现代传感技术与系统课后答案

现代传感技术与系统课后答案第1章绪论1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？国家标准（GB7665-87）传感器的定义：能够感受规定的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，通常由敏感元件和转换元件组成。2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？共有10种分类形式。根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器；根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。3.举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。结构型：利用物理学中场的定律构成的，特点是其工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。其基本特征是以其结构的部分变化或变化后引起场的变化来反映被测量（力、位移等）的变化。如电容传感器利用静电场定律研制的结构型传感器。物性型：利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管利用了外光电效应，压敏传感器是利用半导体的压阻效应。4.传感器与传感技术概念有什么不同？答：传感器是获取信息的工具。传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术。5.什么叫传感技术？传感技术的特点是什么？答：传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制（建）造、测试、应用及评价改进等活动。特点：传感技术涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术；传感技术的含义比传感器更为广泛，它是敏感功能材料科学、传感器技术、微细加工技术等多学科技术互相交叉渗透而形成的一门新技术学科—传感器工程学；传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。6.什么是信息？信息的基本特征是什么？“信息是物质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。”9可①普遍性；②客观性；③依附性；④时效性（动态性）；⑤可识别；⑥可转换；⑦可传输；⑧可存储；○共享性、永不枯竭性。7.什么是信息技术？什么是3C技术？信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术，是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术，是用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。“3C”技术——CollectionCommunicationComputer)，指信息的收集、通信和计算机技术。8.信息技术包括哪些方面？答：感测与识别技术；信息传递技术；信息处理与再生技术。9.传感器与信息有什么关系？答：信息的感测，识别，传递等都需要传感器来实现。10.物质、能量和信息三者之间的关系是什么？答：物质、能量和信息，作为物质世界的三种资源，具有三位一体相辅相成的关系；信息是客观事物和主观认识相结合的产物，没有信息，物质和能量便无从认识；信息是由能量或物质形态表示的；信息是载荷于能量流传输的；信息在传输过程中需要消耗能量，维持信息传输必须供给能量；信息传输的方向与携带信息的能量流方向是一致的；测量过程中，被测对象应具有足够的负熵才能保证有效测量。11.简述传感技术在现代科学技术、国民经济和社会生活中的地位与作用。答：感受外界信息的电五官信息技术的源头；获取人类感官无法获得的大量信息；工业生产的‘倍增器’，科学研究的‘先官’，军事上的‘战斗力’，国民活动中的‘物化法官’，应用无处不在；没有传感器就没有现代科学技术；发展现代传感技术己成为国家的一项战略措施。12.现代传感器研发呈现的特点是什么？答：1）新技术普遍应用，目前普遍采用电子设计自动化（ＥＤＡ）、计算机辅助制造（ＣＡＭ）、计算机辅助测试（ＣＡＴ）、数字信号处理（ＤＳＰ）、专用集成电路（ＡＳＩＣ）及表面贴装技术（ＳＭＴ）等技术。2）功能日渐完善，随着集成微光、机、电系统技术的迅速发展以及光导、光纤、超导、纳米技术、智能材料等新技术的应用，进一步实现信息的采集与传输、处理集成化、智能化，更多的新型传感器将具有自检自校、量程转换、定标和数据处理等功能，传感器功能得到进一步增强和完善，性能进一步提高，更加灵敏、可靠。3）新型传感器开发加快；新型传感器，大致应包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器；④新材料开发催生的新材料传感器等诸方面。它们之间是互相联系的。13.我国传感器产业发展现状及与国外的差距是什么？如何发展我国的传感器产业？答:现状:缺少具有自主知识产权的创新性成果，科研成果向产业转化速度慢，取得显著社会经济效益的项目少；缺乏大规模生产的企业，高档产品种类少，市场满足率低；生产工艺装备离国际水平有较大差距；整体还处于跟踪状态。差距:器件品种少，高端产品主要依赖进口；自动化、智能化水平较低；模块化、标准化、集成化程度较低；稳定性较差、可靠性较低；信号检测精度较低；性能价格比低，市场竞争力较弱。集中具有强实力的企业，开拓市场，真正形成一定的规模。增加高水平传感器的生产。增强传感研究方面科研投资力度，增加先进的科研设备，提高科研成果的转化效率。14.简述现代传感技术的发展现状与趋势。答:开发新材料、研究新型传感器；向高精度发展；向高可靠性、宽温度范围发展；向微型化发展；向微功耗及无源化发展；向集成化、多功能化发展；向智能化发展；向数字化、网络化发展；多传感器的集成与融合；多学科交叉融合，实现无线网络化；15.举例说明传感技术的应用。答：探月小车，机器人，工程检测。。。第2章传感器的理论基础1.传感器所依据的自然定律、规律有哪些？答：守恒定律；场的定律；物质定律；统计物理学法则2.