智能传感技术大作业
西安电子科技大学
智能传感技术大作业
——CMOS传感器技术简介
姓名：柯伯威
班级：021151
学号：02115027
2014年1月4日
摘要:本文简要介绍了 CMOS 图像传感器的发展历程及工作原理, 对CCD 图像传感器与 CMOS 图像传感器的优缺点进行了比较, 指出了CMOS 图像传感器的技术优势, 并讨论了 CMOS 图像传感
器的发展趋势。
关键词：互补金属氧化物半导体 CCD 图像传感器 CMOS 图像传感器
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙探索到海洋开发;从生产过程的控制到现代文明生活,几乎每一项现代科学技术都离不开传感器,因此,传感器技术发展速度十分惊人,半导体压阻式力传感器亦不例外。
图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将
图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前，CMOS图像传感器正在得到广泛的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。
一、CMOS图像传感器的发展历史
上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念：互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS —Complementary Metal Oxide Semiconductor
电荷耦合器件图像传感器（CCD）
CMOS与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，固体图像传感器得到了迅速发展。
CMOS图像传感器：
由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率低、噪声降不下来，因而没有得到重视和发展。
CCD图像传感器：
光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。
由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是
CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。
1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功， 80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS 型图像传感器件，
1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS 有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功，
1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，
2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS，成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。
2000年9月美国Foveon和国家半导体公司采用0.18mm CMOS 工艺开发出1600万像素（4096×4096）CMOS图像传感器
到目前为止, 在开发CMOS图象传感器中所采用的先进的关键技术可归纳如下：
(1) 相关双取样 (CD ) 电路技术；
(2) 微透镜阵列制备技术；
(3) 彩色滤波器阵列技术；
(4) 数字信号处理 (DSP) 技术；
(5) 抑制噪声电路技术；
(6) 模拟数字转换 (A/D ) 技术；
(7) 亚微米和深亚微米光刻技术。
二、CMOS图像传感器的工作原理
右图为CMOS图像传感器的功能框图。
首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须
使用多个时序控制信号。为
了便于摄像头的应用，还要
求该芯片能输出一些时序
信号，如同步信号、行起始
信号、场起始信号等。
象素阵列工作原理
图像传感器一个直观的
性能指标就是对图像的复
现的能力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能模块。按照像素阵列单元结构的不同,可以将像素单元分为无源像素单元
PPS(passive pixel schematic)，有源像素单元APS(active pixel schematic)和对数式像素单元，有源像素单元APS又可分为光敏二极管型APS、光栅型APS。
以上各种象素阵列单元各有特点，但是他们有着基本相同的工作原理。以下先介绍它们基本的工作原理，再介绍各种象素单
元的特点。下图是单个象素的示意图。
(1) 首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电
至V，二极管处于反向状态；
(2) 然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二极
管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了；
(3) 最后进入“读出状态”。这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。
无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多大变化。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率比较高，但它有两个显著的缺点。一是，它的读出噪声比较大，其典型值为20个电子，而商业用的CCD级技术芯片其读出噪声典型值为20个电子。二，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出噪声变大。
光敏二极管型APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为75～100个电子,此种结构的C3&适合于中低档的应用场合。
在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑制。其读出噪声为10～20个电子。但它的工艺比较复杂，严格说并不能算完全的CMOS 工艺。由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较低，尤其对蓝光更是如此。就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。
三、CMOS图像传感器的优缺点和应用
1)噪声
这是CMOS传感器受到制约的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN（Fixed pattern noise）、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。
2)暗电流
物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个
