栾桂冬版传感器范文.doc

栾桂冬版传感器范文 第一章引言1.国家标准的传感器定义是什么。 它一般有哪两种组件组成。 各举两个有和中间环节的传感器的例子。 答:国标定义如是:“能够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，通常由敏感组件和转换组件组成”。 敏感组件，是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换组件，是指传感器中能将敏感组件感受到的或响应的被探测量转换成适于传输和测量的量的部分。 例如电阻应变式传感器、柱式传感器等。 2.概述传感器的发展趋势。 答展望未来，传感器将向着小型化、集成化、多功能化、智能化和系统化的方向发展，由微传感器、微执行器及信号和数据处理器总装集成的系统越来越引起人们的广泛关注，传感器市场将会迅速发展，并将会加速新一代传感器的开发和产业化。 4.什么是传感器的灵敏度和线性度。 答灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数，定义为传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比。 线性度是评价非线性程度的参数，定义为传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直线的最大偏差与传感器满量程输出之比。 5.什么是传感器的静态和动态响应。 答传感器在稳态（静态或准静态）信号作用下，输入和输出的对应关系成为静态响应特性；动态特性就是指传感器待对随时间变化的输入量的相应特性。 6.给出零阶，一阶，二阶系统的传递函数及响应的公式，并指出基本特征参数。 答 （1）一阶传感器的传递函数H(s)?一阶传感器的单位阶跃响应?Y(S)1?X(S)?s?1dy(t)?y(t)?x(t)，dt式中x(t)、y(t)分别为传感器的输入量和输出量 （2）二阶传感器的单位阶跃响应?n2二阶传感器的传递函数H(s)?2，2s?2?n s?n式中，n传感器的固有频率；传感器的阻尼比特性指标时间常数一阶传感器时间常数越小，响应速度越快。 延时时间t d传感器输出达到稳态值的50%所需时间。 上升时间t r传感器输出达到稳态值的90%所需时间。 最大超调量p传感器输出超过稳态值的最大值，?p?y(t p)?y(?)y(?)?100%峰值时间t p响应曲线到达第一个峰值所需的时间。 响应时间t s响应曲线衰减到稳态值5%或2%范围内所需的时间。 dx?3x?15y，x是位移（m），y是压力（N/m），求dt其静态灵敏度和时间常数。 7.某位移传感器描述为0.03解:传递函数为G(s)=15/(0.03s+3)=5/(0.01s+1)=k/(s+1)，其中k=5是系统的静态灵敏度，=0.01为时间常数8.某加速度传感器描述为，x是位移（m），y是力（N），求其静态灵敏度、固有频率和阻尼比。 解:传递函数为G(s)=(X(s)/(Y(s)=800/(（4s2+1000s+40000）)，则静态灵敏度k=800/40000=0.02，固有频率n=(40000/4)=100，阻尼比=1000/(2(400004)=1.25第二章应变式传感器1.应变式传感器依据什么物理效应？推导单根导电丝的灵敏度。 为什么半导体丝的灵敏度比金属丝的大，大多少？答应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。 单根导电丝的灵敏度k0=1+2u+E对于金属来说，E很小，可忽略不计，u=0.250.5，故k0=1+2u1.52。 对于半导体而言，E比1+2u大得多，压阻系数=（40-50）10m2/s，E=50100，故1+2u可忽略不计。 可见，半导体灵敏度要比金属大50100倍。 2用基长L=0.5mm应变计测量应变，应变丝用钢材料，其声速v=5000m/s，若要使测量应变波幅的相对误差e=1%，求其允许测量的最高工作频率。 解:由公式f=v/L6e=50003.140.5(60.01)=780KHz可得允许测量的最高工作频率为f=780KHz3.应变式传感器的转换元件是什么？导出它的 （1）平衡条件； （2）电压灵敏度答应变式传感器的转换元件是应变计（丝）。 （1）当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或R1R3?R2R4 （2）应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。 由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。 当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为:R4?R1?R1?R1R3?R3R1?R1R4?U o?E?E?R?R?R R?R?(R?R?R)(R?R)?R1R2?R4?1234?11234?1?1?1?R1R1?R3?设桥臂比n=R2/R1，由于R1m故有Q?d33Ma a=g时得到的电荷Q值称为灵敏度。 灵敏度也可以用开路输出电压表示U?QC d式中，Cd为晶片的低频电容（自由电容）T?33C d?lAU?所以d33lMaT?33A，a=g即为灵敏度的电压表示法。 固有频率f n?12?kM4.讨论压电加速度传感器的两种等效电路，为什么这种传感器要用电荷放大器？答qC dR d C cR iC iUC dRdCc(b)R iC i(a)压电加速度传感器的等效电路(a)等效电荷源;(b)等效电压源电荷放大器,其输出电压与输入电荷成比例。 