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《传感器技术》作业（1）一、填空题：1.测试技术包含测量和试验两方面，凡需要考查食物的状态变化和特征等并对他进行定量的描述时，都离不开测试工作。2.测试工作是为了获取研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。从物理学观点出发，他的物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。传输他的载体称为信号。3.信号中虽然携带信息，但是信号中既含有我们所需的信息，也常常含有大量我们不感兴趣的其他信息，后者统称为干扰。相应地对信号也有有用信号和干扰信号的提法，但这是相对的。4.传感器是测试系统的第一环节，将被测试系统或测试过程中需要观测的信息转化为人们所熟悉的各种信号。5.信号变换的具体内容很多，如用电桥将电路性参数（如电阻电容电感）转换为可供传输处理显示和几率的电压或电流信号；利用滤波电路抑制噪声和选出有用信号；对在传感器及后续环节中出现的一些误差作必要的补偿和校正信号送入计算机以前需经模-数转换及在计算机处理后续处理时需经数-模转换等。6.根据传感器的工作机理，传感器可分为机构性和物性型两大类。结构型传感器依靠传感器的结构参数变化而实现信号变换。物性型传感器在实现变化过程中传感器的结构参数基本不变，而仅依靠传感器中元件内部物理、化学性质变化实现传感功能。7.电路参量式传感器包括电阻式、电感式、电容式三种基本形式。8.传感器可按其输入量进行分类，例如用来测力的称力传感器，测量位移的称位移传感器。这种分类方法便于使用者选用传感器。9.在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应；在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应，也称为内光电效应；在光线作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。10.光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。11.常用的光电器件光源有发光二极管、钨丝灯泡、电弧灯和石英灯和激光。12.光纤的分类方法有很多，按折射率分布情况可分为阶跃型和渐变型；光纤按传输模式多少分为单模和多模光纤。根据光纤在传感器中的作用，光传感器可以分为传感型和传光型。13.码盘的分辨力与位数有关，为了提高精度，就要增加位数。二进制码盘很简单，但实际应用中对码盘的制作要求十分严格，否则就会出错。解决这个问题的方法之一是采用循环码。14.光电式编码器由光源、光学系统、码盘、光电接收元件、处理电路等组成。15.将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角θ。这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。16.当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向。莫尔条纹具有放大和平均误差的作用。17.光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组成。18.激光具有方向性强、亮度高、单色性强和相干性好等优点。19.根据工作物质不同，激光器可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。二、简答题1、什么是测试、信息、信号、传感器？答：测试是具有试验性质的测量。测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然信息的途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础。信息一般理解为消息、情报或知识。信号是信息的载体。信息总是通过某种物理量的形式表现出来，这些物理量就是信号。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置。2、简述测试工作的任务。答：测试工作是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。测试工作总是根据一定的目的和要求，获取有限的、观察着感兴趣的某些特定的信息。测试工作总是要用最简捷的方法获得和研究任务相联系的、最有用的、表征特征的有关信息，而不是企图获得该事物的全部信息。3、画出测试系统（不含信号处理功能）的组成框图，并说明各组成部分的作用。答：4、传感器是由哪几部分组成的？答：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。传感器信号变换显示、记录被测量观测5、按传感器的工作机理、能量转化方式、输入量及物理原理四种方法，传感器分别是如何分类的？答：按照传感器的工作机理，可分为结构型与物性型两大类。按照传感器的能量转化情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。按照物理原理分类，可分为：电路参量式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、波式传感器、热点式传感器、射线式传感器、半导体式传感器、其他原理的传感器等。按照传感器的输入量分类：几何量、力学、温度、湿度、实践、电量、磁性、光学、声学、射线、化学、生理。6）对测量对象的影响小，即“负载效应”较低。6、光电式传感器的原理是什么？答：光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。7、光电器件的基本特性有哪些？答：各种光电器件都有下述特性：（1）光电流光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。（2）暗电流光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。（3）光照特性当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称为光照特性。