《傳感器技術(shù)及其工程應(yīng)用第2版》習(xí)題參考答案習(xí)題1什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中起什么作用？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)是人們對(duì)事物的規(guī)律定性了解、定量分析預(yù)期效果所從事的一系列技術(shù)措施。自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)是完成這一系列技術(shù)措施之一的裝置。一個(gè)完整的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，一般由傳感器、測(cè)量電路、顯示記錄裝置或調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。傳感器的作用是對(duì)通常是非電量的原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換為電量，提供給測(cè)量電路處理。2.傳感器分類(lèi)有哪幾種？各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？答：傳感器有許多分類(lèi)方法，但常用的分類(lèi)方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量來(lái)分，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等；另一種是按傳感器的工作原理來(lái)分，如電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、電勢(shì)型傳感器、電荷傳感器、半導(dǎo)體傳感器、諧振式傳感器、電化學(xué)式傳感器等。還有按能量的關(guān)系分類(lèi)，即將傳感器分為有源傳感器和無(wú)源傳感器；按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)，即將傳感器分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。按被測(cè)輸入量分類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用；缺點(diǎn)是沒(méi)有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。按工作原理分類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理比較清楚，有利于專(zhuān)業(yè)人員對(duì)傳感器的深入研究分析；缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。3.什么是傳感器的靜態(tài)特性？它由哪些技術(shù)指標(biāo)描述？答：傳感器測(cè)量靜態(tài)量時(shí)表現(xiàn)的輸入、輸出量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為靜態(tài)特性。它有線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯現(xiàn)象、分辨力、穩(wěn)定性、漂移等技術(shù)指標(biāo)。4.利用書(shū)上機(jī)械壓力傳感器的例子解釋什么是傳感器的幅頻特性和相頻特性？答：在動(dòng)態(tài)（快速變化）的輸入信號(hào)情況下，要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的變化。因此，需要傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試和檢驗(yàn)傳感器的動(dòng)態(tài)特性有瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。其中，頻率響應(yīng)法是給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同，初相位為零的正弦函數(shù)的被測(cè)量，測(cè)量其輸出的正弦函數(shù)輸出量的幅值與頻率的關(guān)系和相位與頻率的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)良的傳感器，輸出的正弦函數(shù)輸出量的幅值對(duì)于各頻率是相同的，相位與各頻率成線性關(guān)系。例如，彈簧阻尼器組成的機(jī)械壓力傳感器，幅頻特性、相頻特性分別為如圖所示，時(shí)間常數(shù)τ很小時(shí)，幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率成線性關(guān)系，輸出位移能真實(shí)地反應(yīng)輸入作用力的變化規(guī)律，與作用力頻率無(wú)關(guān)。5.用作傳感器的材料有哪些？各利用了它們的什么特性？答：半導(dǎo)體材料，對(duì)很多信息量具有敏感特性；陶瓷材料，耐熱性、耐腐蝕性、多孔性、光電性、介電性、壓電性；石英材料，壓電特性；金屬氧化物及合金材料，壓電薄膜特性；無(wú)機(jī)材料，敏感光纖材料；有機(jī)材料，半導(dǎo)體、光電、磁性、柔性等特性；生化材料，生物體固有分子識(shí)別能力；高分子敏感材料，壓電、熱釋電特性；合成材料，多層結(jié)構(gòu)；智能材料，感知、驅(qū)動(dòng)和控制特性。6.傳感器的性能指標(biāo)有哪些？設(shè)計(jì)、制造傳感器時(shí)應(yīng)如何考慮？試舉例說(shuō)明？答：傳感器有基本參數(shù)指標(biāo)，例如量程、靈敏度、精度以及動(dòng)態(tài)特性的頻率特性、上升時(shí)間、過(guò)沖量等；有環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，例如溫度、氣壓、濕度等；有可靠性指標(biāo)，例如壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、絕緣電阻、耐壓等；還有供電方式、外形尺寸、重量、安裝方式等性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)、制造傳感器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要與可能，在確保主要性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，放寬對(duì)次要性能指標(biāo)的要求，以求得高的性能價(jià)格比。例如：測(cè)量體溫的溫度表用的是水銀材料（精度高，水銀低溫時(shí)要凍結(jié)），而家庭使用測(cè)量室內(nèi)溫度的溫度計(jì)用的是染色酒精（低溫時(shí)不凍結(jié)，價(jià)格便宜）。7.傳感器在標(biāo)定時(shí)為什么要按標(biāo)準(zhǔn)量值的傳遞系統(tǒng)進(jìn)行？若用砝碼對(duì)一個(gè)0～5Kg稱(chēng)重的數(shù)字顯示可調(diào)電子秤進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，試列出操作步驟。答：為了保證標(biāo)定的各種量值的準(zhǔn)確一致，標(biāo)定應(yīng)按計(jì)量部門(mén)規(guī)定的檢定規(guī)程和管理辦法進(jìn)行。各種標(biāo)準(zhǔn)量值都有一個(gè)傳遞系統(tǒng)。按此系統(tǒng)，只能用上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定下級(jí)傳感器及配套的儀器；如果待標(biāo)定的傳感器精度較高，也可以跨級(jí)使用更高級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)裝置。標(biāo)定時(shí)應(yīng)注意同使用環(huán)境條件、安裝技術(shù)條件、配用電纜和放大器等一起標(biāo)定。對(duì)該電子稱(chēng)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，按其最大5Kg稱(chēng)重量，由小到大（0～5Kg）取10個(gè)不同重量的砝碼（或組合10個(gè)砝碼重量）。將砝碼從小到大，進(jìn)行稱(chēng)重，記錄顯示值。再將砝碼從大到小，進(jìn)行稱(chēng)重，記錄顯示值。重復(fù)3次。以砝碼重量為橫坐標(biāo)，顯示值為縱坐標(biāo)，作出電子稱(chēng)稱(chēng)重誤差曲線，重復(fù)性曲線和遲滯曲線。8.試計(jì)算傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。答：對(duì)式兩邊取拉氏變換，可以計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。得：式中：為時(shí)間常數(shù)，為靜態(tài)靈敏度?？傻梅l特性和相頻特性為：為了分析簡(jiǎn)單方便，可以令，則幅頻特性和相頻特性同書(shū)上例題一樣，為習(xí)題21.用K型（鎳鉻—鎳硅）熱電偶測(cè)量爐溫時(shí)，自由端溫度t0=30℃，由電子電位差計(jì)測(cè)得熱電勢(shì)E(t,30℃)=37.724mV，求爐溫t。答：參考端（自由端）溫度t0=30℃，由分度表2-1可查得E(30℃,0℃)=1.203mv，若測(cè)得熱電勢(shì)E(t,30℃)=37.724mv，則可得E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=37.724+1.203=38.927mv再查分度表可知爐溫t=940℃。2.熱電偶主要分幾種類(lèi)型，各有何特點(diǎn)。我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶有哪幾種？答：熱電偶主要分普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。普通型熱電偶由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成，是工業(yè)測(cè)量上應(yīng)用最多的熱電偶；鎧裝熱電偶耐高壓、反應(yīng)時(shí)間短、堅(jiān)固耐用；薄膜熱電偶適用于各種表面溫度的測(cè)量。我國(guó)指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。3.利用分度號(hào)Pt100鉑電阻測(cè)溫，求測(cè)量溫度分別為t1=-100℃和t2=650℃的鉑電阻Rt1、Rt2值。答：在-100℃鉑電阻的電阻—溫度特性方程為：Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]將R0=100Ω、t1=-100℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2、C=-4.22×10-12/℃4代入，可計(jì)算得到Rt=100［1＋3.9684×10-3×（-100）＋（-5.847×10-7）×（-100）2＋（-4.22×10-12）×（-100）3×（-100－100）］＝59.6Ω在+650℃鉑電阻的電阻—溫度特性方程為：Rt=RO(1+At+Bt2)將R0=100Ω、t2=650℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2代入，可計(jì)算得到Rt=100（1＋3.9684×10-3×650＋-5.847×10-7×6502）＝333Ω4.利用分度號(hào)Cu100的銅電阻測(cè)溫，當(dāng)被測(cè)溫度為50℃時(shí),問(wèn)此時(shí)銅電阻Rt值為多大？答：Rt≈R0(1+αt)R0為溫度為0℃時(shí)銅電阻值，Cu100為100Ω，α1為常數(shù)；α1=4.28×10-3℃-1。代入算得Rt≈100×（1＋4.28×10-3×50）＝121.4Ω5.畫(huà)出用四個(gè)熱電偶共用一臺(tái)儀表分別測(cè)量T1、T2、T3和T4的測(cè)溫電路。若用四個(gè)熱電偶共用一臺(tái)儀表測(cè)量T1、T2、T3和T4的平均溫度，電路又應(yīng)怎樣連接？答：（1）四個(gè)熱電偶分別接電子開(kāi)關(guān)，再接同一臺(tái)測(cè)量?jī)x表，通過(guò)選通電子開(kāi)關(guān)的辦法，實(shí)現(xiàn)分別測(cè)量T1、T2、T3和T4的溫度。（電子開(kāi)關(guān)可以采用DG801／802超導(dǎo)通電阻（最大導(dǎo)通電阻為0.4Ω）電子開(kāi)關(guān)，S端輸入，D端輸出，C端高電平時(shí)選通。）（2）四個(gè)熱電偶并聯(lián)再接測(cè)量?jī)x表，可以實(shí)現(xiàn)共用一臺(tái)儀表測(cè)量T1、T2、T3和T4的平均溫度。圖略，可參照?qǐng)D2－12。6.硅二極管測(cè)溫電路，如圖2-16所示。