来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。
为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。
3)象素的饱和与溢出模糊
类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。
四、CMOS图像传感器的应用
1)数码相机
人们使用胶卷照相机已经上百年了，20世纪80年代以来，人们利用高新技术，发展了不用胶卷的CCD数码相机。使传统的胶卷照相机产生了根本的变化。电可写可控的廉价FLASH ROM的出现，以及低功耗、低价位的CMOS摄像头的问世。为数码相机打开了新的局面，数码相机功能框图如右下图所示。
从图中可以看出，数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不
同了，彩色CMOS摄像头在电子快门
的控制下，摄取一幅照片存于DRAM
中，然后再转至FLASH ROM中存放起
来。根据FLASH ROM的容量和图像数
据的压缩水平，可以决定能存照片的
张数。如果将ROM换成PCMCIA卡，
就可以通过换卡，扩大数码相机的容量，这就像更换胶卷一样，将数码相机的数字图像信息转存至PC机的硬盘中存贮，这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、编辑和传送。
2)CMOS数字摄像机
美国Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机，其分辨率高达640 x 480，适用于通过通用串行总线传输的视频系统。OV511型高级摄像机的推出，可使得PC机能以更加实时的方法获取大量视频信息，其压缩芯片的压缩比可以达到7:1，从而保证了图像传感器
到PC机的快速图像传输。对于CIF图像格式，OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。OV511型作为高性能的USB接口的控制器，它具有足够的灵活性，适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。
3)其他领域应用
CMOS图像传感器是一种多功能传感器，由于它兼具CCD图像传感器的性能，因此可进入CCD的应用领域，但它又有自己独特的优点，所以开拓了许多新的应用领域。除了上述介绍的主要应用之外，CMOS 图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。例如，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼”，以便在手术后监视手术效果，CCD就很难实现这种应用。
四、CMOS图像传感器的未来发展趋势
目前 CMOS 图像传感器的研究热点主要有以下几个方面:
(1)多功能、智能化。传统的图像传感器仅局限于获取被摄对象的图像, 图像的传输和处理需要单独的硬件和软件来完成。由于CMOS 图像传感器在系统集成上的优点, 可以从系统级水平来设计芯片。如可以在芯片内集成相应的功能部件应用于特定领域, 如Transchip 公司开发的高质量手机用摄像机,内部集成了 ISP, 并整合了 JPEG 图像压缩功能。也可以从通用角度考虑, 在芯片内部集成通用微处理器(如 Trimedia Processor)。为了消除数字图像传输的瓶颈, 还可以将高速图像传输技术( 如 Firewire、USB、基于 LVDS
的高速并行传输) 集成到同一块芯片上,形成片上系统型数字相机(Digital Camera System onChip) 和智能CMOS 图像传感器(Intelligent CMOSImage Sensor)。斯坦福大学的PDC(ProgrammableDigital Camera) 研究小组和一些专业厂商合作, 在新的图像处理算法、体系结构、电路设计以及单片 PDC的研究方面取了一些令人瞩目的果。
(2)高帧速率。由于 CMOS 图像传感器具有访问灵活的优点, 所以可以通过只读出感光面上感兴趣的很小区域来提高帧速率。同时, CMOS 图像传感器本身在动态范围和光敏感度上的提高也有利于帧速率的提高。国家半导体公司生产的 LM9630 可达到 600 帧/s 的速度; 斯坦福大学 PDC(ProgrammableDigital Camera) 研究小组开发的单片 PDC, 在 352×288 分辨率下, 其扫描速度可达 10 000 帧/s; Dalsa公司宣称其生产的 CMOS 图像传感器扫描速度最高可达 20 000 帧/s; Micron 公司的 MT9M413C36ST 在 1 280×1 024 分辨率下可以达到 0～500 帧/s 的帧速率, 部分扫描时可达 10 000 帧/s。
(3)宽动态范围。以色列工业大学(Israel Instituteof Technology) 的 VLSI 系统研究中心将用于 CCD 的自适应敏感技术用于 CMOS 传感器中, 使 CMOS 传感器的整个动态范围可达 84 dB, 并在一个 64×64的芯片上进行了实验。NASA 的 JPL 实验室也致力于将 CCD 的工作模式用于 CMOS 图像传感器中。
(4) 高分辨率。目前 CMOS 图像传感器最高分辨率可达 3 170
×2 120 像素, 约 616 万像素。
(5) 低噪声技术。目前用于科学研究的高性能CCD 能达到的噪声水平为 3～5 个电子, 而 CMOS 图像传感器则为 300～500 个电子。JPL 实验室采用APS 技术的图像传感器能达到 14 个电子。
(6) 模块化、低功耗。由于 CMOS 图像传感器便于小型化和系统集成, 所以可以根据特定应用场合, 将相关的功能集成在一起, 并通过优化设计进一步降低功耗。如 Fujitsu 公司生产的 MB86S02A 成像模块, 在每秒拍摄 15 幅画面的情况下, 功耗仅为15 mW。
37五、个人对CMOS图像传感器的看法
CMOS 图像传感器正在向高灵敏度、高分辨率、高动态范围、集成化、数字化、智能化的“片上相机”解决方案方向发展。芯片加工工艺不断发展, 从 0.5 μm→0.35 μm→0.25 μm→0.18 μm, 接口电压也在不断降低, 从 5 V→3.3 V→2.5 V/3.3 V→1.8 V/3.3 V。研究人员致力于提高 CMOS 图像传感器的综合性能, 缩小单元尺寸, 调整 CMOS 工艺参数, 将数字信号处理电路、图像压缩、通讯等电路集成在一起, 并制作滤色片和微透镜阵列, 以实现低成本、低功耗、低噪声、高度集成的单芯片成像微系统。随着数字电视、可视通讯产品的增加,CMOS 图象传感器的应用前景一定会更加广阔。关于CMOS 图像传感器，已经形成了国际标准，而在各国的各个领域中，对CMOS 图像传感器的应用也是十分的广泛，所以在CMOS图像传感器方面是很有发展前途的。
传感器技术 作业