物理型传感器所依据的物理定律、物理现象、物理效应主要可归纳为哪几类？答：物理定律:守恒定律，场的定律，物质定律，统计物理学法则；物理现象：量子现象（量子尺寸效应、光电效应，核磁共振、约瑟夫逊效应），热平衡现象（热平衡一次效应，热平衡二次效应），传输现象（塞贝克效应，珀耳帖效应）；物理效应：法拉第效应，磁光克尔效应，科顿-穆顿效应，塞曼效应，光磁效应。3.举例说明传感器与守恒定律、场的定律、统计法则和物质定律的关系。利用守恒定律构成的传感器，如利用差压原理进行流量测量的传感器，其基本原理是以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础的；利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定，与使用材料无关，如利用静电场的有关定律制成电容传感器，利用电磁感应定律可以构成磁电感应式传感器；以差压变压器为例，使用坡莫合金或铁氧体做铁芯，都是作为差压变压器工作。利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传感器。这些传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理常数或化学、生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关，利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿阻和霍尔等效应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度和磁场等传感器，利用压电材料所具有的压电效应可制成压电式、声表面波和超声波等传感器，利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。统计物理学认为：所有宏观上可观测的物理量都是相应微观量的统计平均值，许多看似杂乱无章的微观运动表现出统计规律性。利用热噪声的热力学温度的关系可以构成热噪声型热敏电阻。目前成功利用构成传感器的法则是奈奎斯特定理，利用热噪声与绝对温度的关系可以构成热噪声型热敏电阻。由于绝对温度与热噪声电压之间有确定的关系，因此它可作为彼岸准温度计用来直接测量绝对温度而不需要校准4.什么是热平衡型的一次效应和二次效应？写出热平衡现象中的麦克斯韦关系式，举例说明它们在传感器中的应用。不同种类能量所对应的强度型状态量与容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效应称为热平衡一次效应，一次效应是可逆的；同一种类能量的示强变量与示容变量微分之比，或同一种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接构成传感器的，这些比例系数虽然不能在传感器中直接而将被测量转换成电信号输出，但可以利用其中的状态量与其他状态量之间的关系制成各种传感器，这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。一次效应的例子有压电效应，压磁效应；二次效应利用弹性元件受力产生变形，其应变与应变片电阻值的关系可制成电阻应变式力(压力)传感器。光电比色高温计。5.什么叫传输现象？什么叫传输现象的一次效应？举明传输现象一次效应在传感器中的应用。当系统中存在有强度量的差或梯度时，相应的广延量就随时间而变化，即广延量的流动，这种现象称为传输现象。把这种不同种类的亲和力和流之间的效应称为一次效应。塞贝克效应是因温度差而产生电流，珀耳帖效应由电位差产生电流。6.简述各类基础效应的含义以及与传感器的关系。答:在光的照射下，物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应；在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，从而增加物体的导电性或产生电动势、或产生光电流的现象，称为内光电效应；物质的光学特性（如折射率）受外电场的影响而发生变化的现象统称为电光效应；某些非晶体物质（如塑料、玻璃）在机械力的作用下，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。这称作应力致双折射或光弹效应；电致发光效应：某些固态晶体如高纯度锗、硅和砷化镓等化合物半导体在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷光）的现象，以及某些固态晶体如磷化镓、磷化铟等无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象；置于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，其光学特性（如吸光特性、折射率等）发生变化的现象称为磁光效应。7.什么是传感器的敏感材料？传感器敏感材料有哪些类型？它的基本特性是什么？答：传感器的敏感材料用来制作敏感元件的基本材料，是对电，光，声，力，热，磁，气体分布，酶等物理，化学，生物待测量变化而表现出性能明显改变的功能材料。类型：按结晶状态可分为：单晶、多晶、非晶和微晶等类。按电子结构和化学键可分为：金属、陶瓷和聚合物三大类。按物理性质又可分为：超导体、导电体、半导体、介电体、铁电体、压电体、铁磁体、铁弹体、磁弹体等几种。按形态分有：掺杂、微粉、薄膜、块状(带、片)、纤维等形态。。。特性：功能（感知，响应，信息识别与积累，恢复，智能功能）；特征（敏感性好，可靠性高，加工性好，经济性好）。8.按材料成分进行分类，敏感材料可以分为以下哪几种？敏感材料按照高分子功能材料分，可以分为那几种？答：金属材料，无机材料和有机材料；导电材料，介电材料，压电材料，热电材料，光电材料，磁性材料，透光和导光材料，发光材料，激光材料，非线性光学材料，光调制用材料，红外材料，隐身材料，梯度功能材料，机敏材料和智能材料，纳米材料，仿生材料等。9.目前，已经实用化的生物传感器所用的高分子敏感材料主要有以下哪几种？答：10.光纤有哪些类型？考察光纤性能的主要参数是什么？11.什么是功能陶瓷？它的特点是什么？答：功能陶瓷利用材料的电、光、磁、声、热和力等性能及其耦合效应，成为对温度、压力、磁性和光强变化等外界条件特别敏感的材料。耐热、耐磨、耐腐蚀