當(dāng)被測(cè)溫度t為30℃時(shí)，輸出電壓為5V，當(dāng)輸出電壓為10V時(shí)，問(wèn)被測(cè)溫度為多高？答：溫度每變化1℃，輸出電壓變化量為0.1V。輸出電壓為10V時(shí)，被測(cè)溫度為80℃。7.利用如圖2-27所示集成溫度傳感器測(cè)量溫度，如果被測(cè)溫度為30℃時(shí)，輸出電壓為303mV，問(wèn)被測(cè)溫度為120℃時(shí)，輸出電壓UR為多高？答：溫度每變化1℃，輸出電壓變化量為1mV（每1度K與每1℃相同）。被測(cè)溫度為120℃時(shí)，輸出電壓UR為303mV＋90mV，即393mV。8.分析圖2-28所示熱電偶參考端溫度補(bǔ)償電路工作原理。答：集成溫度傳感器AD590應(yīng)緊貼熱電偶參考端，處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定輸出電壓U0=2.5V。電路工作時(shí)，調(diào)整電阻R2使得集成溫度傳感器AD590的隨溫度變化的輸出電流的I1分量為I1=t0×10-3I1的單位是mA，即1μA／K的電流。這樣在電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度t0變化的補(bǔ)償電壓U1=I1R1。選擇R1使U1與EAB（t0,0℃）近似相等。U1與熱電偶輸出電壓EAB（t,t0）串聯(lián)相加后輸入測(cè)量?jī)x表，起參考端溫度補(bǔ)償作用，測(cè)量?jī)x表顯示的為實(shí)際測(cè)量溫度值。9.正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻各有什么特性？各有哪些用途？哪一種熱敏電阻可以做“可恢復(fù)熔絲”？答：正溫度系數(shù)熱敏電阻隨溫度升高阻值增大，阻值隨溫度的變化有線性型和突變型。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻隨溫度升高阻值降低，，阻值隨溫度的變化有突變型和負(fù)指數(shù)型。線性型正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)指數(shù)型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻適用于溫度測(cè)量。突變型正溫度系數(shù)熱敏電阻和突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻適用于溫控開(kāi)關(guān)和溫度保護(hù)電路。突變型正溫度系數(shù)熱敏電阻可以做“可恢復(fù)熔絲”。溫度升高到突變值，電阻陡然升高，相當(dāng)于保險(xiǎn)絲熔斷。當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻陡然變小，相當(dāng)于保險(xiǎn)絲又恢復(fù)接通了。10.參照電冰箱熱敏電阻溫控電路，用熱水器專(zhuān)用溫度傳感器設(shè)計(jì)熱水器溫度控制電路？答：如圖，溫度降低到一定值，繼電器K接通，電加熱器加熱。溫度升高到一定值，繼電器K斷開(kāi)，電加熱器停止加熱。習(xí)題31.彈性敏感元件的作用是什么？有哪些彈性敏感元件？如何使用？答：彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。有變換力的彈性敏感元件，例如等截面柱式、圓環(huán)式、等截面薄板、懸臂梁及軸狀等結(jié)構(gòu)。有變換壓力的彈性敏感元件，例如彈簧管、波紋管、波紋膜片、膜盒和薄壁圓筒等，它可以把流體產(chǎn)生的壓力變換成位移量輸出。應(yīng)仔細(xì)分清不同彈性敏感元件的性能，根據(jù)測(cè)量物理量的性質(zhì)、大小、測(cè)量條件和測(cè)量精度，選用合適的彈性敏感元件。2.電阻應(yīng)變片是根據(jù)什么基本原理來(lái)測(cè)量應(yīng)力的？簡(jiǎn)述圖3-9所示不同類(lèi)型應(yīng)變片傳感器的特點(diǎn)。答：電阻應(yīng)變片是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，通過(guò)電阻測(cè)量來(lái)測(cè)量所受的應(yīng)力。金屬電阻應(yīng)變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、應(yīng)變花等。圖3-9所示絲繞式應(yīng)變片粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形，性能穩(wěn)定，且可制成滿(mǎn)足高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射等特殊條件使用的應(yīng)變片。缺點(diǎn)是U型應(yīng)變片的圓弧型彎曲段呈現(xiàn)橫向效應(yīng)，H型應(yīng)變片因焊點(diǎn)過(guò)多，可靠性下降。箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)是粘合情況好、散熱能力較強(qiáng)、輸出功率較大、靈敏度高等。在工藝上可按需要制成任意形狀，易于大量生產(chǎn)，成本低廉。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)大、機(jī)械滯后小、頻率響應(yīng)快、阻值范圍寬（可從幾歐～幾十千歐），易于做成小型和超小型；但熱穩(wěn)定性差，測(cè)量誤差較大。3.圖3-11（d）為應(yīng)變片全橋測(cè)量電路，試推導(dǎo)其輸出電壓U0表達(dá)式。答：圖3-11（d）是四個(gè)橋臂均為測(cè)量片的電路，且互為補(bǔ)償，有應(yīng)變時(shí)，必須使相鄰兩個(gè)橋臂上的應(yīng)變片一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓?？梢杂?jì)算輸出電壓為4.利用圖3-12分析石英晶體的壓電效應(yīng)。答：當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，如圖3-12（b）所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，正電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，因而B(niǎo)面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉伸力時(shí)，如圖3-12(c)所示，晶格上的粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，但硅離子和氧離子向外位移大，正負(fù)電荷中心拉開(kāi)，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷，A面呈現(xiàn)正電荷。在Y方向施加壓力時(shí)，如圖3-12（d）所示，晶格離子沿Y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。沿Y軸施加拉伸力時(shí)，如圖3-12（e）所示,晶格離子在Y向被拉長(zhǎng)，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。5.利用圖3-18（a）等效電路分析該壓電傳感器電路為什么不能用于靜態(tài)力的測(cè)量？答：前置放大器輸入端電壓Ui復(fù)數(shù)形式為當(dāng)作用于壓電元件力為靜態(tài)力時(shí)，ω=0，則前置放大器的輸入電壓等于零，因此壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。6.如圖3-19所示，壓電陶瓷片d33=5×10-10C/N，反饋電容Cf=0.01若輸出電壓U0=0.4V,求壓電傳感器受力為多大？答：由算得Q＝0.01×10-6×0.4＝0.004×10-6由算得壓電傳感器受力F＝0.004×10-6／5×10-10＝8N（牛頓）7.利用圖3-26分析差動(dòng)式電容傳感器提高靈敏度的原理。答：差動(dòng)式電容傳感器中間電極不受外力作用時(shí)，由于d1=d2=d0,所以C1=C2，則兩電容差值C1-C2=0。中間電極若受力向上位移Δd，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為可見(jiàn)，電容傳感器做成差動(dòng)型后之后，靈敏度提高一倍。8.閉磁路總磁阻由哪兩部分組成？其中哪部分起主要作用？它對(duì)所繞線圈的電感量影響如何？答：磁路總磁阻是由兩部分組成，即導(dǎo)磁體磁阻Rm1和氣隙磁阻Rmo，其中氣隙磁阻Rmo起主要作用，它對(duì)所繞線圈的電感量影響大。氣隙變化量越小，非線性失真越??；氣隙越小，靈敏度越高。9.差動(dòng)變隙式電感傳感器是如何工作的？差動(dòng)變壓器式傳感器又是如何工作的？?jī)煞N電感傳感器工作原理有什么異同？答：閉磁路式自感傳感器電感量L為：當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感變化為：電感的相對(duì)變化為：差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈和磁路組成，當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)工作形式，使靈敏度提高一倍。差動(dòng)變壓器式傳感器有多種型式，螺線管式差動(dòng)變壓器由初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。初級(jí)線圈輸入激勵(lì)電壓，兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)的輸出電壓反相串聯(lián)后輸出。圓柱形鐵芯受外力移動(dòng)時(shí)，輸出電壓變化，可測(cè)位移方向和距離。差動(dòng)變隙式電感傳感器是位移產(chǎn)生磁阻變化，造成自感量的變化，差動(dòng)變壓器式傳感器是位移產(chǎn)生磁阻變化，造成互感量的變化。最后都要轉(zhuǎn)換為電壓輸出進(jìn)行測(cè)量。10.MPX4100A型集成硅壓力傳感器由哪幾部分電路組成？單晶硅壓電傳感器單元是如何工作的？為什么需要加溫度補(bǔ)償和放大電路？答：MPX4100A型集成硅壓力傳感器由3部分電路組成，它們是單晶硅壓電傳感器單元，薄膜溫度補(bǔ)償器和第一級(jí)放大器，第二級(jí)放大器和模擬電壓輸出電路。單晶硅壓電傳感器單元受到垂直方向上的壓力p時(shí)，該壓力進(jìn)入熱塑殼體，作用于單晶硅壓電傳感器管芯，與密封真空室的參考?jí)毫ο啾容^，使輸出電壓大小與壓力p成正比。該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可由微處理器計(jì)算出被測(cè)壓力值。單晶硅壓電傳感器本身的內(nèi)阻比較大，而輸出能量又比較小，且隨溫度的變化比較大，所以，通常需要加溫度補(bǔ)償和放大電路。11.指套式電子血壓計(jì)中采用了哪種傳感器？如何實(shí)現(xiàn)血壓測(cè)量？答：指套式電子血壓計(jì)是利用放在指套上的壓力傳感器。把手指的血壓變?yōu)殡娦盘?hào)，由電子檢測(cè)電路處理后直接顯示出血壓值的一種微型測(cè)量血壓裝置。指套的外圈為硬性指環(huán)，中間為柔性氣囊。它直接和壓力源相連，旋動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)時(shí)，柔性氣囊便會(huì)被充入氣體，使產(chǎn)生的壓力作用到手指的動(dòng)脈上。把手指的血壓脈動(dòng)最大值和最小值變?yōu)槊}沖電信號(hào)，由電子檢測(cè)電路處理后直接顯示出血壓值。習(xí)題41.光電效應(yīng)有哪幾種？與之對(duì)應(yīng)的光電元件有哪些？請(qǐng)簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。答：通常把光電效應(yīng)分為三類(lèi)：外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。根據(jù)這些光電效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換器件（光電元件），如：光電管，光電倍增管，光敏電阻，光敏晶體管，光電池等。光電管的金屬陽(yáng)極A和陰極K封裝在一個(gè)玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的陽(yáng)極所吸引，在光電管中形成電流，稱(chēng)為光電流。光電流Iφ正比于光電子數(shù)，而光電子數(shù)又正比于光通量。光電倍增管的陰極和陽(yáng)極間設(shè)置許多二次發(fā)射電極D1、D2、D3、…，光電倍增管陽(yáng)極得到的光電流比普通光電管大倍，因此光電倍增管靈敏度極高。光敏電阻受到光照時(shí)，電阻率變小。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失，電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電子也逐漸恢復(fù)原值。