《傳感器與智能檢測技術》習題答案

第1章思考題與習題

一、填空題

1.金屬半導體

2.機械電阻值

3.對臂阻值乘積相等

4.兩兩

5.電壓

二、綜合題

1.導體或半導體在外力作用下產生機械變形時，其電阻值也發生相應的變化。

2.半橋的輸出電壓是惠斯通電橋的兩倍，全橋的輸出是板橋的兩倍。相同點是都與電

源電壓和應變片的應變成正比。

3.氣敏元件在高溫下靈敏度大幅提高，它能燒去氣敏元件附著的油污、塵埃等，起到清

洗作用，并加速被測氣體的吸附、脫出過程。

4.氣敏電阻是一種半導體敏感器件，它利用半導體材料對氣體的吸附而使自身電阻率發

生變化的機理進行測量的元件。

5.濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附

在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。

第2章思考題與習題

一、1、電容器電壓電流頻率

2、極板相互遮蓋面積介電常數極距

3、變遮蓋面積型、變極距型、變介電常數型

二、1、電容量C與A、d、￡三個參量有關，當改變A、d、￡三個參量中的任意一個,

都會引起電容量。的變化，若保持其中任意兩個參量不變，只改變另一個參量，那么該參量

的變化就能轉換為電容量的變化。這就是電容式傳感器的基本原理。

2、優點：溫度穩定性好、結構簡單，適應性強、動態響應好、可以實現非接觸測

量，具有平均效應、靈敏度、分辨力高。

缺點：輸出典高，負載能力差、寄生電容影響大、邊緣效應帶來的輸出特性非線性

三、1、0.19pF

2、39.3mV

第3章思考題與習題

一、填空題

1.電感式傳感器是利用電磁感應把被測物理量的變化轉換成線圈的

的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉

換。

2.自感式傳感器是由鐵芯、線圈和銜鐵構成的,是將直線或角位移

的變化轉換為線圈電感量變化的傳感器。

3金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時,導體內將產生呈

漩渦狀流動的感應電流，稱之為電渦流，這種現象稱為電渦流效應。

二、綜合題

1.簡述變氣隙式自感傳感器的測量原理。

答：變氣隙式自感傳感器的測量原理是：鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或鐵銀合金制成，

在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，

氣隙厚度發生改變化，引起磁路總磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要

能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

2.列舉電渦流式傳感器的應用場合。

答：(1)、電渦流式傳感器可制成開關量輸出的檢測元件，這時可使測量電路大為簡化。目

前，應用比較廣泛的有接近傳感器，也可用于技術金屬零件的計數(見圖3-9)；

(2)、電渦流式傳感器可用于測量轉速。在一個旋轉體上開一條或數條槽，或者將其加

工成齒輪狀，旁邊安裝一個電渦流式傳感器。當旋轉體轉動時，傳感器將周期性地改變輸出

信號，此電壓信號經過放大整形后，可用頻率計指示出頻率值，算出轉速；

(3)、電渦流式傳感器還可用于測量振幅

第4章思考題與習題

一、填空題

1.壓電元件一般有三類：第一類是石英晶體;第二類是壓電陶瓷;第三類是件分子壓電材料。

2壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。

3.將超聲波（機械振動波）轉換成電信號是利用壓電材料的壓電效應;蜂鳴器中發出“嘀…

嘀…'’聲的壓電片發聲原理是利用壓電材料的逆壓電效應。

4.在實驗室作檢驗標準用的壓電儀表應采用咽壓電材料；能制成薄膜，粘貼在一個微小探

頭上、用于測量人的脈搏的壓電材料應采用EYDE。