传感器技术作业 1、传感器的组成包括哪几个部分？各自的主要作用是什么？ 通常由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源等组成 敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。如：应变式压力传感器的敏感元件是弹性膜片，其作用是将压力转换成膜片的变形。 转换元件：将敏感元件的输出转换成电路参量。如：应变式压力传感器的转换元件是应变片，其作用是将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。 测量电路：将其进一步变换成可直接利用的电信号。 辅助电源：为传感器的元件和电路提供工作电源 2、何为传感器的静态特性？传感器的静态特性技术指标包括哪几个部分？各自的含义是 什么？ 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。 在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn 式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出； a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。 理想情况下，y=a0+a1x 静态特性曲线可实际测试获得。为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。 测量范围(measuring range) 传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。 量程(span) 传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 分辨力与阈值：当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。 精确度：精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不
辽宁工大电气自动化传感器期末答案
1、传感器的组成： 传感器由敏感元件、转换元件和信号调节转换电路组成，敏感元件是传感器必不可少的元件。 2、静态特性： 衡量静态特性的性能指标是灵敏度、分辨率、线性度、迟滞、稳定性、测量范围与量程。 3、灵敏度： 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下，输出量变化与引起此变化的输入量变化的比值。K=△y/△x 或K=dy/dx 。 4、电阻式传感器是把被测的量，如位移、压力、力、力矩等非电量的变化转换为电阻值的变化，然后把电阻的变化通过测量转换电路变成电压或电流。 5、电阻式传感器的种类：电阻应变式传感器、固态压阻式传感器、热电阻式传感器、电位器式传感器及气敏电阻式传感器等。 6、电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，其结构主要由电阻丝、覆盖层、黏合剂和引出线四部分组成：电阻丝（敏感栅），是应变片的转换元件，是核心部件。 8、什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片工作原理。 金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为应变效应。半导体的应变效应要比金属的强。其表达式为， 式中K 为材料的应变灵敏系数，当应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K 为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量R dR 与金属材料的轴向应变ε 成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测物体的应变转换成与之ε成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。 9、电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过它将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。 10、电容式传感器的基本原理： 两平行极板组成的电容器的电容量为：C=（εA ）/d ，式中ε——极板间介质的介电常数，ε=ε0εr ，F/m ；A ——极板的遮盖面积；d ——极板间的距离。C 与A 成正比，成线性关系。 11、电容式传感器的类型：变极距式、变面积式、变介电常数式。 12、调频型测量电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化，而振荡器中的电感L 保 持不变。 13 、简述电容式油量表的工作原理。 ①当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx=Cx0，调节匹配电容使 C0=Cx0， R4=R3 ；并使电位器 RP 的滑动臂位于0点，即RP 接入桥路的电阻值为0。电桥满足Cx/C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。 ②当油箱中注满油时，液位上升至h 处，Cx=Cx0+△Cx ，而△Cx 与h 成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP 的滑动臂移动，从而使RP 阻值增大，Rcd=R 3+R RP 也随之增大。当RP 阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。 ③当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP 的滑动臂移动，使RP 阻值减小。当阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在转角为θx 处。 14、论述电感式传感器的原理。 电感式传感器的工作基础是电磁感应，即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。被测量的非电量变成线圈的自感或互感的变化，通过测量转换电路转换成电流、电压、频率。电感式传感器可分为变磁阻式、变压器式、涡流式等。 15、差动式电感传感器的线性度较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，而且减小了温度漂移，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消。 16、“检波”与“整流”的含义相似，都能将交流输入转换成直流输出。但“检波”多用于描述信号电压的转换。如果输出电压在送到指示仪前经相敏检波，它既可以反映位移的大小（U0的幅值），还可以反映位移的方向（U0的相位）。采用相敏检波电路，得到的输出信号既能反映位移的大小，也能反映位移的方向。 17、差动变压器式传感器：将其中两个二次线圈的同名端的接法对调时，其串联的总电压相互抵消，这种接法称为差动接法。如果将变压器的结构加以改造，将铁心做成可以活动的，就可以制成用于检测非电量的另一种传感器，即差动变压器式传感器。 18、电涡流式传感器的工作原理。 电涡流式传感器的工作原理是涡流效应，当一块金属导体放置在变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流在导体中是自行闭合的，故称为电涡流或涡流。 