传感器常用问题

常见问题

结合本课程的教学目的，我们确立以基本概念、理论为主要教学内容。对于教学过程中常出现的一些概念性问题，也是教学的重点内容，分两种题型列出，希望能给同学们的学习带来一些益处。如在学习遇到下面没有列出的问题，请及时 联系我们 或现在就给我们 留言 。


一、常见概念理解

1 传感器

国家标准 GB7665-87 ，对传感器的定义是：传感器是能感受规定被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 查看 传感器产品样式举例。

2 压电效应

物质（通常是晶体）在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。

3 塞贝克效应

在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势，这个物理现象称为热电效应，或塞贝克效应。

4 电阻应变效应

物质（比如金属丝）的电阻随着它受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象称为电阻应变效应。

5 湿度

大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度；即湿度是表示大气干湿程度的物理量。湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。

6 相对湿度

相对湿度是气体的绝对湿度（Pv）与在同一温度下，水蒸气已达到饱和的气体的绝对湿度（Pw）之比，常表示为 %RH 。

7 露点

指空气中饱和水汽开始凝结结露的温度，在 100% 的相对湿度时，周围环境的温度就是露点温度。

露点温度越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。

8 光电效应

金属及其化合物在光照射下发射电子，这个现象称为 光电效应。 查看 实验演示。

9 生物传感器

生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的、用于检测与识别生物体内的化学成分的传感器。生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等。

10 气体传感器、

气体传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。

11 光生伏打效应

1837 年法国科学家皮库雷尔将伏打电池放在阳光下，发现有额外的电压产生，这就是著名的 “ 光生伏打效应 ” 。

12 内光电效应

内光电效应又被称作光生伏特效应（简称为光伏效应），指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 查看 原理分析。

13 外光电效应

当光辐射照在某些材料的表面上时、若入射光的光子能量足够大，就能

使材料的电子选出表面，向外发射出电子，这种现象叫外光电效应或光电导效应。 查看 原理分析。

14 光电耦合器

光电耦合器是把发光器件与光接收器件组装在同一密闭管壳内或用一根光导纤维把两部分连接起来的器件，把加到发光器上的电信号作为输入信号，发光器发出的光照到光接收器件时，后者的电输出信号作为输出信号。这样就完成了以光为媒介的电信号的传输。器件的输入与输出之间是电绝缘的。

15 气敏元件的选择性

指气敏元件在相同测试条件下，接触同一浓度、不同种类气体时，其敏感量（如电阻）的相对变化。

16 阴离子吸附

若元件材料的功函数比被吸气体分子的电子亲和力为小时，则被吸气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。具有性质的气体称为氧化性气体，例如， O2 ， NOx 等。

17 阳离子吸附

若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被吸气体将把电子给于元件而以阳离子形式吸附。具有阳离子吸附性质的气体称为还原性气体 , 如 H2 ， CO ． HC 和乙醇等。

二、 常见原理性问题理解

1 传感器的基本构成形式有哪几种？并阐述各自的特点。

答： 传感器的基本构成有六种（如图 1 所示），分别是：

（ 1 ）自源型

自源型为仅含转换元件的最简单，最基本的传感器构成型式 , 其特点：①不需要外能源； ②其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量电效应； ③输出能量较好。

（ 2 ）带激励源型

带激励源型－为转换元件外加辅助能源构成的型式 ， 辅助能源起激励作用 , 可以是电源也可以是磁源 。它的 特点：需要变换 ( 测量 ) 电路即有较大的电量输出

例 : 某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器；

（ 3 ）外源式

特点 : ①由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成②它必须通过带外电源的变换 ( 测量 ) 电路 . 才能获得电量输出 ；

（ 4 ）相同传感器的补偿型

采用两个原理和特性完全相同的转换元件，并置于同一环境中，其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过线路，使后者消除前者的环境干扰影响。这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中常被采用；

（ 5 ） 差动结构补偿型

它也采用了两个原理和特性完全相同的转换元件，同时接收被测输入量，并置于同一环境中。巧妙的是，两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，通过变换（测量）电路使有用输出量增加，干扰量相消。如差压传感器；

（ 6 ）不同传感器的补偿型

采用两个原理和性质不相同

的转换元件，且不一定置于同一环境处，其中一个接受信号，并已知其受环境影响的特性，另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号，如采用热敏元件的温度补偿，采用压电补偿片的温度和加速度干扰补偿等。

2 传感器的发展有哪些趋势？

答： 1 、新材料、新功能的开发应用：半导体硅材料、石英晶体材料、功能陶瓷材料等都得到了广泛应用；

2、 机械加工工艺的发展：主要是平面电子加工工艺、固相键合加工工艺技术、机械切割技术、整体封装工艺技术得到长足发展；

3、 传感器的多功能化发展：一种传感器可以同时可以多钟变化量；

4、 传感器的智能化发展：结合微处理器将使传感器具有智能。



3 传感器有哪些重要特性？为什么传感器要进行标定？

答： 主要指输入－输出特性，分为静态特性和动态特性。

1、 静态特性 —— 当传感器输入输出不随时间变化时的输入输出特性。衡量静态特性的主要指标有灵敏度、非线性度、回程误差和重复性。

2、 动态特性 —— 信号随时间变化而变化。在实际研究中主要有瞬态研究法和频域研究法来研究传感器的动态特性，主要指标有上升时间、响应时间、过调量和带宽。对传感器进行标定就是要检测它的相关指标是否都达到要求。 静态标定的目的是确定传感器静态特性指标．如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。