5.使用壓電陶瓷制作的力或壓力傳感器可測量動態的力或壓力。

6.動態力傳感器中，兩片壓電片多采用四接法，可增大輸出電荷量：在電子打火機和煤氣

灶點火裝置中，多片壓電片采用鰻接法，可使輸出電壓達上萬伏，從而產生電火花。

7.用于厚度測量的壓電陶瓷器件利用了逆壓電效應原理。

二、綜合題

1.簡述壓電式加速度傳感器的結構及原理。

壓電式加速度傳感器一般由殼體及裝在殼體內的彈簧、質量塊、壓電元件和固定安裝的

基座組成。壓電元件一般由兩片壓電片組成，并在壓電片的兩個表面鍍銀，輸出端由銀層或

兩片銀層之間所夾的金屬塊上引出，輸出端的另一-根引線就直接和傳感器的基座相連。在壓

電片上放置一個質量塊，然后用硬彈簧對質量塊預加載荷，然后將整個組件裝在一個基座的

金屬殼體內。為了隔離基座的應變傳遞到壓電元件上去，避免產生假信號輸出，增加傳感器

的抗T擾能力，基座?般要加厚或者采用剛度較大的材料制造。

使用時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，當其感受振動時，由于彈簧的剛度相當

大，質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小。因此可以認為質量塊感受到與傳

感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用，這樣，質量塊就有一個正比

于加速度的作用力作用在壓電片上。通過壓電片的壓電效應，在壓電片的表面上就會產生隨

振動加速度變化的電壓，當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器輸出的電壓與作用

力成正比，即與傳感器感受到的加速度成正比。將此電壓輸入到前置放大器后就可以用普通

的測量儀器測出加速度，如在放大器中加適當的積分電路，就可以測出振動速度和位移。

2.舉例說明壓電式傳感器的應用。

1）共振型壓電式爆燃傳感器共振型壓電式爆燃傳感器。

主要由插頭、插接器、壓電元件等組成。傳感器中的壓電元件緊密的貼合在振蕩片上,

振蕩片固定在傳感器的基座上。工作原理：振蕩片隨發動機的振蕩而振蕩，壓電元件隨振蕩

片的振蕩而發生變形，進而在其上產生一個電壓信號。當發動機爆燃時，氣缸的振動頻率與

傳感器振蕩片的固有頻率相符合，此時振蕩片產生共振，壓電元件將產生最大的電壓信號。

2）壓電式雨滴傳感器。

主要由振動板、壓電元件、放大器、殼體及阻尼橡膠構成。振動板的作用是接收雨滴沖

擊能量，按自身固有的振動頻率進行彎曲振動，并將振動傳遞給內側壓電元件上，壓電元件

把從振動板傳遞來的變形轉換成電壓信號。當壓電元件上出現機械變形時，在兩側的電極上

就會產生電壓。當雨滴滴落在振動板上時，壓電元件上就會產生電壓，電壓大小與加到板上

的雨滴的能量成正比，一般是0.5~300mV。放大器將壓電元件上產生的電壓信號放大后再輸

入到刮水器放大器中。

第5章思考題與習題

一、填空題

1.熱電偶作為溫度傳感器，測得與溫度相應的一熱電動勢,由儀表顯示出—溫度

值。熱電偶傳感器廣泛用來測量--200℃?1800℃范圍內的溫度，特殊情況

下，可測至2800℃的高溫或4K的低溫。

2.熱電偶冷端恒溫法是指在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器

或裝滿冰水混合物的容器中，以使冷端溫度保持0℃。

3.集成溫度傳感器將—溫敏晶體管與相應的—輔助電路集成在同一芯片上，

它能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于-50C?±150℃_之間的溫度測量。

二、簡答題

1.什么是熱電效應？

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路,當兩個接點1和2的溫度不同時，

如,在回路中就會產生熱電動勢，并在回路中有一定大小的電流，此種現象稱為熱電

效應。

2.熱電偶分哪幾種類型？熱電偶的冷端溫度補償有哪些方法？