光敏晶體管有兩個(gè)PN結(jié)，從而可以獲得電流增益。光線通過(guò)透明窗口落在集電結(jié)上，在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，大部分的電子穿越基區(qū)流向集電區(qū)，集電極電流IC是原始光電流的β倍，靈敏度高。光電池基于光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射在光電池上時(shí)，可以直接輸出電動(dòng)勢(shì)及光電流。2.光電傳感器可分為那幾類(lèi)，請(qǐng)分別舉出幾個(gè)例子加以說(shuō)明。答：利用光電效應(yīng)可制成了各種光電式傳感器。眾多的光電傳感器中，最為成熟且應(yīng)用最廣的是可見(jiàn)光和近紅外光傳感器，熱釋電傳感器屬于中、遠(yuǎn)紅外線傳感器，光纖傳感器屬于傳光型傳感器。光電傳感器的應(yīng)用類(lèi)型有兩類(lèi)。一類(lèi)是模擬量光電傳感器，一類(lèi)是開(kāi)關(guān)量光電傳感器。模擬量光電傳感器有光輻射檢測(cè)型，例如光電比色高溫計(jì)；光透射檢測(cè)型，例如液體、氣體渾濁度計(jì)；光反射檢測(cè)型，例如物體表面光潔度計(jì)。開(kāi)關(guān)量光電傳感器有穩(wěn)定的“通”、“斷”狀態(tài)，例如長(zhǎng)度、厚度測(cè)量?jī)x，轉(zhuǎn)速表，繼電器開(kāi)關(guān)等。3.某光電開(kāi)關(guān)電路如圖4-44（a）所示，施密特觸發(fā)反相器CD40106的輸出特性如圖4-44（b）所示。1）請(qǐng)分析該電路的工作原理；答：無(wú)光照時(shí)，光敏二極管VD1不導(dǎo)通，IC1的1端低電平，2端輸出高電平，晶體管VT1導(dǎo)通，繼電器得電流吸合，將外接電路接通。有光照時(shí)，光敏二極管導(dǎo)通，IC1的1端高電平，2端輸出低電平，晶體管VT1截止，繼電器無(wú)電流釋放，將外接電路斷開(kāi)。2）列表說(shuō)明各元件的作用；答：元件作用元件作用VD1光敏二極管IC1施密特觸發(fā)反相器VD2繼電器反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)泄流R2隔離降壓電阻R1向IC1提供輸入電壓K繼電器RP調(diào)節(jié)向IC1輸入電壓大小VT1繼電器導(dǎo)通激勵(lì)晶體管3）光照從小到大逐漸增加時(shí)，繼電器K的狀態(tài)如何改變？反之當(dāng)光照由大變小時(shí)繼電器的狀態(tài)如何改變？答：光照從小到大逐漸增加時(shí)，繼電器由吸合狀態(tài)滯后一段時(shí)間再變化到釋放狀態(tài)；當(dāng)光照由大逐漸變小時(shí)，繼電器由釋放狀態(tài)滯后一段時(shí)間再變化到吸合狀態(tài)。滯后狀態(tài)形成回差，保證了繼電器不會(huì)在光照閾值點(diǎn)來(lái)回反復(fù)吸合和釋放。（a）（b）圖4–44光電開(kāi)關(guān)電路及特性（a）電路；（b)CD40106的輸出特性4.某光敏晶體管在強(qiáng)光照時(shí)的光電流為2.5mA，選用的繼電器吸合電流為50mA，直流電阻為200Ω?，F(xiàn)欲設(shè)計(jì)兩個(gè)簡(jiǎn)單的光電開(kāi)關(guān)，其中一個(gè)是有強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合，另一個(gè)相反，是有強(qiáng)光照時(shí)繼電器釋放。請(qǐng)分別畫(huà)出兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)的電路圖（只允許采用普通晶體管放大光電流），并標(biāo)出電源極性及選用的電壓值。答：（a）強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合（b）強(qiáng)光照時(shí)繼電器釋放圖（a）R1和RP共約300Ω，圖（b）R1約5kΩ，R2和RP共約1kΩ。5.造紙工業(yè)中經(jīng)常需要測(cè)量紙張的“白度”以提高產(chǎn)品質(zhì)量，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)紙張“白度”的測(cè)量?jī)x，要求：畫(huà)出傳感器簡(jiǎn)圖；畫(huà)出測(cè)量電路簡(jiǎn)圖；簡(jiǎn)要說(shuō)明其工作原理。答：如圖所示，光源照射白紙，反射光照射到光電池上，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)輸出，光生電動(dòng)勢(shì)大小與白紙反射光強(qiáng)度有關(guān)，反射光強(qiáng)度又與白紙的白度有關(guān)。該光生電動(dòng)勢(shì)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后輸出到測(cè)量?jī)x表，或再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，測(cè)出白紙的白度。其測(cè)量的精度需用精確的白度儀進(jìn)行校準(zhǔn)。6.在物理學(xué)中，與重力加速度g有關(guān)的公式為s=υ0t+gt2/2，式中υ0為落體初速度，t為落體經(jīng)設(shè)定距離s所花的時(shí)間。請(qǐng)根據(jù)上式，設(shè)計(jì)一臺(tái)測(cè)量重力加速度g的教學(xué)儀器，要求同第5題（提示：υ0可用落體通過(guò)一小段路程s0的平均速度υ0’代替）。答：如圖所示。圖中1、5為RS觸發(fā)器，2、6為高頻脈沖發(fā)生器，3、7為計(jì)數(shù)器，4、8為計(jì)算顯示器。當(dāng)物體自上向下自由落體時(shí)，首先遮斷光源LEDA的光線，光敏二極管VDA輸出低電平，觸發(fā)RS觸發(fā)器，使其Q端置“1”，與非門(mén)打開(kāi)，高頻脈沖可以通過(guò)，計(jì)數(shù)器3開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)物體經(jīng)過(guò)已知高度h1而遮擋光源LEDB時(shí)，光敏二極管VDB輸出低電平，RS觸發(fā)器Q端置“0”，與非門(mén)關(guān)閉，高頻脈沖不能通過(guò)，計(jì)數(shù)器3停止計(jì)數(shù)。設(shè)高頻脈沖的頻率f=1MHz，周期T=1μs，若計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)為n，則可計(jì)算出物體通過(guò)已知高度h1所經(jīng)歷的時(shí)間為t1=nT=nμs，則物體下落的平均速度為V=h1/nT該平均速度近似作為自由落體的初速，由計(jì)算顯示器4計(jì)算后輸入計(jì)算顯示器8備用。物體繼續(xù)向下自由落體，計(jì)數(shù)器7以同樣的辦法所計(jì)脈沖數(shù)為m,可計(jì)算出物體通過(guò)已知高度h2所經(jīng)歷的時(shí)間為t2=mT=mμs。計(jì)算顯示器8根據(jù)h2、t2、V和公式h2＝Vt2＋gt22/2可計(jì)算得到重力加速度g。7.標(biāo)準(zhǔn)化考試，學(xué)生用2B鉛筆填涂答題卡，由機(jī)器閱卷評(píng)分。答題卡機(jī)器光電頭首先將正確答題卡填涂信息錄入到答題卡機(jī)器軟件系統(tǒng)，然后將需要閱讀的答題卡用光電頭錄入，與正確答題卡填涂信息對(duì)比，給出得分。試用學(xué)過(guò)的光電式傳感器知識(shí)，設(shè)計(jì)一答題卡機(jī)器方案，畫(huà)出框圖。答：OMR光標(biāo)閱讀器，如圖。光標(biāo)閱讀器由機(jī)械傳動(dòng)部分、光電傳感器部分和微處理器部分組成。一般可閱讀16開(kāi)、32開(kāi)和64開(kāi)信息卡（答題卡）。信息卡邊緣有定位同步帶線。閱讀速度一般2張／秒。機(jī)械傳動(dòng)部分包括電動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、分紙機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)。光電傳感器部分包括多個(gè)（例如43個(gè)）紅外發(fā)光二極管和同樣數(shù)量的光敏二極管，組成一個(gè)線型陳列。微處理器包括A/D轉(zhuǎn)換器、CPU、RAM、EPROM、鍵盤(pán)和顯示器，通過(guò)USB接口與PC機(jī)通信。光標(biāo)閱讀器組成框圖如圖所示。8.光耦合器有哪幾種結(jié)構(gòu)？能做哪些用途？光耦合器在插卡式電源開(kāi)關(guān)中起什么作用？答：光耦合器有窄縫透射式，可用于片狀遮擋物體的位置檢測(cè)，或碼盤(pán)閱讀、轉(zhuǎn)速測(cè)量中；有反射式，可用于反光體的位置檢測(cè)，對(duì)被測(cè)物不限制厚度；有全封閉式，用于前后級(jí)電路的隔離。插卡式電源開(kāi)關(guān)中，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。住宿卡插入光斷路器的凹槽內(nèi)，正好擋住光線，光敏晶體管截止，光斷路器輸出高電平，使VT1和VT2導(dǎo)通，繼電器K工作，接通房間內(nèi)的總電源。住宿人員外出，取走住宿卡，光線無(wú)阻擋，光敏晶體管導(dǎo)通，光斷路器輸出低電平，使VT1截止。C3起延時(shí)作用，其充的電放完后，VT2截止，繼電器K斷開(kāi)，切斷房間總電源。9.簡(jiǎn)單敘述熱釋電紅外傳感器工作原理和電路組成。答：若使某些強(qiáng)介電物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。這種現(xiàn)象在鈦酸鋇一類(lèi)的強(qiáng)介電物質(zhì)材料上表現(xiàn)得特別顯著。利用熱釋電效應(yīng)做成的熱釋電紅外線傳感器的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。用敏感元件PZT（鈦鋯酸鉛）做成的熱釋電紅外線傳感器電路如圖所示，在PZT（鈦鋯酸鉛）上下兩面做上電極，并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。其輸出阻抗極高，輸出電壓信號(hào)又極其微弱，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管FET放大器及厚膜源極輸出電阻，以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，減小輸出電阻，增大帶負(fù)載能力。10.光纖傳感器有哪兩種類(lèi)型？簡(jiǎn)單敘述光纖傳感器水源檢測(cè)設(shè)備工作原理。答：分為功能型傳感器和非功能型傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測(cè)量發(fā)生變化，利用光纖作為敏感元件，又稱(chēng)為傳感型光纖傳感器。非功能型傳感器是利用其他敏感元件來(lái)感受被測(cè)量變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，也稱(chēng)為傳光型光纖傳感器或稱(chēng)混合型光纖傳感器。光纖傳感器水源檢測(cè)設(shè)備如圖所示，由光纖傳感器、聚光鏡、CCD圖像傳感器、計(jì)算機(jī)組成。利用載體將對(duì)重金屬離子特別敏感的試劑覆膜于光纖的一端形成探頭，探頭放置于監(jiān)測(cè)水源中。照進(jìn)水源的太陽(yáng)光線經(jīng)探頭進(jìn)入光纖，被探頭覆膜顏色調(diào)制的光線由光纖傳輸至高清晰度CCD圖像傳感器成像，再由計(jì)算機(jī)與參照?qǐng)D像對(duì)比，判定重金屬種類(lèi)和含量。存儲(chǔ)器11.試畫(huà)出條形碼識(shí)讀設(shè)備電路組成粗框圖。存儲(chǔ)器模數(shù)變換計(jì)算機(jī)解碼、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理?xiàng)l碼電脈沖信號(hào)整形條碼電脈沖信號(hào)放大模數(shù)變換計(jì)算機(jī)解碼、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理?xiàng)l碼電脈沖信號(hào)整形條碼電脈沖信號(hào)放大顯示器掃描筆顯示器打印機(jī)打印機(jī)習(xí)題51.CCD的MOS電容器陣列是如何將光照射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并轉(zhuǎn)移輸出的？答：每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件，假定半導(dǎo)體襯底是P型硅，當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)（光生電荷），電子被柵極吸引存儲(chǔ)在陷阱中。