《传感器技术与应用第3版》习题参考答案

习题1

1. 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。

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2

1. 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（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=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

将R0=100Ω、t1=-100℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2、C=-4.22×10-12/℃4代入，可计算得到

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℃铂电阻的电阻—温度特性方程为：

Rt=RO(1+At+Bt2)

将R0=100Ω、t2=650℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2代入，可计算得到

Rt=100（1＋3.9684×10-3×650＋-5.847×10-7×6502）＝333Ω

4. 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：Rt≈R0(1+αt)

R0为温度为0℃时铜电阻值，Cu100为100Ω，α1为常数；α1=4.28×10-3 ℃-1。

代入算得

Rt≈100×（1＋4.28×10-3×50）＝121.4Ω

5. 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DG801／802超导通电阻（最大导通电阻为0.4Ω）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2－12。

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303mV，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303mV＋90mV，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=t0×10-3

I1的单位是mA，即1μA／K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（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3

1. 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。

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可以计算输出电压为

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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，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ε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Δd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，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ε，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ε＝50μF／m，两极板几何尺寸一样，为30mm×20mm×5mm，在外力作用下，动极板向外移动了10mm，试求电容量变化ΔC和灵敏度Kx。

答：a＝30mm，b＝20mm，d＝10mm，x＝10mm，ε＝50μF／m。可以计算

C0＝εab／d＝3000μF／1000＝3μF，

电容量变化ΔC＝－xC0／a＝－1μF，

灵敏度Kx＝－εb／d＝－100μF／m。

9. 利用图3-22分析差动式电容传感器提高灵敏度的原理。

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Δd，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为

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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ΔL=10mH，若uAC=2sinωt(V)时，求动态最大输出电压Uo。

答：L0＝100mH，ΔL=10mH，UAC＝2V，

动态最大输出电压UO＝ΔLUAC／L0＝0.2 （V）

瞬时量u0=0.2sinωt(V)

word/media/image8.gif11. 差动变隙式电感传感器是如何工作的？差动变压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：

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当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感变化为：

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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XOUT＝1.500V， YOUT＝1.326V。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XOUT＝1.326V， YOUT＝1.500V。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4

1. 光电效应有哪几种？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Iφ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word/media/image13.gif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β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：

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。

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（a）（b）

图4 –40光电开关电路及特性

（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200Ω。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300Ω，图（b）R1约5kΩ，R2和RP共约1kΩ。

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） 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A／D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=υ0t+gt2/2，式中υ0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：υ0可用落体通过一小段路程s0的平均速度υ0’代替）。

答：如图所示。

图中1、5为RS触发器，2、6为高频脉冲发生器，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=1μs，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=nμs ，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 =mμs。

计算显示器8根据h2、t2、V和公式

h2＝Vt2＋gt22/2

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5

1. 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，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word/media/image23.gif时，CMOS型放大器处于关闭状态，即word/media/image24.gif，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6

1. 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

word/media/image25.gif

设word/media/image26.gif，得

word/media/image27.gif

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word/media/image28.gif和word/media/image29.gif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θ，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=KHIBcosθf(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，

θ为霍尔元件正面法线与地磁子午线的夹角，

f(L/W)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10～120cm／s，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7

1. 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θ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

word/media/image32.gif

当θ角较小时，例如θ=30′，用弧度表示为1／115，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，就可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移,从而实现高灵敏的位移测量。

3. 简单分析磁电式转速传感器工作原理。

答：磁电式转速传感器由永久磁铁、感应线圈、磁盘等组成。在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应线圈会感应出一定幅度的脉冲电势，其频率为

f=Z·n

式中：Z——磁轮的齿数；

n——磁轮的转数。

测出脉冲频率，即可得知被测物体的转速。如果磁电式转速传感器配接上数字电路，便可组成数字式转速测量仪，可直接读出被测物体的转速。

4. 导电式液位传感器可以在哪些工程和设备中获得应用？

答：导电式液位传感器在日常工作和生活中应用很广泛，在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。

5. 什么是多普勒效应？举例说明其原理和用途。

答：假若发射机与接收机之间的距离发生变化，则接收机收到信号的频率与发射机发射信号的频率就不同。发射机与接收机之间的距离增大，接收机收到信号的频率变低；发射机与接收机之间的距离减小，接收机收到信号的频率变高。此现象是由多普勒发现的，所以称为多普勒效应。高速公路测速雷达；地面雷达测量飞机的速度和方向；液体流量计等等。