如图所示，一个通有正弦交变电流I1的传感器线 圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个正弦交变磁场H1。当被测导体置于该磁场内，则在被测导体内产生电涡流I2，电涡流I2也将产生交变磁场H2，H2的方向与H1的方向相反。由于磁场H2的反作用，抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。 当线圈靠近导体时，互感变大，电阻变大的程序不如感抗变小的程序，所以等效阻抗变小。 电涡流传感器就是利用涡流效应将非电量变化转换成阻抗变化而进行测量的。 19、电涡流式传感器在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关，电涡流式传感器主要可分为高频反射式（趋肤效应）和低频透射式两类 。电信号的高频＞100KHz 。 20、当电涡流线圈与被测导体的距离x 变小时，电涡流线圈的电感量L 也随之变小，引起LC 振荡器的输出频率增高，此频率的变化可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将△f 转换为电压△U0。 21、压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。 22、什么是压电效应？ 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 23、光轴（z 轴）、电轴（x 轴）和机械轴（y 轴）。 无论是沿x 轴方向施加力还是沿y 轴方向施加力，电荷只产生在x 面上。光轴（z 轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。 24、压电材料有哪些？ ①压电晶体。天然石英的性能（压电系数、介电系数、机械强度、品质因数、居里点）较之人工石英更好，所以常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。 ②压电陶瓷。锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT ）。 ③压电半导体。 ④高分子压电材料。 25、压电式力传感器：压电组件由三组双石英晶片并联方式组成，可增大输出电荷量。 26、压电式传感器可以用来测量加速度、力、压力等，其中压电式加速度传感器应用的最广。 27、霍尔元件有4个引脚。在霍尔片两个互相垂直方向的侧面上，各引出一对电极，其中a 、b 极用于加激励电压或电流（也叫控制电压或电流），成为激励电极（控制电极）。另一对c 、d 极用于引出霍尔电势，称为霍尔电极。 28、解释一下什么是霍尔效应？ N 型半导体薄片（霍尔元件）相对两侧面，通以控制电流I ，在薄片垂直方向加以磁场B ，则半导体薄片的另两侧面会产生一个大小与控制电流I 和磁场B 乘积成正比的电势U H 。这一现象叫做霍尔效应。 U H =K H IB ， 式中 U H ---霍尔电势（或称霍尔电压），V ；K H ---霍尔元件的灵敏度，V/（A T ）；I---控制电流，A ；B---磁感应强度，T 。 K H =1/(ned)， 式中 n---N 型半导体的电子浓度；e---电子电量， e =1.602×10-19 C ；d---霍尔元件的厚度，m 。 29、为什么金属和绝缘体不能作为霍尔元件？ 金属的电子浓度n 较高，使得K H 太小；绝缘体的n 很小，但需施加极高的电压才能产生很小的电流I ，故这两种材料都不宜用来制作霍尔元件。霍尔元件采用半导体材料。只有半导体电子浓度适宜，而可通过掺杂来获取希望的电子浓度。此外，d 越小则K H 越高，但同时霍尔元件的机械强度下降，且输入、输出电阻增加，因此，霍尔元件不能做得太薄。 30、当磁感应强度B 和元件平面法线方向成一角度θ时，作用在元件上的有效磁场是法线方向的分量，即Bcos θ，这时 U H =K H IBcos θ 由上式可知，当控制电流I 的方向或磁场B 的方向改变时，输出电势方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电压极性不变。 31、霍尔汽车点火器的工作原理？ 在汽车点火装置中，发动机主轴带动磁铁转板转动时，霍尔元件感应的磁场交替改变，输出一串与气缸活塞运动同步的脉冲信号去触发晶体管功率放大电路，使点火线圈二次绕组产生很高的50kv 感应电压，火花塞产生放电，完成汽缸点火过程。 32、声波按频率的高低分为次声波（f ＜20Hz ）、声波（20Hz ≤f ≤20kHz ）、超声波（f ＞20kHz ）和特超声波（f ≥10MHz ）。超声波具有波长短、频率高、方向性好、能量集中、穿透本领大，遇到基质或分界面产生显著反射等优点。 33、超声波的传播特性： 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。 振荡源在介质中可产生两种形式的振荡，即横向振荡和纵向振荡 横向振荡只能在固体中产生，而纵波振荡可在固体、液体和气体中产生。为了测量在各种状态下的物理量多采用纵向振荡。 34、例7-1 超声波液位计原理如图所示，从显示屏上测得t0=1.5ms ，t1=6.0ms ，已知水底与超声探头的间距为10m ，反射小板与探头的间距为0.5m ，求液位h 。 解：由于c=2h0/t0=2h1/t1，则有 h0/t0=h1/t1， h1=t1/t0×h0=(6.0×0.5/1.5)m=2m 液位h 为 h=h2-h1=(10-2)m=8m 35、发射器发射出频率f=40kHz 左右的连续超声波 高频超声波具有波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，且方向性好，能成为射线而定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透本领大等特性，使其成为无损探伤方面的重要工具。 频率越高，波长越短，指向角越小，方向性越好。 36、根据超声波传输特性和衰减规律知，气体对超声波的吸收衰减很强；固体对超声波的吸收衰减最小。 37、使用超声波传感器的注意事项 根据超声波传输特性和衰减规律知气体对超声波的吸收衰减很强，而吸收衰减与频率成正比。所以使用的超声波频率一般较低，传感器的位置要恰当，这样才能避开盲区并顺利接收到反射脉冲。 38、用于超声波探伤的超声波的特性 高频超声波具有波长短，不易绕射，碰到杂质或者分界面就会有明显的反射，且方向性好，能成为射线而定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透本领大，频率越高，波长越小，指向角越小方向性越好等特性 39、热电偶传感器简称热电偶，它是将温度量转换为热电势的热电式传感器。热电偶用来测量120°~1300°范围内的温度，根据需要可以测量更高或更低的温度。主要优点：测量范围宽、性能稳定具有较高的准确度、信号可以远传和记录、有良好的灵敏度。 40、什么是热电效应？ 热电偶测温基于热电效应，在两种不同的导体（或半导体）A 和B 组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生一个电动势，这个电动势为热电势，其物理效应称为热电效应。热电效应产生的热电势E AB (T ，T0)由两个部分组成，一是两种导体的接触电势；另一是单一导体的温差电势。