入射光強(qiáng)，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無(wú)光照的MOS電容器則無(wú)光生電荷。這樣把光的強(qiáng)弱變成與其成比例的電荷的多少，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)消失，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的記憶。一個(gè)個(gè)的MOS電容器可以被設(shè)計(jì)排列成一條直線，稱(chēng)為線陣；也可以排列成二維平面，稱(chēng)為面陣。每一個(gè)光敏元件（像素）對(duì)應(yīng)有三個(gè)相鄰的柵電極1、2、3，在時(shí)序脈沖的作用下，三個(gè)相鄰的柵電極依此為高電平，將電極1下的電荷依此吸引轉(zhuǎn)移到電極3下。再?gòu)碾姌O3下吸引轉(zhuǎn)移到下一組柵電極的電極1。到整個(gè)一行的各像素都傳送完，在CCD的末端就能依次接收到原存儲(chǔ)在各個(gè)MOS電容器中的電荷。完成一行像素傳送后，再進(jìn)行第二行像素的傳送，直到傳送完整個(gè)面陣上所有行的MOS電容器中的電荷為止，完成一幀像素的傳送。2.CCD圖像傳感器上使用光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點(diǎn)？答：合而為一的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為光積蓄式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但是因光生電荷的積蓄時(shí)間比轉(zhuǎn)移時(shí)間長(zhǎng)得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。分離式結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極管在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷，再經(jīng)過(guò)電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強(qiáng)光下也不會(huì)燒傷感光面。3.舉例說(shuō)明CCD圖像傳感器的用途。答：攝像機(jī)、照相機(jī)、監(jiān)視器、圖像分析儀、物體形狀檢測(cè)儀、掃描儀、腸胃鏡、液體濃度分析儀等。4.CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器有什么不同？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：CCD圖像傳感器是MOS電容器組成的陣列，CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列。互補(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）如下圖所示。它是把與CMOS型放大器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放大器的柵源電壓時(shí)，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即，CMOS型放大器的P型襯底受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，當(dāng)積蓄過(guò)程結(jié)束，柵源之間加上開(kāi)啟電壓時(shí)，源極通過(guò)漏極負(fù)載電阻對(duì)外接電容充電形成電流即為光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的輸出。5.數(shù)字照相機(jī)是如何工作的？使用低檔、中檔和高檔數(shù)字照相機(jī)拍攝照片有什么不同效果？為什么？答：變化的外界景物通過(guò)鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上，當(dāng)感覺(jué)滿(mǎn)意的圖像出現(xiàn)時(shí)，可由取景器電路發(fā)出信號(hào)鎖定，再由CCD彩色圖像傳感器轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)輸出。該串行模擬脈沖信號(hào)由放大器放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)ASIC集成電路壓縮后，存儲(chǔ)在PCMCIA卡（個(gè)人電腦存儲(chǔ)卡國(guó)際接口標(biāo)準(zhǔn)）上。低擋、中擋和高檔數(shù)碼相機(jī)的CCD片的大小和感光元件的數(shù)量（即像素）不同，低檔、中檔的只有1／2英寸，200像素、330萬(wàn)像素，高檔的有2／3英寸，800像素、1200萬(wàn)像素，則照相的清晰度和層次都不同。6.在光線偏暗時(shí)，用手機(jī)拍攝的相片效果不好，清晰度不高，為什么？答：CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電。CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS圖像傳感器主要問(wèn)題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而過(guò)熱。暗電流抑制得好就問(wèn)題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。所以CMOS圖像傳感器對(duì)光源的要求要高一些，分辨率即清晰度也沒(méi)有CCD圖像傳感器高。新型背照式CMOS是將傳統(tǒng)CMOS表面的電子電路布線層移到感光面的背部，使感光面前移接近微型透鏡頭，能獲得約兩倍于傳統(tǒng)正照式CMOS的光通量，從而使CMOS傳感器可在低光照環(huán)境下、夜視環(huán)境下使用，低光照對(duì)焦能力也大大提高。7.二維碼如何尋像和定位？答：矩陣式二維碼，在矩陣的3個(gè)角落有像“回”字的正方圖案，連接左右兩個(gè)“回”字最下邊一橫和上下兩個(gè)“回”字最右邊一豎，為黑、白元素相間的兩條模塊。它們都是幫助解碼軟件尋像和定位用的。所以?huà)呙瓒S碼進(jìn)行識(shí)讀時(shí)，可以任何角度進(jìn)行。8.光纖內(nèi)窺鏡如何工作？答：光纖內(nèi)窺鏡如圖所示。工作時(shí)，將檢測(cè)探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部或病人腸胃器官內(nèi)，光源發(fā)出的光由傳光光纖束傳輸，照亮被測(cè)對(duì)象，由物鏡成像到傳像束的物鏡端，傳像束把被測(cè)對(duì)象的像素傳送到目鏡端。傳像束由玻璃光纖按陣列排列而成，一根傳像束一般由幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)條直徑為10～20μm的光纖組成，每一條光纖傳送一個(gè)像素的信息。傳送到傳像束目鏡端的像素可以通過(guò)目鏡成像，供人觀察，或送顯示器顯示。習(xí)題61.什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電壓與哪些因素有關(guān)？答：在置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱(chēng)為霍爾傳感器。1）霍爾電壓UH大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。2）霍爾電壓UH與元件的尺寸關(guān)系很大，生產(chǎn)元件時(shí)要考慮到：3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。2.霍爾器件由什么材料構(gòu)成？為什么用這些材料？答：由霍爾電壓公式設(shè)，得式中，RH為霍爾系數(shù)，反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱；KH為霍爾靈敏度，表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料電子濃度n較大，導(dǎo)致和變小，故不宜做霍爾元件。霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。3.霍爾器件有哪些指標(biāo)？使用時(shí)應(yīng)注意什么？答：輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT，要與電路匹配。額定控制電流IC，不能超過(guò)。不等位電勢(shì)U0，要注意消除測(cè)量誤差。霍爾電壓UH，要符合測(cè)量要求?；魻栯妷旱臏囟忍匦?，注意消除溫度造成的測(cè)量誤差。4.什么是磁阻效應(yīng)，產(chǎn)生的原因是什么？答：當(dāng)霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的電路元件，叫做磁阻元件。產(chǎn)生的原因是當(dāng)磁場(chǎng)垂直作用在磁阻元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場(chǎng)方向某個(gè)霍爾角θ，這使電流流通的途徑變長(zhǎng)，導(dǎo)致磁阻元件兩端金屬電極間的電阻值增大。5.闡述磁敏二極管的工作原理。答：磁敏二極管是平面P+-i-N+型結(jié)構(gòu)的二極管。在電路連接時(shí)，P+區(qū)接正電壓，N+區(qū)接負(fù)電壓，P+區(qū)向i區(qū)注入空穴，N+區(qū)向i區(qū)注入電子。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)情況下，大部分的空穴和電子分別流入N區(qū)和P區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少部分載流子在r區(qū)復(fù)合。若給磁敏二極管上加一個(gè)正向磁場(chǎng)，空穴和電子受洛侖茲力的作用偏向r區(qū)，由于空穴和電子在r區(qū)的復(fù)合速率大，載流子數(shù)量減少，使i區(qū)的電阻增大，壓降也增大，正向電流減小。若給磁敏二極管上加一個(gè)反向磁場(chǎng)，載流子在洛侖磁力的作用力下，均偏離復(fù)合區(qū)r，結(jié)果與加正向磁場(chǎng)時(shí)的情況恰好相反，載流子數(shù)量增加，正向電流增大，電阻減小。6.新型的磁傳感器有哪些？工作原理如何？答：磁阻元件將磁信息轉(zhuǎn)換成電阻變化，具有阻抗低、阻值隨磁場(chǎng)變化率大、非接觸式測(cè)量、頻率響應(yīng)好、動(dòng)態(tài)范圍廣及噪聲小等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等場(chǎng)合。磁敏二極管、磁敏晶體管可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無(wú)觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)的檢測(cè)、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測(cè)量、位移測(cè)量、電流測(cè)量、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、無(wú)刷直流電機(jī)等許多領(lǐng)域。7.分析圖6-16所示霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作原理。圖6-16霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作示意及電路答：鋼球?yàn)殍F磁性材料，鋼球到達(dá)，磁場(chǎng)增強(qiáng)，霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器UGN3020在增強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，輸出霍爾電壓增大為高電平，加在運(yùn)算放大器的反向輸入端，輸出為低電平，晶體管截止，集電極輸出高電平。鋼球離開(kāi)，磁場(chǎng)減弱，霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器在減弱磁場(chǎng)的作用下，輸出霍爾電壓減小為低電平，加在運(yùn)算放大器的反向輸入端，輸出為高電平，晶體管導(dǎo)通，集電極輸出低電平。高、低電平變化為一個(gè)脈沖信號(hào)，輸入到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。8.霍爾元器件在地磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓，其大小正比于霍爾元器件正面法線與磁子午線所成角度的余弦值，連接指示儀表后可做成航海羅盤(pán)。