6. 试设计一个多电极、多水位的水位控制系统。

答：如图

低水位时，VT3基极无电压，处于截止状态，VT2基极低电平导通，集电极高电平加到晶体管VT4基极，VT4导通，继电器得电吸合，继电器接点接单稳态触发电路，单稳态触发开关打开，给水箱加水。

中水位时，VT3基极得电压导通，VT2基极高电平截止，集电极低电平加到晶体管VT4基极，VT4截止，继电器无电释放。由于单稳态触发电路未获得新触发信号，单稳态触发开关维持打开状态，继续给水箱加水。

高水位时，VT1基极得电压导通，集电极高电平加到晶体管VT4基极，VT4导通，继电器得电吸合，单稳态触发开关再次触发关闭，停止给水箱加水。

到下一次低水位时重复以上加水过程。

7. 电磁式流量计有哪些优点？使用时要注意哪些事项？

答：

1) 没有机械可动部分，安装使用简单可靠;

2) 电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小；

3) 能够得到与容积流量成正比的输出信号;

4) 测量结果不受流体粘度的影响；

5) 由于电动势是包含电机的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小；

6) 测量范围宽，可以从0.005～190000m3/h；

7) 测量的精度高，可达±0.5%。

使用电磁式流量传感器时应注意以下几点：

1) 由于管道是绝缘体，电流在流体中流动很容易受杂波的干扰，因此必须在安装流量传感器的管道两端设置接地环接地。

2) 虽然流速的分布对精度的影响不大，但为了消除这种影响，应保证液体流动管道有足够的直线长度。

3) 使用电磁式流量计时，必须使管道内充满液体。最好是把管道垂直设置，让被测液体从上至下流动。

4) 测定电导率较小的液体时，由于两电极间的内部阻抗比较高，故所接信号放大器要有100MΩ左右的输入阻抗。为保证传感器正常的工作，液体的速率必须保证在5cm/s以上。

电磁式流量计可以广泛应用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流量的检测。

8. 什么是热释电效应？热释电红外报警器是如何工作的？若将该报警器改为自动门开关，则在电路上应作哪些改动？

答：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称热释电元件。

热释电红外报警器是用热释电元件的热释电效应探测人体发出的红外线的一种传感器。它用于防盗、报警、来客告之及非接触开关等设备中。

人向热释电传感器TTS—2120前移动时，人体所释放出的红外线被热释电传感器接收，产生脉动电压信号。该电压信号通过电容器C1耦合输入由运算放大器IC1TL082构成的低噪声、高增益放大器放大。放大后的信号点亮发光二极管和驱动电表指示，也可以触发蜂鸣器或语音集成电路，告知有人员接近。

若将该报警器改为自动门开关，则在电路上将TL082输出信号放大后去接通继电器，从而接通自动门电源把门打开，如图所示。

9. 接近传感器有哪几种类型？各种类型接近传感器的工作原理有什么不同？哪一种接近传感器工作最稳定可靠？

答：接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件，又称为接近开关。

常见的接近传感器有电容式、涡流式、霍尔效应式、光电式、热释电式、多普勒式、电磁感应式、微波式、超声波式等类型。

各种类型的工作原理都是取自各自的传感特性，例如，电容式是一个以电容的一个电极为检测端的静电电容接近传感器，人体接近，电容值变化，其组成的振荡电路振荡频率变化，从而获得人体接近的信号。

电磁感应式的敏感元件是电感线圈，人体接近，电感组成的振荡电路的振荡频率变化或停振，从而检测出人体接近信号。

热释电式接近传感器是用热释电元件的热释电效应探测人体接近时发出的红外线。

热释电式接近传感器工作最稳定可靠。

10. 可否用电磁式流量计测量自来水的流量？如何用电磁式流量计测量自来水的流量？电磁式流量计有哪些优点？

答：电磁式流量计使用条件是所测流体是导电性的，自来水是导电性的，所以可以用电磁式流量计测量。

将电磁式流量计串接在自来水管道中，通过对电磁式流量计输出电压（电动势）的测量，可以由下式计算出自来水的流量：

word/media/image37.gif

电磁式流量计的优点是：

1）安装方便；1）不影响流体流动；3）受流体粘度影响小；4）受流速分布影响小；5）测量范围宽；6）测量误差小。

习题8

1.简要说明气体传感器有哪些种类，并说明它们各自的工作原理和特点。

答：

半导体气体传感器是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，来检测气体的成分或浓度的气体传感器。半导体气体传感器大体可分为电阻式和非电阻式两大类。