热电偶置于温度为T 的被测对象中的结点称为测量端，又称工作端或热端；温度为参考温度T0的另一结点称为参比端或参考端，又称自由端或冷端，接触电势比温差电势大的多。 41、什么是接触电势？ 接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不同造成的。这个电动势将阻碍电子由金属A 进一步向金属B 扩散，一直达到动态平衡为止。 42、单一导体的温差电势是由于金属导体两端温度不同引起热扩散而形成的。 可得出如下结论： （1）如果热电偶两电极材料相同，两接点温度不同，则闭合回路中热电势为零。因此，热电偶两电极的材料必须不同。 （2）如果热电偶两电极材料不同，但两接点温度相同，则闭合回路中热电势也为零。因此，热电偶两电极的两个结点温度必须不同。 （3）热电势的大小仅与热极材料的性质、两接点的温度有关，而与热电偶尺寸、形状及温度分布无关。 43、热电偶基本定律有4个：均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律。 中间导体定律：在热电偶回路中，接入第三种导体C ，只要这第三种导体两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。即第三种导体C 的引入对热电偶回路的总电势没有影响，这就是中间导体定律。 中间温度定律：在热电偶回路中，两结点温度为T 、T0时的热电势等于该热电偶在结点温度为T 、Ta 和Ta 、T0时热电势的代数和，即E AB （T 、T0）=E AB （T 、Ta ）+E AB （Ta 、T0）。 标准电极定律：当结点温度为T 、T0时，用导体A 、B 组成的热电偶的热电势等于AC 热电偶和CB 热电偶的热电势之代数和，即E AB （T ，T0）=E AC （T ，T0）+E CB （T ，T0）。导体C 称为标准电极，故把这一定律称为标准电极定律。 44、中间导体定律的应用： 热电偶冷端温度补偿方法：补偿导线法、计算法、补偿电桥法、冰浴法（冷端恒温法） 热电偶的冷端温度补偿：补偿导线法 要求把温度测量的信号从现场传送到集中控制室，或者由于其他原因，显示仪表不能安装在被测对象的附近，而需要通过连接导线将热电偶延伸到温度恒定的场所，将热电偶冷端延长到远离高温的地区。一般用一种导线（称为补偿导线）将热电偶的冷端加长，这种导线采用廉价金属，在一定温度范围内（0℃~100℃）具有和所连接的热电偶有相同的热电性能。 冰浴法（冷端恒温法）：为了避免冰水导电引起冷端处的结点短路，必须把结点分别置于两个玻璃试管内，如果浸入同一冰点槽，要使之相互绝缘。 计算法：E （t ，0）=E （t ，t0）+E （t0，0）。 例8-1 S 型热电偶在工作时冷端温度t0=30°C ，现测得热电偶的电势为7.5mv ，求被测介质的实际温度。 解：已知热电偶测得的电势为E （t ，30），即E （t ，30）=7.5mv ，其中t 为被测介质温度。由分度表可查得E （30,0）=0.173mv ，则E （t ，0）=E （t ，30)+E(30，0)=(7.5+0.173)mv=7.673mv 由分度表可查得E （t ，0)=7.673mv 对应的温度为830℃，则被测介质的实际温度为830℃。 45、热电偶传感器的应用：①管道温度的测量。②金属表面温度的测量。③热电偶在红外线探测器中的应用。④热电偶在热力学测量水泵效率中的应用。 46、什么是光电效应？有哪些分类？ 光电效应：光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子的能量为h γ。光的频率越高，光子的能量就越大。光照到物体上，组成该物体的材料吸收光子能量而发出相应电效应（如电导率变化、发射电子或产生电动势等）的物理现象，称为光电效应。光电效应通常分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。 47、1）外光电效应：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，也称光电发射，向外发射的电子称为光电子。E=h γ=1/2mv 2+A 0。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 2）内光电效应：在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化，使其导电能力发生变化。 基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管。 3）光生伏特效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象，具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓。利用该效应可制成各类光电池。 48、光敏二极管：在电路中，一般光敏二极管是处于反向工作状态。 光敏三极管：大多数光敏三极管的基极无引出线，集电结加反向偏压。 光电池：光电池的工作原理基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。 49、光电传感器：将光能（入射的电磁辐射能量）转变成电能的传感器，入射的电磁辐射能量的大小和性 质，反应了光能的存在和所携带的被测量变化的信息。 50、什么是热释电效应？ 给电石、水晶等晶体加热，其晶体表面会产生自热极化而出现电荷，这种现象称为热释电效应。 51、热释电红外传感器由滤光片、热释电红外敏感元件、高输入阻抗放大器等组成。 52、热释电型人体检测器原理：热释电红外传感器用于防盗报警器时，表面必须罩上一块菲涅尔透镜，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。菲涅尔透镜就是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜组，它由一组平行的棱柱型透镜组成。若从热释电元件来看，它前面的每一个单元透镜都只有一个不大的视场角，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。当人体在透镜总的监视范围内运动时，产生一个交替的“盲区”和“高灵敏度区”。则物体或人体的移动就会产生一系列的光脉冲进入传感器，将光脉冲转换成电压的变化，电压通过放大器，带通滤波器滤除干扰的分量，再经过阀值比较器，如果电压超过阀值比较器的范围，就进行声光报警。 53、光电效应有哪几种？与之对应的光电元件各是哪些？简述其特点。 光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子的能量为hr 光的频率越高，光子的能量就越大。光照到物体上，组成该物体的材料吸收光子能量而发出相应电效应的物理现象称为光电效应。光电效应分为外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。 基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。 基于光生伏特效应的光电元件有各类光电池。 光敏二极管特点处于反向工作状态。 光敏三极管特点基极无引出线集电结加反向偏压。 光电池工作原理基于光生伏特效应。 54、什么是热释电效应？它有哪些应用？ 