試畫(huà)出航海羅盤(pán)的組成框圖，解釋羅盤(pán)的使用方法。答：霍爾元件在地磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)到不同的方位，可以得到霍爾電壓輸出為UH=KHIBcosθf(wàn)(L/W)式中：KH為霍爾靈敏度，I為輸入霍爾元件電流值，B為地磁場(chǎng)的水平分量，θ為霍爾元件正面法線與地磁子午線的夾角，f(L/W)為霍爾元件形狀效應(yīng)系數(shù)。航海羅盤(pán)的組成框圖如下：將霍爾線性集成傳感器SL3501的霍爾電壓輸出同指示儀表相連，就可以從儀表上讀出方位角來(lái)。9.將圖6-13所示自動(dòng)供水電路改為樓道照明燈來(lái)人自動(dòng)亮燈電路。答：如圖所示。采用HN911熱釋電紅外傳感器作為探測(cè)模塊，平時(shí)1端輸出低電平，當(dāng)有人進(jìn)入監(jiān)視范圍時(shí)，熱釋電紅外傳感器接受到紅外能量，輸出1端變?yōu)楦唠娖?，電路運(yùn)行，VT2導(dǎo)通，照明燈點(diǎn)亮。人走后，延時(shí)一段時(shí)間后熄滅。照明燈可采用多個(gè)高亮度LED發(fā)光二極管串并聯(lián)組成的節(jié)能燈。習(xí)題71.用作位移測(cè)量的電位器傳感器是如何工作的？它的的主要主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？答：用作位移測(cè)量的電位器傳感器由電阻體、電刷、轉(zhuǎn)軸、滑動(dòng)臂、焊片等組成，轉(zhuǎn)軸和滑動(dòng)臂相連，在滑動(dòng)臂的一端裝有電刷，靠滑動(dòng)臂的彈性壓在電阻體上并與之緊密接觸。用機(jī)械運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)電位器的轉(zhuǎn)軸，帶動(dòng)滑動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械位移或其它能轉(zhuǎn)換為位移的非電量，轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起電路中輸出電壓的變化。電位器傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有：(1)最大阻值和最小阻值，指電位器阻值變化能達(dá)到的最大值和最小值；(2)電阻值變化規(guī)律，指電位器阻值變化的規(guī)律，例如對(duì)數(shù)式、指數(shù)式、直線式等；(3)線性電位器的線性度，指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差；(4)滑動(dòng)噪聲，指調(diào)電位器阻值時(shí)，滑動(dòng)接觸點(diǎn)打火產(chǎn)生的噪聲電壓的大小。2.畫(huà)圖分析光柵位移傳感器莫爾條紋放大作用原理，并討論數(shù)量關(guān)系。答：莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)，查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即當(dāng)θ角較小時(shí)，例如θ=30′，用弧度表示為1／115，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。這樣，就可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成為清晰可見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵的位移,從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。3.簡(jiǎn)單分析磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理。答：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、磁盤(pán)等組成。在磁盤(pán)上加工有齒形凸起，磁盤(pán)裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁盤(pán)的凸凹齒形將引起磁盤(pán)與永久磁鐵間氣隙大小變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。磁路通過(guò)感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時(shí)，感應(yīng)線圈會(huì)感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢(shì)，其頻率為f=Z·n式中：Z——磁輪的齒數(shù)；n——磁輪的轉(zhuǎn)數(shù)。測(cè)出脈沖頻率，即可得知被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速。如果磁電式轉(zhuǎn)速傳感器配接上數(shù)字電路，便可組成數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，可直接讀出被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速。4.光電式轉(zhuǎn)速傳感器可以在哪些工程和設(shè)備中獲得使用？答：光電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的范圍很寬，可以在機(jī)械、建筑、化工、電子工程中檢測(cè)、試驗(yàn)、控制汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、車(chē)床、攪拌機(jī)、計(jì)數(shù)器、流水線等轉(zhuǎn)速時(shí)獲得使用。光電式轉(zhuǎn)速傳感器特別適合測(cè)量很低的轉(zhuǎn)速，在精密轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)備、伺服設(shè)備、數(shù)字加工機(jī)床等設(shè)備中獲得更好使用。5.解釋導(dǎo)電式水位檢測(cè)器工作原理。答：如圖，當(dāng)水位低于檢知電極時(shí)，兩電極間呈絕緣狀態(tài)，檢測(cè)電路沒(méi)有電流流過(guò)，傳感器輸出電壓為零。如果水位上升到與檢知電極端都接觸時(shí)，由于水有一定的導(dǎo)電性，因此測(cè)量電路中有電流流過(guò)，指示電路中的顯示儀表就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在限流電阻兩端有電壓輸出。如果把輸出電壓和控制電路連接起來(lái)，便可對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。6.試設(shè)計(jì)一個(gè)多電極、多水位的水位控制系統(tǒng)。答：如圖低水位時(shí)，VT3基極無(wú)電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，VT2基極低電平導(dǎo)通，集電極高電平加到晶體管VT4基極，VT4導(dǎo)通，繼電器得電吸合，繼電器接點(diǎn)接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，給水箱加水。中水位時(shí)，VT3基極得電壓導(dǎo)通，VT2基極高電平截止，集電極低電平加到晶體管VT4基極，VT4截止，繼電器無(wú)電釋放。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路未獲得新觸發(fā)信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開(kāi)關(guān)維持打開(kāi)狀態(tài)，繼續(xù)給水箱加水。高水位時(shí)，VT1基極得電壓導(dǎo)通，集電極高電平加到晶體管VT4基極，VT4導(dǎo)通，繼電器得電吸合，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開(kāi)關(guān)再次觸發(fā)關(guān)閉，停止給水箱加水。到下一次低水位時(shí)重復(fù)以上加水過(guò)程。7.電磁式流量計(jì)是如何工作的？可以用于哪些液體流量測(cè)量？答：如圖，勵(lì)磁電壓信號(hào)為方波信號(hào)，由方波發(fā)生器發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)勵(lì)磁放大器功率放大后，送入傳感器的勵(lì)磁線圈進(jìn)行勵(lì)磁，絕緣導(dǎo)管便處于磁力線密度為B的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)導(dǎo)電性液體流經(jīng)絕緣導(dǎo)管時(shí)，電極上便會(huì)產(chǎn)生如下式所示的電動(dòng)勢(shì)：管道內(nèi)液體流動(dòng)的容積流量與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系為可以通過(guò)對(duì)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定，求出容積流量。電磁式流量計(jì)可以廣泛應(yīng)用于自來(lái)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學(xué)藥品、食品、礦漿等流量的檢測(cè)。8.什么是熱釋電傳感器？熱釋電紅外報(bào)警器是如何工作的？如果將該報(bào)警器改為自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)，則在電路上應(yīng)作哪些改動(dòng)？答：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)為熱釋電體，又稱(chēng)熱釋電元件。熱釋電紅外報(bào)警器是用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)探測(cè)人體發(fā)出的紅外線的一種傳感器。它用于防盜、報(bào)警、來(lái)客告之及非接觸開(kāi)關(guān)等設(shè)備中。人向熱釋電傳感器TTS—2120前移動(dòng)時(shí)，人體所釋放出的紅外線被熱釋電傳感器接收，產(chǎn)生脈動(dòng)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)通過(guò)電容器C1耦合輸入由運(yùn)算放大器IC1TL082構(gòu)成的低噪聲、高增益放大器放大。放大后的信號(hào)點(diǎn)亮發(fā)光二極管和驅(qū)動(dòng)電表指示，也可以觸發(fā)蜂鳴器或語(yǔ)音集成電路，告知有人員接近。若將該報(bào)警器改為自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)，則在電路上將TL082輸出信號(hào)放大后去接通繼電器，從而接通自動(dòng)門(mén)電源把門(mén)打開(kāi)，如圖所示。9.接近傳感器有哪幾種類(lèi)型？各種類(lèi)型接近傳感器的工作原理有什么不同？哪一種接近傳感器工作最穩(wěn)定可靠？答：接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件，又稱(chēng)為接近開(kāi)關(guān)。常見(jiàn)的接近傳感器有電容式、渦流式、霍爾效應(yīng)式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應(yīng)式、微波式、超聲波式等類(lèi)型。各種類(lèi)型的工作原理都是取自各自的傳感特性，例如，電容式是一個(gè)以電容的一個(gè)電極為檢測(cè)端的靜電電容接近傳感器，人體接近，電容值變化，其組成的振蕩電路振蕩頻率變化，從而獲得人體接近的信號(hào)。電磁感應(yīng)式的敏感元件是電感線圈，人體接近，電感組成的振蕩電路的振蕩頻率變化或停振，從而檢測(cè)出人體接近信號(hào)。熱釋電式接近傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)探測(cè)人體接近時(shí)發(fā)出的紅外線。熱釋電式接近傳感器工作最穩(wěn)定可靠。10.壓差式液位傳感器是利用什么原理測(cè)得液面高度的？如何利用壓差式液位傳感器進(jìn)行液面高度自動(dòng)控制？答：壓差式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因此通過(guò)壓力的測(cè)定便可得知液面的高度。壓差傳感器實(shí)際上是一個(gè)差動(dòng)電容式壓力傳感器。它由動(dòng)電極感壓膜片、固定電極隔壓膜片等組成。當(dāng)被測(cè)的壓力差加在高壓側(cè)（被測(cè)）和低壓側(cè)（參照）的輸入口時(shí)，該壓力差經(jīng)隔液膜片的傳遞作用于感壓膜片上，感壓膜片便產(chǎn)生位移，從而使動(dòng)電極與固定電極之間的電容量發(fā)生變化。