应？

光电导效应？

8-17光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能？

　　8-18试述光敏电阻、光敏晶体管、光电池的器件结构和工作原理。

8-19当光源波长为—μm时宜采用哪种材料的光敏元件进行测量？

8-20叙述电荷耦合器件的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程。

CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片,CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。

每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。

　　转移电荷的工作过程：

如图三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图。

CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。

图（b）采用电注入方式。

当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包；

当P2极加上同样的电压时，于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布；

当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中。

然后，P3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱，以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。

随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。

终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。

　　8-21作为光波5μm红外线的传感器材料有哪些？

　　8-22作光电管的CdS材料和InSb晶体的性质差异是什么？

InSb光电管虽然响应速度快，但必须使用液体氮冷却。

8-23在用光开关检测物体的系统中，指出输出电压的时间波形。

光进入受光器输出电压为0V，光不进入时，输出6V，所以下图为所示波形。

　　8-24在用光开关检测物体的系统中，受光器的受光次数，可计算通过输送带上物体的个数，那么，用输送带搬运两种高度的物体时，画出能分别计算两种高度的物体个数的系统组成图。

在运输带两边分别设置发光器A和B，受光器A'

和B'

。

高度低的物体通过时，），受光器A'

受光但B'

不受光。

若是高低物体，则A'

都不受光。

因此可得b图的体统组成图。

受光时输出是0V，不受光时输出是6V。

因此，表1变成表2。

结果，分别数一数输出a,b为L，H时或者H，H时即可。

这是用逻辑电路和计数电路完成的。

　　8-25光电二极管二维阵列组成面型传感器进行图像检测，对图像的分辨率光电二极管的个数决定，试说明理。

面型传感器许多的单元构成二维平面，其中每一个小单元都是一个光电二极管，称为像素。

用面型传感器测量物体的形状所得的图像的分辨率最高只能是一个像素。

如果所测得图像长为l，对应N个像素，分辨率为l/N。

假设N为200，则分辨率最高只能使1/200。

8-26简述模拟式光电传感器的要求及工作方式。

模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。

属于这类的传感器的工作方式有：

被测物体本身是光辐射源，它释出的光射向光电元件；

　　被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数；

　　恒定光源射出的光投射到被测物体上，再从其表面反射到光电元件上，根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和状态；

　　被测物位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物阻挡光通量的多少来测定被测参数；

　　时差测距：

恒定光源发出的光投射于目的物，然后反射到光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离。

　　8-27光电效应可分几类？

说明其原理并指出相应的光电器件。

光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生电效应的现象。

分为：

外光电效应和内光电效应两种，其中内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

　　外光电效应：

在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。

条件：

小于红限波长即根据爱因斯坦光电效应方程，要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。

外光电效应多发生于金属和金属氧化物。

基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。

　　内光电效应：

半导体材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产生电效应。

光子能量必须大于材料的禁带宽度E。

内光电效应按其工作原理可分为两种：

　　1）光电导效应：

半导体受光照后电阻率变化的现象。

过程：

当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。

基于光电导效应原理工作的光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。

　　2）光生伏特效应：

光照产生电子-空穴对在结电场作用下，电子N区，空穴P区，其积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生电动势的现象，称为光生伏特效应，常称为光电池。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。

8-28光电器件的基本特性有哪些？

它们各是如何定义的？

1）光电流：

光敏元件的两端加上一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。

　　2）暗电流：

光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。

3）光照特性：

当光敏元件加一定电压时，光电流与光敏元件上光照度之间的关系。

　　4）光谱特性：

当光敏元件加一定电压时，若照射在光敏元件上的是一单色光，且入射光功率不变，光电流随入射光波长变化而变化的关系。

　　5）伏安特性：

在一定照度下，光电流与光敏元件两端的电压的关系。

　　6）频率特性：

在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光受不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流和灵敏度随调制频率变化的关系。

　　7）温度特性：

环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变的现象。

8-29硅光电池的结构是什么？

在N型硅片上渗入P型杂质形成一个大面积PN结而成。

　　8-30简述光电传感器的物理基础以及光电效应的种类和所对应的光敏元件。

物理基础：

光电效应。

　　在光线作用下能使电子逸出物体表面的称外光电效应，有光电管、光电倍增管。

在光线作用下能使电阻率改变的称内光电效应，有光敏电阻、光电管。

在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称光生伏特效应，有光电池。

　　8-31光电效应有哪几种类型？

与之对应的光电元件各有哪些？

简述各光电元件的优缺点。

光电效应根据产生结果的不同，通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。

光电管和光电倍增管是属于外光电效应的典型光电元件。

光电倍增管的优点是灵敏度高，比光电管高出几万倍以上，输出线性度好，频率特性好；

缺点是体积大，易破碎，工作电压高达上千伏，使用不方便。

因此它一般用于微光测量和要求反应速度很快的场合。

　　基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管。

光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外线区域到红外线区域，而且体积小，性能稳定，价格较低，所以被广泛应用在自动监测系统中。