给电石、水晶等晶体加热，其晶体表面会产生自然极，化而出现电荷（即在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷），这种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，又称为热电元件。常用材料有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锂、热释电塑料等。 应用于楼道自动开关、防盗报警、人体检测等。 55、光电开关分为直射型和反射型，直射型发射器和接收器相对安防，轴线严格对准，反射型分为反射镜反射和被测物体反射型。 光电开关中的红外光发射器一般采功率较大的红外发光二极管（红外LED ），接收器采用光敏三极管、光敏达林顿三极管或光电池。 光电断续器分为直射型和反射型 直射型断续器用于光电控制和光电计量等电路，以及检测物体的有无、运动方向、转速。反射型光断续器主要用于光电接近开关、光电自动控制、物体识别等。 56、光不会穿过两个介质的分界面，而只会完全反射回来，因此称为全反射，产生全发射的条件为θ1≥θc=arcsin n2/n1，由于光纤纤芯的折射率大于包层的折射率，所以在光纤纤芯中传播的光只要满足该条件，光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。 ε ?=K R dR LC 21f π=
传感器技术作业
传感器技术作业 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
传感器技术作业 1、传感器的组成包括哪几个部分各自的主要作用是什么 2、 通常由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源等组成 敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。如：应变式压力传感器的敏感元件是弹性膜片，其作用是将压力转换成膜片的变形。 转换元件：将敏感元件的输出转换成电路参量。如：应变式压力传感器的转换元件是应变片，其作用是将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。 测量电路：将其进一步变换成可直接利用的电信号。 辅助电源：为传感器的元件和电路提供工作电源 3、何为传感器的静态特性传感器的静态特性技术指标包括哪几个部分各自的含义是什么 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。 在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn 式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出； a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。 理想情况下，y=a0+a1x 静态特性曲线可实际测试获得。为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。
测量范围(measuringrange)传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。 量程(span)传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 分辨力与阈值：当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。精确度：精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意
传感器大作业
自动检测技术大作业题目汽车速度的检测 姓名 系（部）＿电气工程与自动化系 专业＿＿自动化＿＿＿＿ 指导教师＿＿＿ 2013年12 月3日
汽车车速传感器检测系统设计是一种传感器检测装置。利用车速传感器把检测到的转速信号转变成的电压信号输送给计算机，计算机通过变频器来控制电机速度，利用传感器检测的速度值与规定值进行比较，达到对传感器的检测目的。本文介绍了车速传感器检测系统的工作原理，详细讲述了系统的组成、原理和检测方法。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的检测技术相比，此种传感器检测装置有结构简单、新颖、易于实现的特点。实践证明在检测，维修范围内都取得了良好的效果，系统具有良好的稳态精度及动态响应性能，检测实用性强、准确度高具有广阔的应用前景。 汽车车速传感器的工作原理： 车辆自动强制限速装置，包括传感器、控制电路和操控机构。车辆限速器分为两种：一种是在车辆超速时发出语音警报，提醒驾驶者减速；另一种限速器是在车辆超过限定速度后，通过车载电脑发出指令，强制降低车辆行驶速度。车辆遥控自动限速器由发射器和接收器组成，采用遥控专用编码集成块。通过对遥控限速进行编码，使每一组编码对应一种车速限制，并利用设置在路码表与之刻度同步上的光电传感器进而控制执行继电器切断和接续汽车起动、点火和熄火回路，从而达到控制车速的目的。限速器的发射器包括固定发射器和移动发射器，固定发射器安装在需限速道路路段的出入口处，移动发射器由执法人员掌握，接收器安装在各受控车辆的驾驶室内。车辆智能限速器由汽车传感器、微电脑速度控制仪和智能机械手组成。 其工作原理是：当车辆速度低于设定值时，控制仪不启动机械手，车辆行驶如常；当车辆速度临界设定值时，控制器立即启动机械手拉起油门，等同于司机放松油门，汽车只能滑行减速不能加速，从而使车速得到控制；当车辆速度低于设定值时，控制器立即反向放松油门，使油门恢复如初。由于它的科学控速原理，车辆限速时呈自然、平稳状态，不易被站立的乘客察觉。 车速检测系统的设计电子限速的作用是限制车速过高，防止因车速过高造成事故。电子限速器可以实时监测车辆的速度，当车速达到一定值的时候，它就会控制供油系统和发动机的转速，这时即使踏下油门踏板，供油系统也不会供油。汽汽车车速传感器 霍尔式车速传感器
传感器与检测技术习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答 王涛 第1章概述 什么是传感器？ 答：传感器是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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的共性是什么？ 答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。 传感器一般由哪几部分组成？ 答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。 为普遍。 ①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类 按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。 ②按传感器的工作原理进行分类