固体电解质式气体传感器这类传感器内部不是依赖电子传导，而是靠阴离子或阳离子进行传导，因此，把利用这种传导性能好的材料制成的传感器称为固体电解质传感器。

接触燃烧式气体传感器是将白金等金属线圈埋设在氧化催化剂中构成。使用时对金属线圈通以电流，使之保持在300～600οC的高温状态，同时将元件接入电桥电路中的一个桥臂，调节桥路使其平衡。一旦有可燃性气体与传感器表面接触，燃烧热量进一步使金属丝升温，造成器件阻值增大，从而破坏了电桥的平衡。其输出的不平衡电流或电压与可燃烧气体浓度成比例，检测出这种电流和电压就可测得可燃性气体的浓度。

电化学式气体传感器包括离子电极型、定电位型、加伐尼电池型等种类。

集成型传感器有两类：一类是把敏感部分、加热部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能；另一类是把多个具有选择性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一个衬底上，用微机处理和信号识别的方法对被测气体进行有选择性的测定，这样既可以对气体进行识别又可以提高检测灵敏度。

2. 简要说明在不同场合分别应选用哪种气体传感器较适宜。

答：

为防止常用气体燃料如煤气（H2、CO等），天然气（CH4等）、液化石油气（C3H8、C4H10等）及CO等气体泄漏引起中毒、燃烧或爆炸，可以应用可燃性气体传感器配上适当电路制成报警器。目前在该报警器上大都使用SnO2气体传感器。但在湿度较大的场合例如厨房等，宜使用α-Fe2O3气体传感器为核心的报警器，因为此类传感器对湿度敏感性小，稳定性较好。

汽车为了节约能源，防止环境污染和保持一个良好的车内环境，需要配备各种气体传感器。控制燃空比，需用氧传感器；控制污染，检测排放气体，需用CO、NOx、HCl、O2等传感器；内部空调，需用CO、烟、湿度等传感器。在控制燃空比中使用的传感器最好选用固体电解质的经稳定化处理的ZrO2传感器。

在Fe和Cu等矿物冶炼过程中常使用氧传感器，在半导体工业中需用多种气体传感器，在食品工业中也常用氧传感器。

例如高炉用的氧传感器。在铁矿精炼时，使用的传感器必须满足600οC以上的高温，耐热冲击性好，与熔融金属不发生反应，耐腐蚀，电阻小。因此常用经稳定化处理的ZrO2氧传感器。

在半导体工业中常用的气体毒性大，需检测浓度极低（为10-19级），需要能够检测极低浓度、可靠性好的传感器。如果从保存方便、经济角度考虑，电化学气体传感器是最有希望应用的。

在食品工业方面，在对水产物的鲜度进行科学评价时，常用气体传感器。如在鱼的保鲜时，鱼肉中有的核酸会分解，其消耗氧量可用电化学氧传感器测定，也可用氧电极测定，以测鲜度。

对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，因为需要定量测量，宜选用电化学气体传感器。

在家电中除用于可燃气泄漏报警及换气扇、抽油烟机的自动控制外，也用于微波炉和燃气炉等家用电器中。在微波炉中常选用SnO2气体传感器，气体传感器测量出从食品中发出气体的浓度，可根据事先对不同食品的特性，选择负载电阻，确定响应时机，以实现烹调的自动控制。在燃气炉中常使用ZrO2气体传感器测量燃空比。

3. 说明含水量检测与一般的湿度检测有何不同。

答：通常将空气或其它气体中的水分含量称为“湿度”，将固体物质中的水分含量称为“含水量”。

固体物质中所含水分的质量与总质量之比的百分数，就是含水量的值。

4. 烟雾检测与一般的气体检测有何区别。

答：烟雾是比气体分子大得多的微粒悬浮在气体中形成的，和一般的气体成分的分析不同，必须利用微粒的特点检测。这类传感器多用于火灾报警器，也是以烟雾的有无决定输出信号的传感器，不能定量地连续测量。