4 说明电阻应变式力学量传感器的基本原理？

答： 基本原理：该传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成，弹性敏感元件在感受被子测量力学量时将产生形变，其表面产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。因此，通过测量电阻应变片的电阻值变化也就可以确定待测量的大小了。

5 温度传感器按照其原理分为几类？

答： 分为两类：热电偶与热电阻；其中：

（ 1 ）热电偶是将温度变化转换为电势变化

（ 2 ）热电阻是将温度变化转换为电阻值的变化。

6 说明光敏二极管与光电池的异同。

答： 光敏二极管在电路处于反向偏置，在没有光照射，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。当光照射在 pn 结上，光子打在 Pn 结附近，使 Pn 结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过 Pn 结的反向电流也随着增加。如果入射光照度变化，光生电子一

空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电流强度也随之变动，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出； 当光照到 pn 结上时，如果光于能量足够大，就将在 pn 结区附近激发电于一空穴对。在 Pn 结电场作用下， n 区的光生空穴被拉向 P 区， p 区的光生电子被拉向 n 区。结果在 n 区就聚积了负电荷，带负电； p 区聚积了正电荷，带正电。这样 n 区和 p 区之间就出现了电位差。用导线将 Pn 结两端用导线连接起来．电路中就有路流流过，电流的方向由 P 区流经外电路至 n 区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。

7 光电式传感器有哪些类别？

答： 光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。可以分为以下类别：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池等。

8 简述光电倍增管的工作原理。

答： 入射光在光电阴极上激发电子．由于各极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极， ( 倍增极的特性 ); 光电倍增管之倍增极的几何形状设计成每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子．这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有σ个二次电子发出，这σ个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ倍，经过 n 个倍增极后，原先一个电子将变为σ n 个电子．这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。构成倍增极的材料的σ ＞ 1 ，设σ ＝ 4 ，在 n ＝ 10 时，则放大倍数为 4 10 ≈ 10 6 。可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。

9 试说明光敏电阻的工作原理。

答： 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件．又称光导管，它是基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流偏压，也可以加交流电压。

10 气体传感器按原理分为哪几类？

答： 可以分为干式气体传感器和湿式气体传感器两种。其中：

干式气体传感器：构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器；

湿式气体传感器：利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿式气体传感器。

11 气体传感器敏感机理有哪几类？

答：1、 整体原子价控制理论：本理论适用于钙钛矿型原子价控制复合氧化物；用 ABO3 一般式来表示钛矿型氧化物，其导电过程是通过 B 元素与氧组成的三维网孔状结构进行的。氧的解离作用可以把网状构造的某一部分切断，一旦发生这种现象，复合氧化物的电阻值将显

著增加。

2、 能级生成理论：以 SnO2 、 ZnO 等半导体传感器的 n 型半导体为例讨论这种理论； n 型半导体吸附还原性气体时，还原性气体将电子交给半导体，而以正电荷与半导体相吸着，进入 n 型半导体内的电子，束缚其少数载流子的空穴，使空穴与导带上参与导电的自由电子复合几率减少，这实际上是加强了导电能力，因而减少了元件的电阻值。与此相反，若 n 型半导体吸附氧化性气体时，气体以负离子形式吸着，而将空穴给予半导体，其结束是使导带电子数目减少，而使元件电阻值增加。

3、 表面电荷层理论：在金属氧化物表面上，由于表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附不同种类的气体之后，将形成不同形式的表面能级。表面能级与金属氧比物本体能带之间有电子的接受关系，因而形成表面的空间电荷层。由于吸收不同种类气体之后空间电荷层变化，从而引起气敏元件电阻值的变比。

4、 接触粒界势垒理论 : 本理论是根据多晶半导体能带模型：因吸附电子接收性气 体（氧化性气体）而使势垒位置增高； 因吸附电子供给性气体（还原性气体）而使势垒降低；晶粒接触而电阻不变时，吸附气体不会使势垒发生多大变化。

14 、试说明气体传感器加热电阻丝的作用。

答： 无论哪种类型 ( 薄膜、厚膜、集成片或陶瓷 ) 的气敏元件，其内部均有加热电阻丝

加热电阻丝的作用：

（ 1 ）一方面用作烧灼元件表面油垢或污物；

（ 2 ）另一方面可起加速被测气体的吸、脱过程的作用。

15 、 简述氯化锂湿敏元件敏感机理。

答： 氯化锂是典型的离子晶体。氯化锂溶液中的 Li 和 Cl 是以正、负离子形式存在。即当溶液置于一定湿度环境中，若环境相对湿度高，氯化锂将吸收水分而使其电离程度提高，导电能力增强，从而使氯化锂湿敏元件电阻降低；反之，环境相对湿度变低．氯化锂将释放出部分水分而使其电离程度下降，导电能力下降，其电阻上升；所以用氯化锂湿敏元件可实现对相对湿度的测量。

16 、 生物传感器的固定方法有哪几种？

答：1、 夹心法：将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。这种方法的特点是操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。

2、 包埋法：把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。这种方法的持点是一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散比较固难。

3、 共价连接法：使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固定的方法。此方法的特点

是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。

4、 交联法：依靠双功能团试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成网状结构。这种方法广泛用于酶膜与免疫分子膜制备，操作简单。