根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。 ③按传感器的基本效应进行分类 根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。 改善传感器性能的技术途径有哪些？ 答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。 第2章传感器的基本特性 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa时输出为0mV，压力为时输出最大且为。
流量监测交通灯传感器大作业
传感器技术与检测 流 量 检 测 交 通 灯 班级： 学号： 姓名 日期：
一．研究的主要内容 本课题研究的内容有如下几个方面： （1）基于车流量的智能交通灯控制系统的工作原理。 （2）基于车流量的智能交通灯控制系统的硬件设计。 （3）车流量检测原理及其硬件电路设计。 （4）基于车流量的智能交通灯控制系统的程序设计。 二．研究方案 １．系统总体方案 ２．车流量检测方案 利用红外线车辆检测器。红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。如当汽车通过光扫描区域时，部分或全部光束被遮挡，从而实现对车辆数据的综合检测。红外线车辆扫描系统提供了车辆轮廓扫描的解决方案，并提供车辆分离信号，同时还能够检测挂钩是否存在及其位置，由于光学产品的高速响应，当车速低于100公里/小时，系统可对车辆间距0.3米车辆实现可靠的分离检测并抓取车辆轮廓数据，当车速低于200公里/小时，对车辆间距0.6米的车辆实现可靠的分离检测并抓取轮廓数据，系统可自动分类超过100种车型，车辆自动分类的准确率超过99％。常利用光电开关技术成熟，高速响应，可输出丰富的车辆数据信息，能可靠检测各种特殊车辆。抗干扰性强，不受恶劣气象条件或物体颜色的影响，安装简便。 采用AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51具有两个16位定时器/计数器，5个中断源，便于对车流量进行定时中断检测。32根I/O线，使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K，便于系统扩展。其T0，T1口可以对外部脉冲进行实时计数操作，故可以方便实现车流量检测信号的输入。 显示部分:采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输
传感器技术与应用第3版习题答案
《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。
传感器技术课后答案
1-1 衡量传感器静态特性的主要指标。说明含义。 1、 线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。 2、 回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。 3、 重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致 程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。 4、 灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。 5、 分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 6、 阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。 7、 稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。 8、 漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。 9、 静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。 1-2 计算传感器线性度的方法，差别。 1、 理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。 2、 端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。 3、 “最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等 并且最小。这种方法的拟合精度最高。 4、 最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。 1-3 什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？ （1）静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。 动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 （2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。 Z-1 分析改善传感器性能的技术途径和措施。 （1）结构、材料与参数的合理选择（2）差动技术（3）平均技术（4）稳定性处理（5）屏蔽、隔离与干扰抑制 （6）零示法、微差法与闭环技术（7）补偿、校正与“有源化”（8）集成化、智能化与信息融合 2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。 （1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 （2）对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。 对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ πE 。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE 。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。 电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，会产生温度误差。 补偿办法：1、温度自补偿法 （1）单丝自补偿应变计(2) 双丝自补偿应变计 2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式（2）补偿块法 2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。 原因： 上式分母中含ΔRi/Ri ，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri 呈非线性关系。 措施：(1) 差动电桥补偿法 差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥 差动电路和全桥差动电路。 (2) 恒流源补偿法 误差主要由于应变电阻ΔRi 的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。 2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？ 