5. 根据所学知识试画出自动吸排油烟机的电路原理框图，并分析其工作过程。

答：如图所示。

室内可燃气体增加时，由于气敏器件接触到可燃气体而其阻值降低，使流经测试回路的电流增加，可直接驱动继电器接通电风扇，进行吸排油烟。

6. 目前湿度检测研究的主要方向是什麽？

答：目前湿敏传感技术的研究还远远不如对温度等其他传感器技术研究得那麽精确和完善。湿度较难检测的原因在于湿气信息的传递较复杂。湿信息的传递必须靠其信息物质——水对湿敏元件直接接触来完成。因此，湿敏元件不能密封、隔离，必须直接暴露于待测的环境中。而水在自然环境中容易发生三态变化。当其液化或结冰时，往往使湿敏器件的高分子材料或电解质材料溶解、腐蚀或老化，给测量带来不利。因此，目前湿敏元件在长期稳定性方面还存在一些问题。人们为了得到长期可靠的湿度传感器，有时宁可在测量精度、响应时间、湿度和温度特性、形状尺寸等方面作出一些牺牲。现在，根据大工业自动化微机控制的需要，又向人们提出了湿度传感器微型化、集成化、廉价的发展方向。

7. 什么是非电量传感器？请举一例子，说明其用途，画出其应用电路。

答：将非电物理量转换为光、重量。质量等非电量来进行检测的传感器为非电量传感器。例如用天平称质量法测物品的含水量。

电路图略。

8. 将图8-14所示空气湿度检测电路的输出，接到ICL7106显示驱动集成电路和液晶显示器，成为液晶显示空气湿度检测器。画出电路图。

答：如图所示，具体接线脚可查阅ICL7106集成电路资料。

ICL7106与液晶的接线脚

单电源使用时，ICL7106的1脚接正电源，21脚接地，双电源使用时，ICL7106的1脚接正电源，21脚接负电源。

习题9

1. 生物传感器的信号转换方式有哪几种？

答：

（１）化学变化转换为电信号方式

　　用酶来识别分子，先催化这种分子，使之发生特异反应，产生特定物质的增减，将这种反应后产生的物质的增与减转换为电信号。能完成这个使命的器件有克拉克型氧电极、H2O2电极、H2电极、H+电极、NH4电极、CO2电极及离子选择性FET电极等。

（２）热变化转换为电信号方式

固定在膜上的生物物质在进行分子识别时伴随有热变化，这种热变化可以转换为电信号进行识别，能完成这种使命的便是热敏电阻器。

（３）光变化转换为电信号方式

萤火虫的光是在常温常压下，由酶催化产生的化学发光。最近发现有很多种可以催化产生化学发光的酶，可以在分子识别时导致发光，再转换为电信号。

（４）直接诱导式电信号方式

分子识别处的变化如果是电的变化，则不需要电信号转换器件，但是必须有导出信号的电极。例如：在金属或半导体的表面固定上抗体分子，称为固定化抗体，此固定化抗体和溶液中的抗原发生反应时，则形成抗原体复合体，用适当的参比电极测量它和这种金属或半导体间的电位差，则可发现反应前后的电位差是不同的。

2. 生物传感器有哪些种类，简要说明其工作原理。

答：酶传感器的基本原理是用电化学装置检测酶在催化反应中生成或消耗的物质（电极活性物质），将其变换成电信号输出。

对葡萄糖氧化反应起一种特异催化作用的酶—葡萄糖氧化酶（GOD），并研究出用它来测定葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，

微生物传感器是利用多种酶有关的高度机能的综合即复合酶。也就是说，微生物的种类是非常多的，菌体中的复合酶、能量再生系统、辅助酶再生系统、微生物的呼吸及新陈代谢为代表的全部生理机能都可以加以利用。因此，用微生物代替酶，有可能获得具有复杂及高功能的生物传感器。

免疫传感器是利用抗体对抗原结合功能研制成功的，根据抗体膜的膜电位的变化，就可测定抗原的吸附量。

半导体生物传感器是由半导体传感器与生物分子功能膜、识别器件所组成。

将生物中具有识别功能的合成蛋白质、抗原、抗体、微生物、植物及动物组织、细胞器等固定在某载体上也可用作识别元件。，同时测量多种化学物质，具有这样功能的传感器称为多功能传感器。