使用电荷放大器时,电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计,允许使用很长的电缆。 5.概述SAW传感器的基本结构和原理（画叉指结构图说明）。 a b答WLSAW传感器的基本原理是,在压电材料表面形成叉指换能器,构成SAW振荡器或谐振器,适当设计SAW振荡器或谐振器,使其对微细的待测量敏感。 一般是使待测量作用SAW的传播路径,引起SAW的传播速度发生变化,从而使振荡频率发生变化,通过频率的变化检测待测量。 6.概述SAW气敏传感器的基本结构和原理（画结构图说明）。 答案声表面波的传播路径上敷设一层具有特殊选择性的吸附膜,该吸附膜只对所需敏感的气体有吸附作用。 吸附膜吸收了环境中的某种特定气体,使基片表面性质发生变化,导致SAW振荡器振荡频率发生变化,通过测量频率的变化就可检测特定气体成分的含量第七章压电声传感器1.概述圆柱形压电水听器的基本结构和原理（画结构图说明）。 1答32圆柱形水听器的结构453.18cm6圆柱形压电换能器的转换元件为一压电陶瓷圆管,极化方向常沿着半径方向(径向极化)和长度方向(纵向极化),作接收换能器时,有时极化方向也沿着圆周的切线方向(切向极化)。 当换能器工作于发射状态时,压电陶瓷圆管在电场的作用下,借助反向压电效应,发生伸张或收缩,从而向媒质发射声波。 当换能器工作于接收状态时,压电陶瓷圆管在声信号的作用下发生伸张或收缩,借助正向压电效应,转换为电信号输出。 2.概述压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器的基本结构和原理（画结构图说明）。 答(a)U(b)(c)UU弯曲振动压电陶瓷换能器的工作原理图若把两片极性相同的压电陶瓷薄片胶合在一起,电路上并联,如图(a)所示,或把两片极性相反的压电陶瓷薄片胶合在一起,电路上串联,如图(b)所示,在电场激励下,当某一时刻其中一片伸张时,另一片则收缩,使陶瓷片产生弯曲振动,这就是弯曲振动压电陶瓷换能器的工作原理。 3.概述压电陶瓷双叠片弯曲振动空气超生换能器的基本结构（各部件的作用）和原理（画结构图说明）。 金属丝网罩答锥形共振盘双叠片压电晶片电极引线外壳压电陶瓷双叠片做弯曲振动时圆片上有一节圆，节圆外的振动位移反相，这两部分对远场声压的贡献相互抵消。 锥形共振盘可使这种相互抵消减轻，并有增加声辐射和聚焦声能的作用。 支撑圆环应恰巧支撑于节圆处，以保持晶片近似处于自由振动状态。 金属丝网罩既能保护振子又能正常透声。 第八章半导体传感器1.晶体二级管PN结热敏器件的温度灵敏度是如何导出的？给出数值的结果。 答根据半导体器件原理,流经晶体二极管PN结的正向电流ID与PN结上的正向压降UD有如下关系qU DkTI D?I se?qU g0kT式中,q为电子电荷量,k为玻耳兹曼常数,T为绝对温度,Is为反向饱和电流。 它可写为I s?B?T?eqU g0式中,qUg0为半导体材料的禁带宽度;B和为两个常数,其数值与器件的结构和工艺有关。 将I s?B?T?e?kT取对数并考虑到式子得ID?I seqU DkTUD?kT kTkTlnI D?U g0?lnB?lnTq q q对上式两边取导数,得到PN结正向压降对温度的变化率为dU Dk k kk?lnI D?lnB?lnT?dT qqqq从以上二式得到温度灵敏度为dU DdT?Ug0?U DTk?qdU D?2mV/KdT2.根据黑体辐射的维恩位移定律，求出人体红外辐射的峰值波长。 红外辐射传感器分为哪两大类型，各期基本原理是什么？答人体红外辐射的峰值波长为?m?m=2.8982898T红外热辐射传感器,从原理上又可分为热电型和光量子型。 热电型是指由于辐射热引起元件温度的微小变化,导致电阻一类的物理量的变化,而达到测温的目的。 这类传感器一般与波长无关。 光量子型是利用光电效应制成的,因而与波长有关。 3.提高半导体气敏传感器的气敏选择性有哪些方法？答 （1）由于各种还原性气体的最佳氧化温度不同，因此首先可以通过改变氧化物传感器的工作温度来提高其对某种气体的选择性 （2）通过使用某种物理或化学的过滤膜，使单一气体能通过该膜到达氧化物半导体表面，而拒绝其他气体通过，从而达到选择性检测气体的目的 （3）利用某些催化剂能有选择性的对被测气体进行催化氧化的原理来实现 （4）在MOS元件的金属栅表面添加某种气敏膜，也可以提高MOSFET传感器对特定气体的灵敏度 （5）基于互补增强和互补反馈原理的新型气体传感器可使灵敏度和选择性倍增 （6）使用纳米技术4.什么是纳米技术？纳米技术的两大效应。 答纳米技术是一门在纳米空间（0.1100nm）内研究电子、原子和分子运动规律及特性,通过操作单原子、分子和原子团、分子团,以制造具有特定功能的材料或器件为最终目的的一门技术。 纳米材料有两大效应,一是粒子尺寸降到小于电子平均自由程时,能级分裂显著,这就是量子尺寸效应。 另一个显著效应是表面效应,颗粒细化到一定的程度（100nm以内）后,粒子表面上的原子所占的比例急剧增大,也即表面体积比增大,当这些表面原子数量增加到一定程度,材料的性能更多地由表面原子,而不是由材料内部晶格中的原子决定,使之氧化还原能力增强,自身的催化活性更加活泼。 5.什么是霍尔效应？概述其的基本原理（画结构图说明）。 答霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。 如图为霍尔效应原理图。 如图所示,在厚度为d的半导体长方形薄片上形成四个电极,宽度为w的控制电极和之间通直流电流Ic,而在垂直于半导体薄片表面的方向加磁感应强度B时,则在长度为l的电极和之间根据式子的原理产生霍尔电压。 6.什么是磁阻（