一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 要求：非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S ），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 2-9 四臂平衡差动电桥。说明为什么采用。 全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得 由全等桥臂，得 可见输出电压Uo 与ΔRi/Ri 成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(ΔR/R)。 因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。 331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ?????????????=-+-+++ ? ?????331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ?????????????=-+-++++ ? ?????33124124012341234111111424U 4R R R R R R R R U U R R R R R R R R R R U R R ???????-?-??-?-??=-+-++++ ? ???????==
智能传感器的在线自诊断1
基于神经网络模型的智能传感器在线自诊断、自修复 胡学海、古天祥 电子科技大学自动化学院 成都飞机设计研究所 摘要：本文首次提出了基于神经网络模型实现智能传感器在线诊断、在线修复的原理、方案，及软、硬件实现方法，对利用生物结构来提高电子系统可靠性进行了初步尝试。本文的成果适用于对速度要求不高的智能传感器系统，有一定的参考价值。 关键字：智能传感器、在线自诊断、自修复、神经网络模型、触突、阈值 The Intelligent Sensor’s check and repair on line Which based on Nervous Model Hu Xue Hai 、Gu Tian Xiang Abstract：In this paper , it is carried out the research on the principle of Intelligent Sensor’s check and repair on line which based on nervous model and it’s structure of software and hardware . The way to improve reliability by natural structure is tried . The way suits for the Intelligent Sensor . Key words：intelligent sensor, check and repair on line , nervous model , conjunction , limit value 中图分类号：TP212.6 1引言 进入信息时代后，一场数字化革命正在各国蓬勃的展开。作为信息技术的三大支柱之一的传感器技术也同样面临着这个挑战。内置MCU系统，可自动对输出进行线性化、标度变换、数字滤波、数字补偿，即提高测量精度，又能补偿受温度、压力、气体浓度等因素影响的智能传感器成为了当今传感器技术发展和研究的主流和前沿。 但由于内部结构更加复杂，特别是系统全部基于内置MCU系统的正常运行，不可避免的降低了传感器的可靠性。为了提高可靠性，就必须对传感器内置的MCU系统进行在线监控，这也就成为了智能传感器研究的重要课题。 2基本原理 智能传感器使用内置的MCU系统作为系统控制核心。由于MCU系统较易受电磁干扰而发生系统程序“跑飞”，或内存单元数据突然改变现象，这种故障是随机发生的，且和运行环境有关，难于检测、排除。传统方法采用电压比较器对电源监控，采用“看门狗”对程序监控，存在的缺陷主要有：测试故障覆盖率低、难以检测变周期运行系统、测试时间太长，并可能因此而引起连锁反应，造成直接经济损失、故障处理智能度差，无法进行过程重入，从而无法实现在线故障排除。我们利用神经网络模型可以很好的解决这一问题，实现了MCU系统的智能在线监控和在线故障排除，从而极大的提高智能传感器的可靠性和运行平稳性。 2.1 神经网络模型
现代检测技术大作业最终版
现代检测技术 大型作业 （2014/2015学年第1学期） 课题名称粮食存储环境品质监测系统设计院（系）自动化工程学院 专业电气系统检测与控制 小组成员 时间 指导老师
一．设计背景及意义 “国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国家的重要性。储粮是为了防备战争、保证非农业人口的粮食消费需求、调节国内粮食供求平衡、稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害及其它突发性事件而采取的有效措施。因此，粮食的科学储藏具有重要的战略意义和经济意义。 我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国，粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其他突发性事件而采取的有效措施，因此粮食的安全储藏是关系到国计民生的战略大事。在粮食的储藏的过程中，由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质，带来的经济损失是惊人的。粮食在贮藏过程中，会因为受温度、湿度、氧气、微生物及昆虫等因素的影响，从而造成其质量的不良改变。目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法，消耗了大量的人力和财力，并且效果不佳，发霉变质等现象大量存在。因此设计粮食储存品质监测系统，可以提高工作效率，实现粮仓数据的实时监控，是仓储单位亟待解决的重要问题。 粮食在贮藏过程中，会因为受温度、湿度、压力、2 CO、微生物及昆虫等因素的影响，从而造成其质量的不良改变。对粮食贮藏过程中的影响参数进行实时监测、分析，是保障粮食储存品质的有效手段。在此，通过采用CAN总线的数据采集系统对影响粮食贮藏过程中的参数进行实时采集、分析，当发现不良变化时，能够及时发出预警信息，保证粮食储存的安全。 粮食储存品质监测系统是利用现场的前沿机检测粮食储备库中粮食的基本情况，并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析，然后通过控制电机启停，达到对相应参数的控制。利用监控室的上位机对粮仓进行监控，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统，在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不需要深入现场，就可以按照所需的要求对粮仓内的情况进行控制，还可以查看历史数据，优化现场作业，提高了生产效率，增强了国家粮食储备安全水平，以获得实时粮仓管理，实现自动化、智能化，为实现我国粮仓管理现代化更近了一步。