在使用光敏电阻时，光电流并不是随光强改变而立刻做出相应的变化，而是具有一定的滞后，这也是光敏电阻的缺点之一。

光敏三极管的灵敏度比二极管高，但频率特性较差，暗电流较大。

光敏晶闸管输出功率比它们都大，主要用于光控开关电路及光耦合器中。

　　基于光生伏特效应的光电元件主要是光电池。

应用最广泛的是硅光电池，它具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高、能耐高温辐射等优点。

　　第2章电阻式传感器

　　2-1金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？

试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

相同点：

它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；

不同点：

金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；

而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。

　　对于金属材料，灵敏系数K0=Km=（1+2μ）+C（1-2μ）。

前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈，因此=；

后部分为电阻率随应变而变的部分。

金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

　　对于半导体材料，灵敏系数K0=Ks=（1+2μ）+πE。

前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE>

>

（1+2μ），因此K0=Ks=πE。

半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。

2-2从丝绕式应变计的横向效应考虑，应该如何正确选择和使用应变计？

在测量应力梯度较大或应力集中的静态应力和动态应力时，还需考虑什么因素？

　　2-3简述电阻应变计产生热输出的原因及其补偿办法。

电阻应变计的温度效应及其热输出两部分组成：

前部分为热阻效应所造成；

后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。

在工作温度变化较大时，会产生温度误差。

　　补偿办法：

1、温度自补偿法单丝自补偿应变计；

（2）双丝自补偿应变计　　2、桥路补偿法双丝半桥式；

补偿块法2-4试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。

原因：

UUR1R2R3R41RR2R3R41

（1）4R1R2R3R42R1R2R3R4上式分母中含ΔRi/Ri，是造成输出量的非线性因素。

无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri呈非

　　线性关系。

　　措施：

（1）差动电桥补偿法：

差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。

常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。

（2）恒流源补偿法：

误差主要于应变电阻ΔRi的变化引起工作臂电流的变化所致。

采用恒流源，可减小误差。

　　2-5如何用电阻应变计构成应变式传感器？

对其各组成部分有何要求？

一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；

另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。

　　要求：

非线性误差要小，力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。

　　2-6现有栅长3mm和5mm两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%。

欲用来测量泊松比μ=的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布。

试问：

应选用哪一种应变计？

为什么？

应选用栅长为5mm的应变计。

　　公式

　　dRdRd[（12）C（12）]xKmx知应力大小是通过测量应变片和（12）xRR电阻的变化率来实现的。

电阻的变化率主要受力后金属丝几何尺寸变化所致部分加上电阻率随应变而变的部分。

一般金属μ≈，因此（1+2μ）≈；

后部分为电阻率随应变而变

　　的部分。

以康铜为例，C≈1，C（1-2μ）≈，所以此时K0=Km≈。

显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

从结构尺寸看，栅长为5mm的丝式应变计比栅长为3mm的应变计在相同力的作用下，引起的电阻变化大。

　　2-7现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E210N/m、密度/cm2的钢构件承受谐振力作用下的应变，要求测量精度不低于%。

试确定构件的最大应变频率限。

机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。

当它依次通过一定厚度的基底、胶层（两者都很薄，可忽略不计）和栅长l而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。

应变计的这种响应迟后对动态（高频）应变测量，尤会产生误差。

fmax112vl6e式中v为声波在钢构件中传播的速度；

　　又知道声波在该钢构件中的传播速度为：

　　vE21011N/m21010kg/m2108m2/s2104m/s

　　可算得fmaxvl104m/s6e6%112kHz31010m32-8一试件受力后的应变为210；

丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度系数为

　　50106/C，线膨胀系数为14106/C；

试件的线膨胀系数为12106/C。

试求：

若温度升高

　　20℃时，应变计输出的相对误差。

　　2-9试推导图2-16所示四等臂平衡差动电桥的输出特性：

U0f（R/R）。

从导出的结果说明：

用电阻应变计进行非电量测量时为什么常采用差动电桥。

　　解：

全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得

　　UUR1R2R3R41RR2R3R41

（1）4R1R2R3R42R1R2R3R4全等桥臂，得

　　URUR1R2R3R41RR2R3R4U4R11

（1）=U14R1R2R3R42R1R2R3R44RR1可见输出电压U0与ΔRi/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。

即U0=f（ΔR/R）。

　　因为四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。

2-10为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件？

现用一等强度梁：

有效长l=150mm，固支处b=18mm，厚h=5mm，弹性模量E210N/mm，贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计，并接入四等臂差动电桥构成称得传感器。

