传感与测控技术试题101020【2009】A

一、简述题：(每小题5分共60分)
1、传感器的输出-输入校准曲线是在什么条件下得到和建立的?
答：是在静态标准条件下进行
2、试比较测温电阻器和半导体热敏电阻器的异同。

答：它们都是利用导体的电阻值随温度变化而改变，通过对导体的阻值的测量来推算出被测物体的温度这一原理工作的。

测温电阻器的核心部分是纯金属，如Pt 和Cu ；半导体热敏电阻器的核心元件是半导体电阻。

3、金属电阻应变片测量外力的原理是什么？其灵敏系数及其物理意义是什么？受哪两个因素影响？
答：当金属电阻材料受到外界力（拉力或压力）作用时产生机械变形，机械变形，导致其阻值变化，利用测量阻值变化就可以得到被测件的机械变形与受到的外力成一定比例关
系，因此测量到阻值变化就可以测到受力值。

灵敏度系数：
其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。

灵敏系数有两个因素决定，一是受力后材料几何尺寸的变化，即)21(μ+；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即x d ρερ。

4、减小交流电桥的非线性误差有哪些方法？尽可能地提高供桥电源有什么利弊？
5、什么是霍尔效应？什么是磁阻效应？什么是形状效应？
答：霍尔效应：通过某些材料中的电荷受磁场中洛仑兹力作用而改变其运动方向，使电荷在某一端积聚，从而产生霍尔电势，这种现象称为霍尔效应。

磁阻效应：当通有电流的半导体或磁性金属薄片置于与电流垂直或平行的外磁场中，由于磁场的作用力加长了载流子运动的路径，使其电阻值增大的现象称为磁阻效应。

形状效应：指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。

即它能记忆母相的形状。

6、透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样产生的？条纹间距、栅距和夹角的关系是什么？一个200线／mm 的透射式光栅的莫尔条纹放大倍数是多少？
答：两块光栅（主光栅和指示光栅）相对叠合在一起，且两光栅刻线之间保持很小的夹 角时，由于挡光效应火光的衍射作用，在两块光栅刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带；两 块光栅刻线彼此错开处，形成暗带。

于是在近于垂直栅线的方向上出现若干明暗相间的条纹， 即莫尔条纹。

莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角θ之间的关系为:
西南科技大学研究生试题单
年级 2009 专业 机械电子工程 2009-2010学年第 1 学期 考试科目 传感与测控技术101020(A 卷) 命题人 朱目成 共 4 页 第 2 页
x d Ks ερρμ++=)21(
式中B H——莫尔条纹的间距；
W——光栅栅距；
θ——两光栅刻线间的夹角(rad)
当W一定时，θ越小，则BＨ越大。

这相当于把栅距放大了1/θ倍，提高了测量的灵敏度。

7、试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异,给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。

答：光敏电阻的光电流和电压成线性关系。

不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。

光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。

由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。

所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器
光电池的特点是工作时不需要外加偏压，接收面积小，使用方便。

缺点是响应时间长。

光电池的光照特性为开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。

因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。

光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。

而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。

故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。

光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。

原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。

8、试分别使用光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管设计一种适合TTL电平输出的光电开关电路,并叙述其工作原理。

9、何谓CCD势阱？论述CCD的电荷转移过程。

答：当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区。

也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为"势阱"。

如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获），而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区。

此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。

10、半导体气敏元件是如何进行分类的？试述表面控制型电阻式半导体气敏传感器的结构与特点。

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年级2009专业机械电子工程2009-2010学年第 1 学期考试科目传感与测控技术101020(A卷) 命题人朱目成共 4 页第 3 页
答：半导体气敏传感器的敏感元件大多是以金属氧化物半导体为基础材料，可分为电阻式和非电阻式两种。

表面控制型气体传感器，其半导体气敏材料表面吸附有气体时，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生，造成电子的迁移从而形成表面电荷层，最终引起元件电阻值的变化，通过测量其变化，就可以实现对气体的检测。

其结构和电阻特性 :
（1）多孔质烧结体敏感元件；
（2）薄膜敏感元件；
（3）厚膜敏感元件；
（4）多层结构敏感元件
11、智能传感器与一般传感器相比,有哪些突出优点？
答：（1）提高了传感器的精度：智能传感器具有信息处理功能，通过软件不仅可以修正各种确定性误差，而且还可以适当地补偿随机误差，降低噪声，大大提高传感器的精度。

（2）提高了传感器的可靠性：集成传感器消除了系统的某些不可靠因素，改善了系统的抗干扰能力；同时具有自诊断、自校准、数据存储功能，具有良好的稳定性。

（3）提高了传感器的性价比；
（4）促成了传感器的多功能。

12、对传感器的输出信号可能要进行哪些变换？
答：I-U 变换；U-I 变换；u/i-U 变换；R-U 变换；C-U 变换；V-F 变换；F-V 变换；U-H 变换。

二、论述题：（共20分）
1、图1为光纤多普勒血液流量计原理示意图。

它是专门用来测量人体血管中血液流量的装置。

试述其结构特点。

图1光纤多普勒血液流量计原理示意图
三、计算题：（每小题10分，共20分）
1、如图2所示的压电式传感器测量电路,已知压电传感器S=0.0004m 2,t=0.02m ，运算放大器开环增益k =104,输出电压U sc=2V ,试求q =? U sr=? C a =?
信号处理血液流信息输出
光探测器送光光纤He-Ne 激光器大芯径集光光纤皮肤表面
输入光收集光血液散射光血管血液流
图2 压电式传感器测量电路
:1解
2、某砷化镓（GaAs ）温敏二极管在室温（25℃）下I F1=100mA,U F1=500mV ,又已知GaAs 的E g0=1.519eV,r=3.5,1eV=1.60×10-9J 。

试描绘I F=I F1,T 分别为0℃、25 ℃、50 ℃、100 ℃、125 ℃时的U F-T 关系曲线。

解:根据计算,最后曲线如图所示: U sc ＋－10 p C i U sr C c 20 p 压电传感元件P ZT -8C f
1000 p。