根據熱電極的材料，熱電偶可分為難熔金屬熱電偶、貴金屬熱電偶、廉金屬熱電偶、非

金屬熱電偶等；根據測溫范圍，熱電偶可分為高溫熱電偶、中溫熱電偶、低溫熱電偶；根據

工業標準化的情況，又分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶。

熱電偶需要采取一定的措施進行冷端溫度補償，消除冷端溫度變化和不為時所引起

的溫度誤差。常用的補償措施有補償導線法、冷端恒溫法、電橋補償法等。

3.簡述熱電阻測溫原理，常用熱電阻有哪些？他們的性能特點是什么？

熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度的元件，它由熱電

阻體(感溫元件)，連接導線和顯示或紀錄儀表構成。

溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體

時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數，即電阻值

與溫度的變化趨勢相同。

熱電阻按感溫元件的材質分金屬與半導體兩類。金屬導體有鉗、銅、銀、鋁鐵及鉗鉆

合金等，在工業生產中大量使用的有鋁、銅兩種熱電阻;半導體有錯、碳和熱敏電阻等。按

準確度等級分為標準電阻溫度計和工業熱電阻。按結構分為繞線型、薄膜型和厚膜型等。

(1)鉗熱電阻鉗的物理化學性能極為穩定，并有良好的工藝性。以鉗作為感溫元件具有

示值穩定，測量準確度高等優點，其使用范圍是-200?850℃。除作為溫度標準外，還廣泛用

于高精度的工業測量。

(2)銅熱電阻銅熱電阻的使用范圍是-50?150C,具有電阻溫度系數大，價格便宜，互

換性好等優點，但它固有電阻太小，另外銅在250℃以上易氧化。銅熱電阻在工業中的應有

逐漸減少。

4.什么是熱敏電阻？熱敏電阻的主要特點？

熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數變化的半導體熱敏元件。廣泛應用于家電、汽車、

測量儀器等領域。優點如下：

(1)電阻溫度系數大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10?100倍；

(2)結構簡單，體積小，可以測量“點”溫度；

(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態測量；

(4)功耗小，不需要參考端補償，適于遠距離的測量與控制。缺點是阻值與溫度的關系呈

非線性，元件的穩定性和互換性較差。除高溫熱敏電阻外，不能用于350c以上的高溫。

第6章思考題與習題

一、填空題

1.光電傳感器通常是指能敏感檢測到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信

號的器件。其工作原理是基于一些物質的—光電_效應。

2.光照射到物體表面后產生的光電效應分為三類：外光電效應、內光電效應、光生伏特效應。

3.熱釋電紅外傳感器由探測元件、場效應管匹配器和干涉濾光片組成，

4.光纖傳感器主要包括光纖、光源、光探測器和信號處理電路四個重要部分。

二、綜合題

1.光電傳感器在工業上的應用有哪幾種形式的工作方式？

由于光電測量方法靈活多樣，可測參數眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分

辨率、高可靠性和相應快等優點，加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維等

的相繼出現和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。按其接收狀

態可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。

光電傳感器在工業上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。

2.簡述光纖傳感器的原理及其應用實例。