悬臂梁上如何布片？

又如何接桥？

当

　　输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为多少？

当力F作用在弹性臂梁自端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当，极性相反，若分别粘贴应变片R1、R4和R2、R3，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力F成正比。

等强度悬臂梁的应变x526Fl不随应变片粘贴位置变化。

2b0hE1）悬臂梁上布片如图2-20a所示。

接桥方式如图2-20b所示。

这样当梁上受力时，R1、R4受拉伸力作用，阻值增大，R2、R3受压，阻值减小，使差动输出电压成倍变化。

可提高灵敏度。

　　2）当输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为：

计算如下：

b0h2E6Fl公式：

U0UiKxUiKFU0代入各参数算F=26KFlUib0hE1牛顿=千克力；

所以，F=。

此处注意：

F=m*g；

即力=质量*重力加速度；

1N=1Kg*/s2.

　　力的单位是牛顿和质量的单位是Kg；

所以称得的重量应该是。

　　2-11一圆筒型力传感器的钢质弹性筒截面为，弹性模量E210N/m；

4片阻值为R1=R2=R3=R4=120Ω，K=2的应变计如表2-7（a）所示布片，并接入差动全桥电路。

当加载后测得输出电压为U0=时，求载荷大小？

此时，弹性件贴片处的纵向应变和横向应变各多少？

　　112

　　2-12何谓压阻效应？

扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器相比有什么优点，有什么缺点？

如何克服？

“压阻效应”是指半导体材料的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。

　　优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。

　　缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；

灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在（3-5）%之间，因而使得测量结果有（±

3-5）%的误差。

　　压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的影响。

2-13设计压阻式传感器时选择硅片晶面及布置扩散电阻条的位置和方向有什么讲究？

举例说明之。

　　2-14有一扩散硅压阻式加速度传感器如图2-31所示，4个扩散电阻接入图2-16所示测量电桥。

已知硅梁的刚度系数k2500N/m，质量块质量m=，空气构成阻尼，阻尼比为。

指出该传感器的敏感元件与转换元件；

求幅值相对误差不超过5%的频率范围。

　　2-15某扩散硅压力传感器采用（110）晶面N型硅膜片，4个扩散电阻条均径向布置如图2-30所示。

试说明扩散电阻布置的原则。

若电桥供桥电压为U，画出电桥原理图，推导电桥输出特性[U0f（RR）]和电压灵敏度[KuU0/]RR*2-16一应变片的电阻R=120Ω，k=，用作应变片为800μm/m的传感元件。

求ΔR/R和ΔR；

　　若电源电压U=3V，惠斯登电桥初始平衡，求输出电压U0。

　　dRdl[（12）C（12）]xKmx，此处x=800μm/m；

Rl所以

　　dRKmx103；

R103120；

R全桥电路连接时，输出电压可按下式计算：

　　U0UR式中n＝R2/R1，为桥臂比；

此处取四个电阻相等，所以n=1；

算得U0=。

R*2-17在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的应变片R1和R2，把这两片应变片接入差动电桥，若钢的泊松系数μ=，应变片的灵敏度系数k=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片的电阻变化ΔR1=Ω，求电桥的输出电压U0为多少？

　　RKx轴向应变引起的电阻变化；

可求的轴向应变系数x;

总的应变RRK1202系数xy

（1）x；

　　*7-10在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极插入钢水中测量钢水温度，如图7-10所示。

试说明测量钢水温度的基本原理？

为什么不必将工作端焊在一起？

要满足哪些条件才不影响测量精度？

采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？

如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？

　　1—钢水包；

2—钢熔融体；

3—热电极A、

测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应；

　　B4、7—补偿导

　　因为钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看

　　作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律；

　　线接线柱

　　如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料不行，因为，图7—10用浸入式热电偶测量熔融金属示意图塑料不导电，不能形成热电势。

　　*7-11用镍铬-镍硅热电偶测温度，已知冷端温度，求被测点温度？

查K分度表，热电偶在40℃时相对于0℃的热电势为：

;

公式：

U（t,0）U（t,40）U（40,0）=+=;

查K分度表得被测点温度值为：

740℃。

　　*7-12使用k型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为和。

当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？

公式U（900,0）U（900,30）U（30,0），得：

U（900,30）U（900,0）U（30,0）

　　当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为:

=。

　　7-13热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？

为消除冷端温度影响可采用哪些措施？

半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？

在电路中是怎样克服的？

7-14PN结为什么可以用来作为温敏元件？

7-15集成温度传感器的测温原理，有何特点？

　　7-16如果需要测量1000℃和20℃温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器？

7-17采用一只温度传感器能否实现绝对温度、摄氏温度、华氏温度的测量？

怎样做？

7-18热电阻传感器主