3. 比较微波传感器与超声波传感器有何异同。

答：微波是电磁波，微波传感器频率高，衰减小，作用距离远，受外界影响小，绕射性少。微波在液体、固体中衰减很快，微波传感器不能用于液体、固体测量。超声波是机械振荡波，超声波传感器频率低，衰减大，作用距离近，受外界影响大，但绕射性能好。两者都有直射、反射、折射性能。超声波传感器可用于液体、固体测量。

4. 简述超声波传感器测流量的基本原理。

答：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头，（F1，T1）、（F2，T2），其中（F1，T1）的超声波是顺流传播的，而（F2，T2）的超声波是逆流传播的。根据这两束超声波在流体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差、相位差或频率差等方法，可测量出流体的平均速度及流量。

5. 超声波传感器如何对工件进行探伤？有何优点？还有哪些传感器可用于对工件进行无损探伤？

答：超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、管材、锻件和焊缝等材料中的缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）、测定材料的厚度、检测材料的晶粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等。超声波探伤因具有检测灵敏度高、速度快、成本低等优点，因而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得到广泛的应用。

超声波探伤方法多种多样，最常用的是脉冲反射法。而脉冲反射法根据超声波波型不同又可分为纵波探伤、横波探伤、表面波探伤。

X射线也可以用于对工件进行无损探伤。

6. 机器人传感器主要有哪些种类？

答：机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。

内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置，它安装在机器人自身中用来感知机器人自己的状态，以调整和控制机器人的行动。它通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。

外界检测传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人—环境能发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。

7. 接近觉传感器是如何工作的？举例说明其应用。

答：接近觉是机器人能感知相距几毫米至几十厘米内对象物或障碍物的距离、对象物的表面性质等的传感器。其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便后续动作。

例如电磁式接近觉利用涡流效应产生接近觉。加有高频信号的励磁线圈 L产生的高频电磁场作用于金属板，在其中产生涡流，该涡流反作用于线圈，通过检测线圈的输出可反映出传感器与被接近金属间的距离，这种接近传感器精度高，响应快，可在高温环境中使用，但检测对象必须是金属。

8. 指纹识别主要经过哪几个步骤？指纹传感器在指纹识别中起什么作用？

答：指纹识别过程主要包括：

指纹图像采样、指纹图像预处理、二值化处理、细化、纹路提取、细节特征提取和指纹匹配（指纹库查对）。

指纹传感器通过传感信号进行指纹图像采样，并转换为数字信号，送微处理器进行指纹识别。

9. 温差效应指纹传感器FCD4B14由哪几部分电路组成？它们在指纹采样过程中各起什么作用？

答：FCD4B14是基于温差效应的指纹传感器，芯片表面有0.4mm×14mm的温度传感区域，内部有行选和列选电路、A／D转换器、锁存器和恒温电路。

传感区域包含8行×280列＝2240个像素，为1帧，用来感应手指与传感区域接触部位的温度差，并转换为电信号。

列选脉冲从传感区域按顺序选出像素列，再由行选脉冲选出像素。

A／D转换器将像素电信号转换为数字信号，由锁存器组成一个字节（8位）的数字信号输出到微处理器。

恒温电路保证指纹图像采样不受环境温度的影响。

10.本书共介绍了哪些基本传感器？试根据其原理不同进行归类总结。

答：目前为止学的都是基本传感器，品种很多，归类为

温度传感器、力传感器、磁传感器、光传感器、图像传感器、位移传感器、气体传感器、湿度传感器、生物传感器等，机器人传感器属于综合型传感器。

11. 简单叙述电容式触摸屏的工作原理，电容式触摸屏为什么不能用手写笔书写？可否用于多点触控触摸屏？

答：电容式触摸屏是把透明的ITO金属层涂在薄膜和玻璃板上作为上下（外层和内层）导电体，上下导电体形成一个电容，在上下导电体四边有窄长的电极引出，与外电路形成振荡器。

当用手指或其他导电物体触摸或触碰时，电容发生变化，振荡器振荡频率也发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸或触碰位置。

电容式触摸屏不能用手写笔，也不能用其他非导电物体，因为它们不会引起电容变化。手是导电体，触摸会引起电容变化。

电容式触摸屏可以用于多点触控。

12. 微机电系统具有哪些特点？叉指换能器微温度传感器是如何工作的？

答：微机电系统具有以下特点：

1）体积小，重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短，可以嵌入大尺寸系统中使用。

2）以硅为主要材料，硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，

3）用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个MEMS，再切割封装成产品，批量生产可大大降低成本；