光纖傳感器一般由三個環節組成，即信號的轉換、信號的傳輸、信號的接收與處理。

信號的轉換環節，將被測參數轉換成為便于傳輸的光信號。

信號的傳輸環節，利用光導纖維的特性將轉換的光信號進行傳輸。

信號的接收與處理環節，將來自光導纖維的信號送入測量電路，由測量電路進行處理并

輸出。

光纖傳感器可以制造成傳感各種不同物理信息（位置、聲、磁、溫度、旋轉等）的器件，

如：光纖位移傳感器、光纖液位傳感器等。

第7章思考題與習題

一、填空題

1.霍爾傳感器是一種—磁敏—傳感器，它是把—磁學—物理量轉換成_電_信號的

裝置，廣泛應用于自動控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫學等各個領域。它的最大特點是

非接觸測量一0

2.霍爾電勢如與輸入電流Z_及一磁感應強度B成正比，其靈敏度褊與—霍

爾系數RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。所以，為了提高靈敏度，霍爾

元件常制成—薄片—形狀。

3.霍爾元件的結構很簡單，它通常由—霍爾片—、—引線―和—殼體—組成。

4.半導體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現象稱為磁阻效應，利

用磁阻效應制成的元件稱為磁敏電阻。

二、簡答題

1.簡述你理解中的霍爾效應。

1879年，美國物理學家霍爾（EH.Hall）經過大量的實驗發現：如果讓一恒定電流通過

一金屬或半導體薄片，并將薄片置于強磁場中，在金屬薄片的另外兩側將產生與磁場強度成

正比的電動勢，這個現象后來被人們稱為霍爾效應。

假設霍爾元件為N型半導體薄片，薄片厚度為"，磁感應強度為B的磁場方向垂直于

薄片。在薄片前后兩端通以控制電流/,那么半導體中的載流子（電子）將沿著與電流/相

反的方向運動。由于外磁場3的作用，使電子受到洛侖茲力凡而發生偏轉，結果在半導體

的右端面上電子積累帶負電，而左端面缺少電子帶正電，在半導體的左右端面間形成電場。

該電場產生的電場力凡阻止電子繼續偏轉。當凡和凡相等時，電子積累達到動態平衡。

這時在半導體左右兩端面之間（即垂直于電流和磁場方向）建立電場，稱為霍爾電場EH，

相應的電勢UH稱為霍爾電勢。

2.制成霍爾元件常用的材料有哪些？

1948年以后，由于半導體技術迅速發展，人們找到了霍爾效應比較明顯的半導體材料，

并制成了睇化鋼、神化鐵、珅化鈿、硅、錯等材料的霍爾元件。目前常用的霍爾元件材料是

N型硅，它的靈敏度、溫度特性、線性度均較好。

3.簡述集成霍爾傳感器的分類、特點及應用場合。

集成霍爾傳感器的輸出是經過處理的霍爾輸出信號。其輸出信號快，傳送過程中無抖動

現象，且功耗低，對溫度的變化是穩定的，靈敏度與磁場移動速度無關。按照輸出信號的形

式，可以分為開關集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。

1.線性集成霍爾傳感器

線性集成霍爾傳感器主要由霍爾元件、恒流源、放大電路組成，由恒流源提供穩定的激

勵電流，霍爾電勢輸出接入放大電路，輸出電壓較高，應用廣泛。集成電路的輸出電壓與霍

爾元件感受的磁場變化近似呈線性關系。它主要用于對被測數據進行線性測量的場合，如角

位移、壓力、電流等的測量。

2.開關集成霍爾傳感器

開關集成霍爾傳感器是利用霍爾效應與集成電路技術制成的一種傳感器，以開關信號形

式輸出。霍爾開關集成器件具有使用壽命長、無觸電磨損、元火花干擾、工作頻率高、溫度

特性好及能適應惡劣環境等優點。

常用的開關集成霍爾傳感器由霍爾元件、放大電路、施密特觸發器等部分組成。穩壓電

路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內工作，開關輸出可使該電路方便地與各邏輯電路連

接。

4.簡述磁敏二極管的工作原理。

當磁敏二極管未受到外界磁場作用，且外加如圖7-16a所示的正偏壓時，則有大量的空

穴從P區通過I區進入N區，同時也有大量電子注入P區而形成電流。只有一部分電子和

