感测技术课后答案 (4)

第八章习题答案

1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。

解：光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：

a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应; b)受光照的物体导电率

1发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。 R2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。

解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。

内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

3．简述CCD的工作原理。

解：CCD的工作原理如下：首先构成CCD的基本单元是MOS电容器，如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。CCD的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。CCD的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。

4．说明光纤传输的原理。

解：光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi角时，根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，在光纤内折射成θj，然后以θk角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk应大于临界角φc（处于临界状态时，θr=90o），即:

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且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。

5．光纤传感器常用的调制原理有哪些？

解：1）强度调制原理2）相位调制原理3）频率调制原理4）偏振调制原理

6．红外线的最大特点是什么？什么是红外传感器？

解：红外线的最大特点是具有光热效应，可以辐射热量，它是光谱中的最大光热效应区。能将红外辐射量的变化转换为电量变化的装置称为红外探测器或红外传感器。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。

7．光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管在性能上有什么差异，它们分别在什么情况下选用最合适？ 解：光敏电阻

（1） 伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；

在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。

（2）光谱特性：光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。

（3）光照特性：由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。

（4）温度特性：光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。

温度变化影响光敏电阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。

光敏二极管

（1）光谱特性：一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。

（2）伏安特性：光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。

（3）温度特性：从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。

光电池

（1）光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。可见硅光电池可以在很

宽的波长范围内得到应用。

（2）光照特性：光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系，开路电压（负截电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。因此光把电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不能用作电压源。

（3）温度特性：光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量器件应用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。

第九章习题答案

1． 超声波在介质中有哪些传播特性？

解：超声波在各种介质中的波速不同，超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减，频率愈低的超声波衰减愈小。当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z 决定。介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，

2． 什么是超声波的干涉现象？

解：如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动始终加强，

某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为超声波的干涉现象。

第十章习题答案

1．什么是绝对湿度和相对湿度？

解：绝对湿度是指单位空间中所含水蒸汽的绝对含量或者浓度或者密度，一般用符号AH表示。相对湿度是指被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用符号RH表示。

2 ．说明半导体色敏传感器的基本原理。

解：半导体色敏传感器是由结深不同的两个P—N结二极管，浅结的二极管是P＋—N结组成的；深结的二极管是P—N结。当有入射光照射时，P＋、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。在此，浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。

3．什么是水分子亲和力型湿敏传感器？

解：根据水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的这种特性（即水分子亲和力）所制成的传感器叫做水分子亲和力型湿敏传感器。

第十一章习题答案

1．用测量范围为-50～150KPa的压力传感器测量140KPa压力时，传感器测得示值为142KPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。

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