4）可把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微机电系统。

叉指换能器微温度传感器由叉指换能器和声表面波传播通道形成了选频和反馈网络，与同相放大器组成了振荡器。振荡频率等于相邻叉指对之间的距离M的两倍的倒数。

若环境温度改变，则M值会随之改变，振荡信号频率就会改变。用频率计测得频率的变化Δf，由计算机计算可获得温度的变化ΔT。

ΔT＝kΔf／f0

习题10

1. 什么是智能传感器？它有什么样的功能？

答：全球性的电气电子工程师学会（IEEE）在1998年通过了智能传感器的定义，即“除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还同时具有简化换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器”。但不少专家认为，未来的智能传感器所包含的内容要丰富得多。

智能传感器是具备了记忆、分析和思考能力，输出期望值的传感器。不仅在物理层面上检测信号，而且在逻辑层面上对信号进行分析、处理、存储和通信，相当于具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能，所以称之为智能传感器。

2. 人的智能是如何实现的？它的3层结构分别是什么器官？如何工作？

答：人类的智能是基于即时获得的信息和原先掌握的知识。人类的智能能辨识目标是否正常，能预测灾难，能知道环境是否安全和舒适，能探测或辨别复杂的气味和食品的味道。这些都是人类利用眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等（底层）获得的多重状态的传感信息与人类积累的知识相结合（大脑－中间层）而归纳（大脑－顶层）的概念。所以说，人类的智能是实现了多重传感信息的融合并且把它与人类积累的知识结合了起来。

3. 智能传感器的3种实现途径是什么？试举例说明。

答：1）利用计算机合成（智能合成）；

利用计算机合成的途径即智能合成是最常见的，利用计算机对测温数据进行数据处理的智能红外测温仪，就是它的一个例子。

这种智能传感器称为计算型智能传感器。

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径，其结构形式表现为传感器与特殊功能的材料的结合，以增强检测输出信号的选择性。其工作原理是用具有特殊功能的材料（也叫做智能材料）来对传感器检测输出的模拟信号进行辨别，仅仅选择出有用的信号输出，对噪音或非期望效应则通过特殊功能进行抑制。

比如固定在生物传感器顶端的酶就是特殊功能材料的一个典型例子。

3）利用功能化几何结构（智能结构）；

功能化几何结构的途径是将传感器做成某种特殊的几何结构或机械结构，对传感器检测的信号的处理通过传感器的几何结构或机械结构实现。

凸透镜或凹透镜是最简单的，不同媒质间表面折射和反射的应用例子。只有来自目标空间某一定点的发射光，才能被投射在图像空间的一个定点上；而影响该空间点发射光投射结果的其它点的散射光，投射效应可由凸透镜或凹透镜在图像平面滤除。

4. 为什么说“人的指头就是传感器与执行器合成的典型例子”？利用气体、液体和固体的热胀冷缩，试设计几个传感器与执行器合成的器件。

答：人的指头首先作为传感器去感觉东西的存在，该信息传输到大脑，经过大脑对信息处理后，发出抓住东西的指令，手指作为执行器去抓住东西。所以说，人的指头就是传感器与执行器合成的典型例子。

热气球升空，水壶的水开了水蒸气吹响哨子，酒精温度计、双金属温度触点开关等，是传感器与执行器合成的器件。

5. 举一个计算型智能传感器的例子，画出组成框图，并解释计算型智能传感器的工作过程。

答：混合智能压力传感器如图所示。

图中，采用二次集成技术，在一个管壳内封装了MCU、无线发送器、电源管理器、总线和温度、湿度、压力和加速度等传感器，体积仅5cm3。用6V电池供电，功耗小于700μW，可连续工作180天。

具有数据处理功能，可根据环境参数的变化，自动开始测量或改变测量频率。

采用Motorola公司生产的68HC11单片机，含内存、8位A／D转换、时序电路和串行通信电路。

含温度传感器、湿度传感器、压力传感器阵列、加速度传感器阵列，启动加速度计阵列。处理后的数据通过无线发送器或RS－232接口发送出去。

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6. 试设计一个具有自学习能力的智能传感器，解释自学习过程。