通過(guò)電路測(cè)得電容變化量，便可測(cè)得被測(cè)液面高度。將檢測(cè)電路的輸出去控制液體輸入輸出閥門(mén)流量，便可實(shí)現(xiàn)液面高度自動(dòng)控制。11.差動(dòng)變壓器位移傳感器的差動(dòng)工作方式有什么優(yōu)點(diǎn)？答：差動(dòng)變壓器位移傳感器的差動(dòng)工作方式，兩個(gè)次級(jí)線圈相反極性串接，所以?xún)蓚€(gè)次級(jí)線圈中的感應(yīng)電壓UOUT1和UOUT2的相位相反，當(dāng)鐵芯處于中心對(duì)稱(chēng)位置時(shí)，則UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。當(dāng)鐵芯向兩端位移時(shí)，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值與鐵芯的位移成正比。差動(dòng)變壓器位移傳感器的差動(dòng)工作方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、線性度好和測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。習(xí)題81.簡(jiǎn)要說(shuō)明氣體傳感器有哪些種類(lèi)，并說(shuō)明它們各自的工作原理和特點(diǎn)。答：半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度的氣體傳感器。半導(dǎo)體氣體傳感器大體可分為電阻式和非電阻式兩大類(lèi)。固體電解質(zhì)式氣體傳感器這類(lèi)傳感器內(nèi)部不是依賴(lài)電子傳導(dǎo)，而是靠陰離子或陽(yáng)離子進(jìn)行傳導(dǎo)，因此，把利用這種傳導(dǎo)性能好的材料制成的傳感器稱(chēng)為固體電解質(zhì)傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器是將白金等金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成。使用時(shí)對(duì)金屬線圈通以電流，使之保持在300～600οC的高溫狀態(tài)，同時(shí)將元件接入電橋電路中的一個(gè)橋臂，調(diào)節(jié)橋路使其平衡。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱量進(jìn)一步使金屬絲升溫，造成器件阻值增大，從而破壞了電橋的平衡。其輸出的不平衡電流或電壓與可燃燒氣體濃度成比例，檢測(cè)出這種電流和電壓就可測(cè)得可燃性氣體的濃度。電化學(xué)式氣體傳感器包括離子電極型、定電位型、加伐尼電池型等種類(lèi)。集成型傳感器有兩類(lèi)：一類(lèi)是把敏感部分、加熱部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能；另一類(lèi)是把多個(gè)具有選擇性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一個(gè)襯底上，用微機(jī)處理和信號(hào)識(shí)別的方法對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行有選擇性的測(cè)定，這樣既可以對(duì)氣體進(jìn)行識(shí)別又可以提高檢測(cè)靈敏度。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明在不同場(chǎng)合分別應(yīng)選用哪種氣體傳感器較適宜。答：為防止常用氣體燃料如煤氣（H2、CO等），天然氣（CH4等）、液化石油氣（C3H8、C4H10等）及CO等氣體泄漏引起中毒、燃燒或爆炸，可以應(yīng)用可燃性氣體傳感器配上適當(dāng)電路制成報(bào)警器。目前在該報(bào)警器上大都使用SnO2氣體傳感器。但在濕度較大的場(chǎng)合例如廚房等，宜使用α-Fe2O3氣體傳感器為核心的報(bào)警器，因?yàn)榇祟?lèi)傳感器對(duì)濕度敏感性小，穩(wěn)定性較好。汽車(chē)為了節(jié)約能源，防止環(huán)境污染和保持一個(gè)良好的車(chē)內(nèi)環(huán)境，需要配備各種氣體傳感器?？刂迫伎毡?，需用氧傳感器；控制污染，檢測(cè)排放氣體，需用CO、NOx、HCl、O2等傳感器；內(nèi)部空調(diào)，需用CO、煙、濕度等傳感器。在控制燃空比中使用的傳感器最好選用固體電解質(zhì)的經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2傳感器。在Fe和Cu等礦物冶煉過(guò)程中常使用氧傳感器，在半導(dǎo)體工業(yè)中需用多種氣體傳感器，在食品工業(yè)中也常用氧傳感器。例如高爐用的氧傳感器。在鐵礦精煉時(shí)，使用的傳感器必須滿(mǎn)足600οC以上的高溫，耐熱沖擊性好，與熔融金屬不發(fā)生反應(yīng)，耐腐蝕，電阻小。因此常用經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2氧傳感器。在半導(dǎo)體工業(yè)中常用的氣體毒性大，需檢測(cè)濃度極低（為10-19級(jí)），需要能夠檢測(cè)極低濃度、可靠性好的傳感器。如果從保存方便、經(jīng)濟(jì)角度考慮，電化學(xué)氣體傳感器是最有希望應(yīng)用的。在食品工業(yè)方面，在對(duì)水產(chǎn)物的鮮度進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)時(shí)，常用氣體傳感器。如在魚(yú)的保鮮時(shí)，魚(yú)肉中有的核酸會(huì)分解，其消耗氧量可用電化學(xué)氧傳感器測(cè)定，也可用氧電極測(cè)定，以測(cè)鮮度。對(duì)于污染環(huán)境需要檢測(cè)的氣體有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，因?yàn)樾枰繙y(cè)量，宜選用電化學(xué)氣體傳感器。在家電中除用于可燃?xì)庑孤﹫?bào)警及換氣扇、抽油煙機(jī)的自動(dòng)控制外，也用于微波爐和燃?xì)鉅t等家用電器中。在微波爐中常選用SnO2氣體傳感器，氣體傳感器測(cè)量出從食品中發(fā)出氣體的濃度，可根據(jù)事先對(duì)不同食品的特性，選擇負(fù)載電阻，確定響應(yīng)時(shí)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)烹調(diào)的自動(dòng)控制。在燃?xì)鉅t中常使用ZrO2氣體傳感器測(cè)量燃空比。3.說(shuō)明含水量檢測(cè)與一般的濕度檢測(cè)有何不同。答：通常將空氣或其它氣體中的水分含量稱(chēng)為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱(chēng)為“含水量”。固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)，就是含水量的值。4.煙霧檢測(cè)與一般的氣體檢測(cè)有何區(qū)別。答：煙霧是比氣體分子大得多的微粒懸浮在氣體中形成的，和一般的氣體成分的分析不同，必須利用微粒的特點(diǎn)檢測(cè)。這類(lèi)傳感器多用于火災(zāi)報(bào)警器，也是以煙霧的有無(wú)決定輸出信號(hào)的傳感器，不能定量地連續(xù)測(cè)量。5.根據(jù)所學(xué)知識(shí)試畫(huà)出自動(dòng)吸排油煙機(jī)的電路原理框圖，并分析其工作過(guò)程。答：如圖所示。室內(nèi)可燃?xì)怏w增加時(shí)，由于氣敏器件接觸到可燃?xì)怏w而其阻值降低，使流經(jīng)測(cè)試回路的電流增加，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器接通電風(fēng)扇，進(jìn)行吸排油煙。6.目前濕度檢測(cè)研究的主要方向是什麼？答：目前濕敏傳感技術(shù)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如對(duì)溫度等其他傳感器技術(shù)研究得那麼精確和完善。濕度較難檢測(cè)的原因在于濕氣信息的傳遞較復(fù)雜。濕信息的傳遞必須靠其信息物質(zhì)——水對(duì)濕敏元件直接接觸來(lái)完成。因此，濕敏元件不能密封、隔離，必須直接暴露于待測(cè)的環(huán)境中。而水在自然環(huán)境中容易發(fā)生三態(tài)變化。當(dāng)其液化或結(jié)冰時(shí)，往往使?jié)衩羝骷母叻肿硬牧匣螂娊赓|(zhì)材料溶解、腐蝕或老化，給測(cè)量帶來(lái)不利。因此，目前濕敏元件在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面還存在一些問(wèn)題。人們?yōu)榱说玫介L(zhǎng)期可靠的濕度傳感器，有時(shí)寧可在測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間、濕度和溫度特性、形狀尺寸等方面作出一些犧牲。現(xiàn)在，根據(jù)大工業(yè)自動(dòng)化微機(jī)控制的需要，又向人們提出了濕度傳感器微型化、集成化、廉價(jià)的發(fā)展方向。7.什么是非電量傳感器？請(qǐng)舉一例子，說(shuō)明其用途，畫(huà)出其應(yīng)用電路。答：將非電物理量轉(zhuǎn)換為光、重量。質(zhì)量等非電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器為非電量傳感器。例如用天平稱(chēng)質(zhì)量法測(cè)物品的含水量。電路圖略。8.分析圖8-13所示煤氣泄漏報(bào)警器電路工作原理。若檢測(cè)煤氣泄漏的量值，應(yīng)選用什么類(lèi)型的氣體傳感器？答：如圖8-13所示，MQK－2為氣敏傳感器，當(dāng)檢測(cè)到煙霧或可燃?xì)怏w時(shí)，其A極和B極之間電阻減小，集成電路IC1的2腳電位下降。當(dāng)煙霧或可燃?xì)怏w濃度較大，該點(diǎn)電位下降到低于IC1的8腳所加工作電壓的三分之一時(shí)，IC1的3腳輸出高電平。該高電平經(jīng)穩(wěn)壓二極管VD1穩(wěn)壓為4.2V，加到語(yǔ)音信號(hào)發(fā)生器IC2和經(jīng)LED1、R2加到晶體管VT1，為IC2和VT1提供電源。IC2得電工作后，輸出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，經(jīng)VT1放大，由C4耦合送IC3功率放大，驅(qū)動(dòng)BL揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管LED2。9.有機(jī)高分子濕度傳感器有哪幾種？分別敘述其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。答：1.高分子電阻式濕度傳感器水吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，所以電阻值較高。相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增加，集團(tuán)化的吸附水就成為導(dǎo)電通道，正負(fù)離子對(duì)起到載流子作用，電阻值下降。2.高分子電容式濕度傳感器高分子材料吸水后，介電常數(shù)變化，引起電容的變化。當(dāng)含水量以水分子形式被吸附在高分子介質(zhì)膜中時(shí)，由于高分子介質(zhì)的介電常數(shù)（3~6）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)（81），所以介質(zhì)中水的成分對(duì)總介電常數(shù)的影響比較大。使元件對(duì)濕度有較好的敏感性能。10.含水量檢測(cè)有哪幾種方法？答：1）稱(chēng)重法將被測(cè)物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD測(cè)出，含水量的百分?jǐn)?shù)便是：2）電導(dǎo)法固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小，用測(cè)定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量。3）電容法水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì)，因此用電容法測(cè)物質(zhì)的介電常數(shù)從而測(cè)含水量相當(dāng)靈敏，造紙廠的紙張含水量便可用電容法測(cè)量。4）紅外吸收法水分對(duì)波長(zhǎng)為1.94μm的紅外射線吸收較強(qiáng)，并且可用幾乎不被水分吸收的1.81μm波長(zhǎng)作為參比。5）微波吸收法水分對(duì)波長(zhǎng)為1.36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象，而植物纖維對(duì)此波段的吸收要比水小幾十倍。