空穴在I區復合掉。

當磁敏二極管受到如圖7-16b所示的外界磁場H+（正向磁場）作用時，電子和空穴受

到洛侖茲力的作用而向r區偏轉。由于r區的電子和空穴復合速度比光滑面I區快，所以,

內部參與導電的載流子數目減少，因此，外電路電流減小。磁場強度越強，電子和空穴受到

洛侖茲力就越大，單位時間內進入r區復合的電子和空穴數量就越多，外電路的電流就越

小。

a）不受磁場作用時b）受正向磁場作用時c）受反向磁場作用時

圖7-16磁敏二極管工作原理

當磁敏二極管受到如圖7-16c所示的外界磁場片H（反向磁場）作用時，則電子和空

穴受到洛侖茲力作用而向I區偏移；則外電路的電流比不受外界磁場作用時大。

利用磁敏二極管的正向導通電流隨磁場強度的變化而變化的特性，即可實現磁電轉換。

三、綜合應用題

1.圖7-22是利用霍爾傳感器構成的一個自動供水裝置，請分析其工作原理。

圖7-22利用霍爾傳感器的自動供水裝置

鍋爐中的水由電磁閥控制流出與關閉。電磁閥的打開與關閉，則受控于控制電路。打

水時，需將鐵制的取水卡從投放LI投人，取水卡沿非磁性物質制作的滑槽向下滑行，當滑行

到磁傳感部位時，傳感器輸出信號經控制電路驅動電磁閥打開，讓水從水龍頭流出。延時一

定時間后，控制電路使電磁閥關閉，水流停止。

2.設計一種霍爾式液位控制器，要求：

①當液位高于某一設定值時，水泵停止運轉。

②儲液罐是密閉的，只允許在儲液罐的玻璃連通器外壁和管腔內確定磁路和安裝霍爾元件。

③畫出磁路和霍爾元件及水泵的設置圖；畫出控制電路原理框圖；簡要說明該檢測、控制系

統的工作過程。

霍爾元件及水泵的設置圖：

排F

檢測、控制系統的工作過程：

液位測量原理是利用漂浮在被測液面的浮子的位置來判斷液面高度的。浮子漂浮在液面

上，隨液位高低上下浮動；浮子內裝有環形磁鐵，磁鐵產生了沿不銹鋼保護管軸向的穩定磁

場；浮球是泡沫材料，可以在液體的浮力作用下隨液位的升高或下降而升降。當上升到液位

控制器UGN3020調定好的位置時，控制開關便發出控制信號。

工作原理:首先閉合隔離開關Q,220V電源經過降壓、整流、濾波和穩壓后得到12V宜

流電壓供給控制電路。控制電路發出的信號驅動繼電器kM,然后控制注液電動機啟停。

1、液位上升

當液面上升時，液體浮力使浮球浮起，霍爾元件的磁場強度隨之增大，當浮球（磁鐵）

移動到距離霍爾元件UGN3020幾亳米時，霍爾UGN3020接近開關輸出低電平變為高電平，

經驅動電路使繼電器KM放，使旦動機停止運轉，液位停止上升。

2、液位下降

當液位下降時，浮球隨之下降，霍爾元件UGN3020接近開關輸出低電平，經驅動電路

使繼電器KM合，電動機運轉，液位重新上升。

第8章思考題與習題

一、填空題

i.當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中傳播速度不同，在介

質面上會產生_反射_、_折射_和波形轉換等現象。

2.超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，而以壓電式最為

常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。

二、綜合題

1.圖8?7是汽車倒車防碰裝置的示意圖。請根據學過的知識，分析該裝置的工作原理。

并說明該裝置還可以有其它哪些用途？

〃力"〃〃〃//〃〃〃〃//，

圖8-7習題二（1）圖

超聲波傳感器在汽車中主要用于倒車提醒，使得駕駛員可以安全地倒車。其原理是，

利用超聲波探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發出提示。超聲波測距雖然目

前在測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。

該裝置還可以用在自動化流水線工件檢測。

2.上網查閱電視機和汽車門遙控器的原理，說明除了超聲波外，還可以采用哪些方法來

進行遙控？各有哪些優缺點?