答：如图所示。

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触摸手写显示屏的手写输入就是一个自学习能力的智能传感器。CPU要对手写输入笔书写的字体与字库存储的字进行对照学习，然后存入存储器。以后就能识别该手写字体，对手写输入进行正确识别、存储和打印。

7. 什么是多传感器融合？什么是数据融合？多传感器融合系统有什么作用？

答：多传感器融合指多个基本传感器空间和时间上的复合应用和设计，常称为多传感器复合。多传感器融合能在最短的时间内获得大量的数据，实现多路传感器的资源共享，提高系统的可靠性和鲁棒性。

数据融合也称信息融合，是把分布在不同位置的，多个同类或不同类基本传感器所提供的局部不完整观测数据，进行合并或综合，消除可能存在的冗余和矛盾，降低不确定性，形成相对完整一致的感知描述，提供给决策和执行系统。

多传感器融合系统是用计算机对多个基本传感器的检测数据，在一定准则下进行分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性解释与描述，形成相应的决策和估计。

8. 什么是模糊传感器？如何通过温度基本传感器实现模糊温度符号输出？

答：模糊传感器是智能传感器的一种，是以数值量为基础，产生被测量状态的模糊符号信息的传感器。

通过温度基本传感器实现模糊温度符号输出的大致步骤为

1）在温度基本传感器的温度测量值集合上选取有限几个“有代表性”的温度值；

2）将这些“有代表性”的温度值用模糊语言符号表示，生成模糊语言符号集合；

3）再把温度基本传感器的每一个温度测量值，分别选择模糊语言符号集合中的最相近，最合适的模糊语言符号来表述。

习题11

1. 分布式传感器网络系统与单个传感器的用途有什么不同？

答：传感器网络可以实施远程采集数据，并进行分类存储和应用。

传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。

不同任务的传感器、仪器仪表（执行器）与计算机一旦组成网络，即可凭借智能化软硬件(诸如模式识别、神经网络的自学习、自适应、自组织和联想记忆功能)，灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力，区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。

2. 数量巨大的传感器加入Internet互联网络会产生什么样的功能？试设计一种传感器加入Internet网络互联，解释其使用。

答：若将数量巨大的传感器加入互联网络，则可以将互联网延伸到更多的人类活动领域。数十亿个的传感器将世界各地连接成网，能够跟踪从天气、设备运行状况到企业商品库存等各种动态事务，从而极大地扩充互联网的功能。

如图所示，智能医疗房间加入Internet网络互联，使用微尘（微型传感器节点）来测量各地居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况，通过Internet互联网络传送到医院医护中心。

3. 解释图11.3所示的智能传感器网络的工作原理和信号流程。

答：图中所示为多个传感器和一台单片机组成的智能传感器——气象参数测试仪。光照、温度、气压、烟雾、声音等由不同的传感器转换为电量，经A/D变换后输入单片机，由单片机根据原存储的参照信息进行计算处理，得出气象情况判断，交显示器显示和洒水机、空调机等执行设备前去执行。

4. OSI开放系统互连参考模型的哪一层分别处理以下问题:

1）把传输的比特流划分为帧。

答：数据链路层

2）决定哪条路径通过通信子网络。

答：网络层

3）提供端到端的服务。

答：传输层

4）为了数据的安全将数据加密传输。

答：表示层

5）光纤收发器将光信号转换为电信号。

答：物理层

6）电子邮件软件为用户收发传感器传感数据资料。

答：应用层

5. 汽车网络CAN协议有哪些用途？

答：CAN是Robert Bosh GmbH提出的一种串行通信的协议，初衷是应用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信，现在主要用于汽车之外的离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的低层监控，解决控制与测试之间的可靠和实时的数据交换。

CAN是一种多用户协议，它允许任何网络节点在同一网络上与其他节点通信，传输速率范围为5Kb/s～1Mb/s。CAN利用载波监听、多路复用来解决多用户的信息冲突，使最高优先级信息在最低延迟时间下得以传输。此外灵活的系统配置允许用户选择，导致了CAN系统在自动化及工业控制上的应用。

CAN的物理传输介质包括屏蔽或非屏蔽的双绞线、单股线、光纤和耦合动力线，一些CAN系统的用户已在进行射频传送的研制。

6. 工业网络有哪一些协议？它们的传输速率和传输距离分别是多少？

答：CAN协议被制造商在工业应用领域所采用与推崇，CAN协议通信网络由于更简单和更低成本而获得发展，并作为了一种工业标准。

LonTalkTM协议定义了OSI模型中的所有七个层。其数据长度为256字节，通信速率高达1.25Mb/s，多用户信息传输冲突的仲裁通过预测性载波侦听和多路访问作出，具有冲突检测和优先级选择功能。