利用這一原理可構(gòu)成測(cè)木材、煙草、糧食、紙張等物質(zhì)中含水量的儀表。11.在圖8-16所示空氣濕度檢測(cè)電路上增加元器件，設(shè)計(jì)成自動(dòng)除濕電路。答：如圖所示?？諝鉂穸葯z測(cè)電路輸出送入運(yùn)算放大器比較放大，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，接通通風(fēng)、排濕、加熱設(shè)備進(jìn)行除濕操作。習(xí)題91.生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換方式有哪幾種？答：（１）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式用酶來(lái)識(shí)別分子，先催化這種分子，使之發(fā)生特異反應(yīng)，產(chǎn)生特定物質(zhì)的增減，將這種反應(yīng)后產(chǎn)生的物質(zhì)的增與減轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。能完成這個(gè)使命的器件有克拉克型氧電極、H2O2電極、H2電極、H+電極、NH4電極、CO2電極及離子選擇性FET電極等。（２）熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式固定在膜上的生物物質(zhì)在進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)伴隨有熱變化，這種熱變化可以轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，能完成這種使命的便是熱敏電阻器。（３）光變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式螢火蟲(chóng)的光是在常溫常壓下，由酶催化產(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光。最近發(fā)現(xiàn)有很多種可以催化產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的酶，可以在分子識(shí)別時(shí)導(dǎo)致發(fā)光，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。（４）直接誘導(dǎo)式電信號(hào)方式分子識(shí)別處的變化如果是電的變化，則不需要電信號(hào)轉(zhuǎn)換器件，但是必須有導(dǎo)出信號(hào)的電極。例如：在金屬或半導(dǎo)體的表面固定上抗體分子，稱(chēng)為固定化抗體，此固定化抗體和溶液中的抗原發(fā)生反應(yīng)時(shí)，則形成抗原體復(fù)合體，用適當(dāng)?shù)膮⒈入姌O測(cè)量它和這種金屬或半導(dǎo)體間的電位差，則可發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后的電位差是不同的。2.生物傳感器有哪些種類(lèi)，簡(jiǎn)要說(shuō)明其工作原理。答：酶?jìng)鞲衅鞯幕驹硎怯秒娀瘜W(xué)裝置檢測(cè)酶在催化反應(yīng)中生成或消耗的物質(zhì)（電極活性物質(zhì)），將其變換成電信號(hào)輸出。對(duì)葡萄糖氧化反應(yīng)起一種特異催化作用的酶—葡萄糖氧化酶（GOD），并研究出用它來(lái)測(cè)定葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器，微生物傳感器是利用多種酶有關(guān)的高度機(jī)能的綜合即復(fù)合酶。也就是說(shuō)，微生物的種類(lèi)是非常多的，菌體中的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)、輔助酶再生系統(tǒng)、微生物的呼吸及新陳代謝為代表的全部生理機(jī)能都可以加以利用。因此，用微生物代替酶，有可能獲得具有復(fù)雜及高功能的生物傳感器。免疫傳感器是利用抗體對(duì)抗原結(jié)合功能研制成功的，根據(jù)抗體膜的膜電位的變化，就可測(cè)定抗原的吸附量。半導(dǎo)體生物傳感器是由半導(dǎo)體傳感器與生物分子功能膜、識(shí)別器件所組成。將生物中具有識(shí)別功能的合成蛋白質(zhì)、抗原、抗體、微生物、植物及動(dòng)物組織、細(xì)胞器等固定在某載體上也可用作識(shí)別元件。，同時(shí)測(cè)量多種化學(xué)物質(zhì)，具有這樣功能的傳感器稱(chēng)為多功能傳感器。3.比較微波傳感器與超聲波傳感器有何異同。答：微波是電磁波，微波傳感器頻率高，衰減小，作用距離遠(yuǎn)，受外界影響小，繞射性少。微波在液體、固體中衰減很快，微波傳感器不能用于液體、固體測(cè)量。超聲波是機(jī)械振蕩波，超聲波傳感器頻率低，衰減大，作用距離近，受外界影響大，但繞射性能好。兩者都有直射、反射、折射性能。超聲波傳感器可用于液體、固體測(cè)量。4.簡(jiǎn)述超聲波傳感器測(cè)流量的基本原理。答：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭，（F1，T1）、（F2，T2），其中（F1，T1）的超聲波是順流傳播的，而（F2，T2）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這兩束超聲波在流體中傳播速度的不同，采用測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差或頻率差等方法，可測(cè)量出流體的平均速度及流量。5.超聲波傳感器如何對(duì)工件進(jìn)行探傷？有何優(yōu)點(diǎn)？還有哪些傳感器可用于對(duì)工件進(jìn)行無(wú)損探傷？答：超聲波探傷是無(wú)損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它主要用于檢測(cè)板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、測(cè)定材料的厚度、檢測(cè)材料的晶粒、配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)等。超聲波探傷因具有檢測(cè)靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到人們普遍的重視，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。超聲波探傷方法多種多樣，最常用的是脈沖反射法。而脈沖反射法根據(jù)超聲波波型不同又可分為縱波探傷、橫波探傷、表面波探傷。X射線也可以用于對(duì)工件進(jìn)行無(wú)損探傷。6.機(jī)器人傳感器主要有哪些種類(lèi)？答：機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部檢測(cè)傳感器和外部檢測(cè)傳感器兩大類(lèi)。內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置，它安裝在機(jī)器人自身中用來(lái)感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外界檢測(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人—環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測(cè)傳感器通常包括觸覺(jué)、接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等傳感器。7.接近覺(jué)傳感器是如何工作的？舉例說(shuō)明其應(yīng)用。答：接近覺(jué)是機(jī)器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對(duì)象物或障礙物的距離、對(duì)象物的表面性質(zhì)等的傳感器。其目的是在接觸對(duì)象前得到必要的信息，以便后續(xù)動(dòng)作。例如電磁式接近覺(jué)利用渦流效應(yīng)產(chǎn)生接近覺(jué)。加有高頻信號(hào)的勵(lì)磁線圈L產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈，通過(guò)檢測(cè)線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離，這種接近傳感器精度高，響應(yīng)快，可在高溫環(huán)境中使用，但檢測(cè)對(duì)象必須是金屬。8.指紋識(shí)別主要經(jīng)過(guò)哪幾個(gè)步驟？指紋傳感器在指紋識(shí)別中起什么作用？答：指紋識(shí)別過(guò)程主要包括：指紋圖像采樣、指紋圖像預(yù)處理、二值化處理、細(xì)化、紋路提取、細(xì)節(jié)特征提取和指紋匹配（指紋庫(kù)查對(duì)）。指紋傳感器通過(guò)傳感信號(hào)進(jìn)行指紋圖像采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送微處理器進(jìn)行指紋識(shí)別。9.溫差效應(yīng)指紋傳感器FCD4B14由哪幾部分電路組成？它們?cè)谥讣y采樣過(guò)程中各起什么作用？答：FCD4B14是基于溫差效應(yīng)的指紋傳感器，芯片表面有0.4mm×14mm的溫度傳感區(qū)域，內(nèi)部有行選和列選電路、A／D轉(zhuǎn)換器、鎖存器和恒溫電路。傳感區(qū)域包含8行×280列＝2240個(gè)像素，為1幀，用來(lái)感應(yīng)手指與傳感區(qū)域接觸部位的溫度差，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。列選脈沖從傳感區(qū)域按順序選出像素列，再由行選脈沖選出像素。A／D轉(zhuǎn)換器將像素電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由鎖存器組成一個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)字信號(hào)輸出到微處理器。恒溫電路保證指紋圖像采樣不受環(huán)境溫度的影響。10.本書(shū)共介紹了哪些基本傳感器？試根據(jù)其原理不同進(jìn)行歸類(lèi)總結(jié)。答：目前為止學(xué)的都是基本傳感器，品種很多，歸類(lèi)為溫度傳感器、力傳感器、磁傳感器、光傳感器、圖像傳感器、位移傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器、生物傳感器等，機(jī)器人傳感器屬于綜合型傳感器。11.測(cè)量飛機(jī)飛行高度和速度可以用哪種傳感器？為什么？答：可以用微波傳感器。微波直線傳播，具有多普勒效應(yīng)，可以通過(guò)檢測(cè)飛機(jī)反射回來(lái)的微波功率、多普勒頻率，來(lái)測(cè)量飛機(jī)的高度和速度等參數(shù)。12.聲納是一種超聲波儀器，可測(cè)量潛艇在海面下的深度和航行速度。試畫(huà)框圖簡(jiǎn)單分析聲納工作原理。答：如圖所示，聲納連續(xù)不斷向海水下面發(fā)射聲波，聲波碰到海底礁石、海洋生物、潛艇就會(huì)反射，對(duì)移動(dòng)的海洋生物和潛艇還會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。聲納接收到反射回來(lái)的聲波，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、比較、計(jì)算，提取出潛艇反射回來(lái)的聲波，由接收發(fā)射間隔時(shí)間和多普勒頻移，計(jì)算出潛艇的海面下深度和航行速度。13.簡(jiǎn)單敘述電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)和工作原理。答：觸摸屏由兩層高透明的導(dǎo)電層組成，通常內(nèi)層是ITO玻璃，外層是ITO薄膜材料，中間有細(xì)微絕緣點(diǎn)隔開(kāi)。如圖所示。在聚酯膜上用銀漿、碳膠等通過(guò)絲網(wǎng)印刷法形成電氣電路，使內(nèi)外層電氣回路相對(duì)，在外層ITO導(dǎo)電薄膜和內(nèi)層ITO導(dǎo)電玻璃之間夾隔絕緣點(diǎn)進(jìn)行貼合而成。當(dāng)觸摸屏表面無(wú)壓力時(shí)，內(nèi)外層成絕緣狀態(tài)。一旦有觸摸壓力施加到觸摸屏上，內(nèi)外層電路導(dǎo)通，位于設(shè)備內(nèi)部的觸摸屏控制器通過(guò)X方向和Y方向施加的驅(qū)動(dòng)電壓值，探測(cè)出觸摸點(diǎn)的X－Y坐標(biāo)?？刂破鞲兄|摸點(diǎn)的X－Y坐標(biāo)位置后，將該位置設(shè)定的操作提交微處理器處理和執(zhí)行器件執(zhí)行。習(xí)題101.傳感器信號(hào)輸出接口電路的作用是什么？選擇使用時(shí)要注意什么？