實現遙控的方式很多，比如紅外線、電磁波等，鼓勵學生上網查閱。

第9章思考題與習題

一、填空題

1.A/D轉換模塊、放大器、A/D轉換器、微處理器(CPU)、存儲器

2.位移的方向性、位移的放大作用

3.增量式光電編碼器、絕對式光電編碼器

4.直線式、旋轉式

5.定尺、滑尺、線位移

二、簡答題

1.如果把兩塊柵距W相等的光樁面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角仇這時

光柵上會出現若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱為莫爾條紋。

2.磁柵位移傳感器和其他類型的位移傳感器相比，具有結構簡單，便用方便，動態范圍大

(1?20相)和磁信號可以重新錄制等優點，其缺點是需要屏蔽和防塵。

3.當滑尺任意繞組加交流激磁電壓時，由于電磁感應作用，在定尺繞組中必然產生感應電

壓，該感應電壓取決于滑尺和定尺的相對位置。

定尺rLTLTLTL

如果滑尺處于4位置.，即滑尺繞組與定尺繞組完全對應重合，定尺繞組線圈中穿入的

磁通最多，則定尺上的感應電壓最大。隨著滑尺相對定尺做平行移動，穿入定尺的磁通逐漸

減少，感應電壓逐漸減小。當滑尺移到圖中B點位置，與定尺繞組剛好錯開1/4節距時，感

應電壓為零。再移動至1/2節距處，即圖中C點位置時，定尺線圈中穿出的磁通最多，感應

電壓最大，但極性相反。再移至3/4節距，即圖中。點位置時，感應電壓又變為零，當移動

一個節距位置如圖中E點，又恢復到初始狀態，與A點相同。顯然，在定尺移動一個節距

的過程中，感應電壓近似于余弦函數變化了一個周期，如圖9-13中瓦

感應同步器就是利用感應電勢的變化，來檢測在一個節距卬內的位移量，為絕對式測

量。設滑尺繞組的節距為27,它對應的感應電勢按余弦函數規律將變化2乃。若滑尺的移

動距離為X,則對應于感應電勢以余弦函數將變化"