应用比较广泛的其他工业协议有：

1）可寻址远程传感器通道HART

2）过程现场总线Profibus

由三部分组成：分布式外设DP，现场总线信息规范FMS和过程自动化PA，不同的部分针对不同的应用场合，因此Profibus应用领域十分广泛。

DP和FMS有两种传输技术：一种是RS-485，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线形，通信速率为9.6Kb/s时，传输距离为1200m；通信速率为12Mb/s时，传输距离为100m。每段最多节点数为32。另一种是采用光缆，用于电磁兼容性要求较高和长距离传输的场合。

PA采用IEC1158-2传输技术，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线形或树形，通信速率为31.25Kb/s，传输距离为1900m，每段最多节点数为32，支持总线供电和本质安全结构。

DP主要用于对时间要求苛刻的分散的外围设备间的高速数据传输，适合于加工自动化，具有高效低成本的特征。PA主要用于工业流程自动化，对安全性要求高和由总线供电的场合；FMS主要用于解决车间内通用设备的通信任务。

3）TOPaz

TOPaz能掌管高达255个节点并以1Mb/s的速度传输。当传输距离大到1km时，这个速率将降低到500Kb/s。不止一个的主系统有决定权，并使用冲突仲裁标记传送，物理层使用EIA-485接口。

7. 办公室与楼宇自动化网络有什么功能？

答：办公室与楼宇自动化网络，在办公室和楼宇的各个需要的部位安置有节点传感器，节点传感器的传感信息随环境而变，将状态和信息通过网络传送给能够响应这种改变的节点，由节点执行器依据相关信息作出调整和动作，例如断开或关闭气阀、改变风扇速度、花木喷灌、能源使用监视、启动防火开关、启动报警、故障自诊断、数据记录、接通线路、传呼通信、信号验证等等。

8. 解释家庭自动化网络系统的组成和应用。

答：家庭自动化网络系统用于智能化住宅工程，接口有：电炊具、供暖、通风、空调系统、热水器、安全系统和照明，还有公用事业公司在家庭应用方面的远程抄表和用户设备管理，按照家庭自动化网络协议进行数据通信和执行器运行管理。

9. 无线传感器网络由哪几部分组成？无线传感器节点起什么作用？

答：无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点、移动通信或卫星通信网、监控／管理中心、终端用户组成。

无线传感器节点通过微型传感器采集网络分布区域内的环境或监测对象的温度、湿度、压力、气体、光照等信息，由嵌入式系统对信息进行处理，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合，再以多跳转发的无线通信方式，把数据发送到汇聚节点。

10. 为了节省电池能量的消耗，无线传感器节点要在工作和休眠之间切换。结合学过的传感器知识，设想两种工作和休眠状态的切换方案。

答：1）用光传感器，可以实现白天工作，晚上休眠的切换。

2）用温度传感器，可以实现高温时工作，低温时休眠的切换。

3）用湿度传感器，可以实现下雨时工作，天晴时休眠的切换。

4）用烟雾传感器，可以实现有烟雾时工作，无烟雾时休眠的切换。

5）用气体传感器，可以实现有异常气体时工作，无异常气体时休眠的切换。

11. 试设计一用于城市环境监测的无线传感器网络，画出框图，并解释其工作原理。

答：无线传感器网络作为微机电、通信和传感器三种技术相结合的产物，广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居等领域。

试设计的一个用于城市环境监测的无线传感器网络如图所示。

1）传感器节点可以是单传感器型，也可以是多传感器型。

2）汇聚节点数量和位置，应按地理位置和无线网络信号覆盖情况选取和安置。

3）可以借助移动通信网或单独设置无线网络进行信号传输。

4）传感器节点可用太阳能电池或纽扣电池供电，要采取工作、休眠切换节电措施。

传感器节点检测的环境数据经汇聚节点处理后，经无线基站，发送到无线通信传输网络交换中心，再经有线或无线网络、Internet网传送到城市环境监测管理中心的计算机中心，处理后，传送到有关单位用户或广播、短信通知个人用户。

传感器技术与应用第3版习题答案