答：傳感器接口電路是作為傳感器信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)預(yù)處理，并起聯(lián)接作用。傳感器接口電路的選擇是根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)特點(diǎn)及用途確定的。不同傳感器具有不同的輸出信號(hào)，不同傳感器的接口電路可能是一個(gè)放大器，也可能是一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路或其它別的電路。作為智能化的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，傳感器與微型計(jì)算機(jī)的接口電路也千變?nèi)f化。2.常見(jiàn)接口電路在傳感器輸出信號(hào)預(yù)處理中的功能怎樣？答：如表所示接口電路信號(hào)預(yù)處理的功能阻抗變換電路在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗，以便于檢測(cè)電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號(hào)。放大電路將微弱的傳感器輸出信號(hào)放大。電流電壓轉(zhuǎn)換電路將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓。電橋電路把傳感器的電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓。頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓。電荷放大器將電場(chǎng)型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。有效值轉(zhuǎn)換電路在傳感器為交流輸出的情況下，轉(zhuǎn)為有效值，變?yōu)橹绷鬏敵觥V波電路通過(guò)低通及帶能濾波器消除傳感器的噪聲成分。線性化電路在傳感器的特性不是線性的情況下，用來(lái)進(jìn)行線性校正。對(duì)數(shù)壓縮電路當(dāng)傳感器輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)，用對(duì)數(shù)電路進(jìn)行壓縮3.直流全橋電路什么情況下靈敏度最大？為什么？答：直流全橋電路輸出UOUT=如果R1=R2=R3=R4時(shí)，則電橋電路被稱(chēng)為四等臂電橋，此時(shí)輸出靈敏感度最高，而非線性誤差最小，因此在傳感器的實(shí)際應(yīng)用中多采用四等臂電橋。4.在采用2S5M的壓力測(cè)量電路中，如圖3－41所示，對(duì)2S5M壓力傳感器的輸出電壓VS用兩個(gè)同相放大器和一個(gè)差動(dòng)放大器進(jìn)行放大。若2S5M壓力傳感器的輸出電壓VS為250μV，根據(jù)圖中所標(biāo)運(yùn)算放大器反饋電阻數(shù)值，計(jì)算測(cè)量電路放大倍數(shù)和輸出電壓Vout。答：A2和A3是兩個(gè)同相放大器，其輸出分別為V2V3A4是差動(dòng)放大器，其輸出為Vout放大倍數(shù)為A5.圖10-2所示交流電橋電路，靜態(tài)時(shí)，Z1＝Z2，所用電容容量Cx1＝Cx2＝100pF，uo＝0V；動(dòng)態(tài)時(shí)，電容最大變化量ΔC＝10pF，且一個(gè)增加，一個(gè)減少。若ui＝2sinωt，單位為伏（V）時(shí)，求動(dòng)態(tài)最大輸出電壓Uo。答：假定Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ，則電橋的輸出電壓為其中：Z得動(dòng)態(tài)最大輸出電壓為U6.抑制噪聲的方法有哪些？為什么？答：噪聲的抑制方法主要有以下幾種：a.選用質(zhì)量好的元器件。b.屏蔽c.接地d.隔離e.濾波噪聲就是測(cè)量系統(tǒng)電路中混入的無(wú)用信號(hào)，按噪聲源的不同，噪聲可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲是由傳感器或檢測(cè)電路元件內(nèi)部帶電微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，例如熱噪聲、散粒噪聲以及接觸不良引起的噪聲等。外部噪聲則由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)外部人為或自然干擾造成的。通過(guò)以上方法可以把噪聲源隔離，少產(chǎn)生噪聲，或者把已產(chǎn)生的噪聲去除。7.傳感器信號(hào)在輸入微型計(jì)算機(jī)前應(yīng)做哪些處理？舉例說(shuō)明。答：傳感器輸出的是大多是模擬量信號(hào)，是微型計(jì)算機(jī)無(wú)法進(jìn)行處理的，必須先把傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（A/D轉(zhuǎn)換）后再輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。也可以將模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率變化的信號(hào)（V/F轉(zhuǎn)換）。由于頻率變化信號(hào)也屬于數(shù)字量信號(hào)，因而可以不經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，直接經(jīng)輸入口輸入給微型計(jì)算機(jī)。例如：計(jì)算機(jī)信號(hào)處理溫度傳感器，如圖所示，把溫度傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（A/D轉(zhuǎn)換）后再輸給計(jì)算機(jī)。ROMPROMRAMEROMPROMRAME2PROM總線總線A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器溫度傳感器模擬信號(hào)輸出D/A轉(zhuǎn)換器CPU溫度傳感器模擬信號(hào)輸出D/A轉(zhuǎn)換器CPU數(shù)據(jù)輸入數(shù)字信號(hào)輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)字信號(hào)輸出I/OI/O數(shù)字接口8.模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路有哪幾種形式？各有什么特點(diǎn)？使用時(shí)要注意什么問(wèn)題？答：比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快，但要實(shí)現(xiàn)高精度則價(jià)格比較高。比較型A/D轉(zhuǎn)換器常用于要求中、高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。積分型A/D轉(zhuǎn)換器雖然轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，但價(jià)格低，精度高。積分型A/D轉(zhuǎn)換器適用于變化緩慢的傳感器輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換，如熱電偶等。現(xiàn)在都有集成電路可供選用。9.試用機(jī)械位移傳感器和單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。畫(huà)出電路組成框圖。答：習(xí)題111.什么是智能傳感器？它有什么樣的功能？答：全球性的電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）在1998年通過(guò)了智能傳感器的定義，即“除產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)量或被控量的正確表示之外，還同時(shí)具有簡(jiǎn)化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。但不少專(zhuān)家認(rèn)為，未來(lái)的智能傳感器所包含的內(nèi)容要豐富得多。智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。不僅在物理層面上檢測(cè)信號(hào)，而且在邏輯層面上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和通信，相當(dāng)于具備了人類(lèi)的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類(lèi)的智能，所以稱(chēng)之為智能傳感器。2.人的智能是如何實(shí)現(xiàn)的？它的3層結(jié)構(gòu)分別是什么器官？如何工作？答：人類(lèi)的智能是基于即時(shí)獲得的信息和原先掌握的知識(shí)。人類(lèi)的智能能辨識(shí)目標(biāo)是否正常，能預(yù)測(cè)災(zāi)難，能知道環(huán)境是否安全和舒適，能探測(cè)或辨別復(fù)雜的氣味和食品的味道。這些都是人類(lèi)利用眼睛、鼻子、耳朵、皮膚等（底層）獲得的多重狀態(tài)的傳感信息與人類(lèi)積累的知識(shí)相結(jié)合（大腦－中間層）而歸納（大腦－頂層）的概念。所以說(shuō)，人類(lèi)的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類(lèi)積累的知識(shí)結(jié)合了起來(lái)。3.智能傳感器的三種實(shí)現(xiàn)途徑是什么？試舉例說(shuō)明。答：1）利用計(jì)算機(jī)合成（智能合成）；利用計(jì)算機(jī)合成的途徑即智能合成是最常見(jiàn)的，利用計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的智能紅外測(cè)溫儀，就是它的一個(gè)例子。這種智能傳感器稱(chēng)為計(jì)算型智能傳感器。2）利用特殊功能的材料（智能材料）；利用特殊功能的材料的途徑，其結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)為傳感器與特殊功能的材料的結(jié)合，以增強(qiáng)檢測(cè)輸出信號(hào)的選擇性。其工作原理是用具有特殊功能的材料（也叫做智能材料）來(lái)對(duì)傳感器檢測(cè)輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行辨別，僅僅選擇出有用的信號(hào)輸出，對(duì)噪音或非期望效應(yīng)則通過(guò)特殊功能進(jìn)行抑制。比如固定在生物傳感器頂端的酶就是特殊功能材料的一個(gè)典型例子。3）利用功能化幾何結(jié)構(gòu)（智能結(jié)構(gòu)）；功能化幾何結(jié)構(gòu)的途徑是將傳感器做成某種特殊的幾何結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器檢測(cè)的信號(hào)的處理通過(guò)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。凸透鏡或凹透鏡是最簡(jiǎn)單的，不同媒質(zhì)間表面折射和反射的應(yīng)用例子。只有來(lái)自目標(biāo)空間某一定點(diǎn)的發(fā)射光，才能被投射在圖像空間的一個(gè)定點(diǎn)上；而影響該空間點(diǎn)發(fā)射光投射結(jié)果的其它點(diǎn)的散射光，投射效應(yīng)可由凸透鏡或凹透鏡在圖像平面濾除。4.為什么說(shuō)“人的指頭就是傳感器與執(zhí)行器合成的典型例子”？利用氣體、液體和固體的熱脹冷縮，試設(shè)計(jì)幾個(gè)傳感器與執(zhí)行器合成的器件。答：人的指頭首先作為傳感器去感覺(jué)東西的存在，該信息傳輸?shù)酱竽X，經(jīng)過(guò)大腦對(duì)信息處理后，發(fā)出抓住東西的指令，手指作為執(zhí)行器去抓住東西。所以說(shuō)，人的指頭就是傳感器與執(zhí)行器合成的典型例子。熱氣球升空，水壺的水開(kāi)了水蒸氣吹響哨子，酒精溫度計(jì)、雙金屬溫度觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等，是傳感器與執(zhí)行器合成的器件。5.舉一個(gè)計(jì)算型智能傳感器的例子，畫(huà)出組成框圖，并解釋計(jì)算型智能傳感器的工作過(guò)程。答：混合智能壓力傳感器如圖所示。圖中，采用二次集成技術(shù)，在一個(gè)管殼內(nèi)封裝了MCU、無(wú)線發(fā)送器、電源管理器、總線和溫度、濕度、壓力和加速度等傳感器，體積僅5cm3。用6V電池供電，功耗小于700μW，可連續(xù)工作180天。具有數(shù)據(jù)處理功能，可根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化，自動(dòng)開(kāi)始測(cè)量或改變測(cè)量頻率。采用Motorola公司生產(chǎn)的