八2兀xnx

u=--=—

2rT

三、綜合應用題

1.感應同步器就是利用感應電勢的變化，來檢測在一個節距W內的位移量，為絕對式

測量。設滑尺繞組的節距為2r,它對應的感應電勢按余弦函數規律將變化若滑尺的

移動距離為x,則對應于感應電勢以余弦函數將變化公

八2冗x兀x

u---=—

2rT

因。=180。，2r=2mm,故滑尺移動距離x=1mm。

2.光柵傳感器獲得的四路原始信號，經差分放大器放大、移相電路分相、整形電路整形、倍

頻電路細分、辨向電路辨向進入可逆計數器計數，由顯示器顯示讀出。

第10章思考題與習題

一、填空題

1.智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當于人類的感知器官,其微

處理器相當于人類的大腦,可進行信息處理、邏輯思維與推理判斷。

2.科學和生產工藝的發展大大促進了傳感器技術的發展，一傳感器一技術、―通信技

術和—計算機技術共同構成了現代信息技術的三大支柱。

3.按照像素排列方式的不同，CCD又可分為線陣一與—面陣兩大類。

4.生物傳感器是一種利用生物—活性物質—的分子識別功能，將感受到的—被測物質的

特征量轉換成可用輸出—信號的傳感器。

二、綜合題

1.簡述智能化傳感器的特點。

智能傳感器已具備了人類的某些智能思維與行為。人類通過眼暗、鼻子、耳朵和皮膚感

知獲得外部環境多重傳感信息，這些傳感信息在人類大腦中歸納、推理并積累形成知識與經

驗；當再次遇到相似外部環境時，人類大腦根據積累的知識、經驗對環境進行推理判斷，做

出相應反應。

智能傳感器精度高、響應快、穩定性好，可靠性高，還要求其具有數據存儲與處理、自

校準、自診斷、自補償和遠程通信等功能。

2.圖像傳感器主要分為哪三種？

圖像傳感器產品主要分為CCD（ChargeCoupledDevice,電布耦合器件）、COMS

（ComplementaryMetatal-oxideSemiconductoor,互補金屬氧化物半導體）以及CIS（Contact

ImageSensor,接觸式圖像傳感器）三種。

3.CCD有幾個工作過程？分別是什么？

在CCD中，CCD的信號為電荷信號，電荷注入的方法有很多，歸納起來，可分為光注

入和電注入兩類。

CCD工作過程的第一步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換為電荷輸出，依據

的是半導體的內光電效應（也就是光生伏特效應）。

CCD工作過程的第二步是信號電荷的存儲收集，是將入射光子激勵出的電荷收集起來

使其形成信號電荷包的過程。

CCD工作過程的第三步是信號電荷包的傳輸轉移，是將所收集起來的電荷包從一個像

元轉移到下一個像元，直到全部電荷包箱出完成的過程。通過按一定的時序在電極上施加島

低電平，可以實現光電荷在相鄰勢阱間的轉移。CCD的信號電荷讀出方法有輸出二極管電

流法和浮置柵MOS放大器電壓法兩種。

CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓

的過程。輸出類型主要有以下三種。

（1）電流輸出。

（2）浮置柵放大器輸出。

（3）浮置擴散放大器輸出。

4.簡述CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的區別。

CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用

光電二極管進行光電轉換，將圖像轉換為數字數據的。

CCD圖像像傳感器與CMOS圖像傳感器器的主要差異是數字數據傳輸的方式不同。

CCD圖像傳感器中每一行中每一個像素的電荷數據都會依次傳送到下一個像素中，由最底

端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出。而在CMOS圖像傳感器中，每個

像素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似內存電路的方式將數據輸出。

CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器另一個主要差異是電荷讀取方式不同。對于CDD,

光通過光電二極管轉換為電荷，然后電荷通過傳感器芯片傳遞到轉換器，最終信號被放大,

因此電路較為復雜，速度較慢。對于CMOS,光通過電極二極管的光電轉換后直接產生電壓

信號，信號電荷不需要轉移，因此CMOS圖像傳感器集成度高，體積小。

綜上所述，CCD圖像傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS圖像傳

感器，而CMOS圖像傳感器則具有低成本、低功耗以及整合度高的優點。不過，隨著CCD

與CMOS傳感器技術的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態勢。例如：CCD圖像傳感器一直

在功耗上做改進，以應用于移動通信市場；CMOS圖像傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面

的不足，以應用于更高端的圖像產品。

5.簡述智能生物傳感器的應用場合。