一般可表示为。（4）光谱特性当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。（5）伏安特性在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系称为伏安特性。（6）频率特性在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S随调制频率f变化的关系：、称为频率特性。（7）温度特性环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。8、半导体色敏器件的测光原理是什么？答：色敏器件检测颜色的原理是：集成片表面（PN结距表面约0.5μm）的光电二极管PD1对短波长光谱响应较强，深处（PN结深约10μm）的光电二极管PD2对于长波长光谱响应较强，如图8-14所示。这样PD1和PD2短路电流的比值为图8-15所示的一条曲线，根据比值与入射光波长的一一对应关系，就可直接求得入射光波长。结型场效应光敏管的缺点是响应速度慢，一般只适宜探测恒定或缓慢变化的微弱光。9、常用的光源有哪些？各有什么特点？答：（1）发光二极管是利用PN结把电能转换成光能的半导体器件。它具有体积小、机械强度高、寿命长、电压低、电流小、耗电少、响应速度快和使用方便等优点，尤其是它能与集成电路或晶体管共用电源，或直接由晶体管控制控制发光，因此广泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制等设备中。（2）钨丝灯泡是一种常用的光源。它和白炽灯一样，都是利用电能使灯丝发热到白炽状态而发光的电光源。它克服了白炽灯发光效率低的缺点，发光效率比白炽灯高2~3倍，体积小，光通量稳定，具有丰富的红外线。（3）电弧灯和石英灯，它们能产生紫外线，在测量液体中悬浮的化学药品含量时常用这种光源。紫外线的聚光镜头应采用石英或石英玻璃制造，因为普通玻璃具有吸收紫外线的能力。（4）激光与一般的日光、灯光等普通光源相比，具有方向性强、单色性好、亮度高和相干性好的优点，是理想的光源。到目前为止，已发现有上千种工作介质能产生上万种不同波长的激光。根据工作介质不同，激光器可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和自由电子激光器等。10、光线能在光纤中传播的原理是什么？答：如图（a）所示，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中，如图（b）所示。这是由于有些光束的入射角小于临界角，不能发生全反射的原因。这样输出的光强就发生了变化，而且受力越大，光纤微弯的程度也越大，泄漏的光越多，根据光强的变化就可确定所受压力的大小。11、光码盘的工作原理是什么？答：码盘式传感器是建立在编码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数字式的传感器。码盘按结构可以分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式测量。光电式编码器由光源、光学系统、码盘、光电接收元件、处理电路等组成。由光源发出的光线经透镜变成一束平行光照射在码盘上，通过透光部分的光线经狭缝照射到光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，这样几个光电元件输出的电信号组合就反映了角度信息，经处理电路得到被测角度的数字量。12、为什么采用循环码码盘可以消除二进制码盘的那种粗误差？答：为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。对n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率α=360°/2n。13、什么叫莫尔条纹？莫尔条纹有哪些性质？莫尔条纹测量位移和方向的原理是什么？答：将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹是基于光的干涉效应产生的。莫尔条纹的性质：（1）莫尔条纹运动与光栅运动的关系。当两块光栅中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相对应的关系。因此可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。（2）莫尔条纹的放大作用。B/w=1/sinθ≈1/θ，令B/w=K为放大倍数，由于θ很小，所以K很大。这样，虽然光栅的栅距w很小，很难观测，但是条纹间隔B却很明显，可以观测。（3）莫尔条纹的平均误差作用。莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成的，如果光栅的栅距有误差，则各交点的连线将不是直线。光栅测量中，由于光电元件接收的一个区域内所含的众多栅线所形成的莫尔条纹，个别栅线的误差，对整个莫尔条纹的影响很小了，即莫尔条纹具有平均误差的作用。莫尔条纹测量位移原理：根据莫尔条纹的性质，在理想情况下，对于一固定点的光强，随着主光栅相对于指示光栅的位移x变化而变化，但由于光栅副中留有间隙、光栅的衍射效应、栅线质量等因素的影响，光电元件输出信号近似于正弦波。主光栅移动一个栅距w，输出信号u变化一个周期2π。输出信号经整形变为脉冲，脉冲数、条纹数、光栅移动的栅距数是一一对应的，因此位移量为x=Nw，其中N为条纹数，w是栅距。莫尔条纹测量方向原理：在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，又有反向运动。用一个光敏元件在固定点测莫尔条纹，得到的是正弦信号，这个信号只能判断位移大小，不能判断位移方向。为了解决辩向问题，在实际使用中，常用两个光电接收原件同时接收莫尔条纹，二者相差B/4距离，这样两个光电元件接收到的正弦信号相位相差90°，根据两个信号超前、落后的情况就可判断出位移的方向。14、光栅传感器的光学系统中有哪几种分类方法？答：（1）光源：有单色光和普通白光两种。（2）光栅付：是光栅传感器的重要组成部分，它们的精度直接影响光栅传感器的精度。（3）光路系统：透射式和反射式。（4）光电接收元件：硅光电池、光电二极管、光电三极管。