從20世紀60年代Clark和Lyon提出生物傳感器的設想開始，生物傳感器的發展已經

距今已有幾十年的歷史了。作為一門在生命科學和信息科學之間發展起來的交叉學科，生物

傳感器在發酵工藝、環境監測、食品工程、臨床醫學、軍事及軍事醫學等方面得到了深度重

視和廣泛應用。隨著社會的進一步信息化，生物傳感器必將獲得越來越廣泛的應用。

近年來，受生物科學、信息科學和材料科學發展的推動，智能生物傳感器技術飛速發展。

未來的智能生物傳感器將進一步應用在醫療保健、疾病診斷、食品檢測、環境監測、發酵工

業等各個領域。

6.什么是生物芯片？

進入21世紀，電子技術和生物技術相結合，誕生了生物芯片。生物芯片由研究DNA

分子或蛋白質分子的識別技術開始，已形成獨立學科，成為生命科學領域中迅速發展起來的

一項高新技術。生物芯片原名稱為“核酸微陣列”，是通過微加工技術和微電子技術，在一塊

len?大小的硅片、玻璃片、凝膠或尼龍膜上，構建成密集排列的生物分子微陣列。

7.簡述模糊傳感器的概念。

模糊傳感器是在傳統傳感器數值測量數據的基礎上，經過模糊推理與知識集成，以自然

語言符號的形式來描述輸出結果的智能傳感器。所以，模糊傳感器具有智能傳感器感知、學

習、推理，通信等基本功能，其中學習功能是模糊傳感器特殊而重要的功能，例如，檢測天

氣舒適度的模糊傳感器需結合溫度、濕度、風速等氣象要素對人體綜合作用，表征人體在大

氣環境中舒適程度。

8.簡述多傳感器數據融合系統有應用場合。

多傳感器數據融合系統包含多傳感器融合和數據融合。

多傳感器融合是指多個基本傳感器空間和時間上的復合設計和應用，常稱多傳感器復合。

多傳感器融合能在極短時間內獲得大量數據，實現多路傳感器的資源共享，提高系統的可靠

性和寬容性。

數據融合也稱信息融合，是指利用計算機對獲得的多個信息源信息，在一定準則下加以

自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術。

數據融合已經應用到智能機器人、遙感、醫療等領域，在軍用領域，數據融合已經應用

到對空防御、電子對抗、指揮系統等。這些是目前數據融合應用得較為成熟的領域，另外還

有很多其他新的領域均會應用到多傳感器數據融合技術。

9.簡述MEMS傳感器的應用領域。

微傳感器具有空間占有率小、靈敏度高、響應速度快、便于集成化和多功能化、可靠性

高、消耗電力小、價格低廉、適于批量化生產等優點。因此MEMS傳感器已經非常廣泛的

應用于航空航天、汽車工程、生物醫學與健康領域中。MEMS壓力傳感器在汽車上主要用于

測量氣褰壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力等。

第11章思考題與習題

一、填空題

1.機器人的技術主要包括：一傳感技術—、一智能技術_、_控制技術—等。機器人傳感器

可分為內部檢測傳感器和—外部檢測傳感器兩大類。

2.機器人外界檢測傳感器通常包括—觸覺、_接近覺、_視覺-、

_聽覺、嗅覺和味覺等傳感器。

3.接近覺傳感器主要檢測傳感器與對象物之間的接近程度。

接近覺傳感器有電磁感應式、光電式、電容式、一氣壓式、超聲波式、紅外式以及微波式等

多種類型。

4.傳感器作為汽車電控系統的關鍵部件，它直接影響汽車的技術性能的發揮。汽車傳感器主

要分布在—發動機控制一系統、―底盤控制一系統和車身控制一系統中。

5.手機的攝像頭一般都采用_CMOS_圖像傳感器，目前很多手機廠商采用—多攝像頭一方

案。

6.中國工業企業所關注的相關技術包括工業軟件、傳感器技術、通信技術、人工智能、物聯

網、大數據分析等。

二、綜合題

1.你怎樣理解機器人的“大腦”和執行機構的自由度？

智能機器人之所以叫智能機器人，這是因為它有相當發達的“大腦”，即中央處理器。

機器人的“大腦”叫做中央處理器（CPU）。中央處理器就是一個超大規模的集成電路，

接收到傳感器傳回來的數據后，根據內部預先設定好的算法程序解析各個信號所代表的真實

意義。

伺服電機是機器人常用的執行機構，相當于人體的肌肉系統，一旦接收到來自“大腳，的

控制信號則完成相應的動作。在機器人系統里，每個伺服電機都相當于一個人體關節，比如，

一個機器人的手臂有7個不同方向的伺服電機，就代表這個機械手臂可以向7個不同方向

轉動，也可以說成有7個自由度，由此可見一個機器人自由度越多，就說明這個機器人得動

作就越靈活。

2.汽車發動機中主要有哪些傳感器？

發動機用傳感器主要包括空氣流量傳感器、進氣壓力傳感器、節氣門位置傳感器、曲軸

位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進氣與冷卻液溫度傳感器、氧傳感器、爆燃傳感器等

3.簡述汽車電子點火系統的工作原理。

汽車電腦ECU電子點火系統主要包括各種傳感器、ECU和執行器（點火器、點火線圈、

火花塞）。

傳感器主要有：曲軸位置傳感器、發動機轉速傳感滯、節氣門位置傳感器、冷卻液溫度

傳感器、車速傳感器、爆燃傳感器以及空調開關信號等。

汽車電腦（ECU）接收到曲粕位置傳感器發出的曲軸位置（G）信號，并根據空氣流量

信號（或進氣歧管壓力信號）和發動機轉速信號，確定基本點火時刻（基本點火提前角）。

與此同時，ECU接收其他各傳感器發出的信號，對點火提前角進行修正。如發動機冷車起

動時，由于發動機怠速控制裝置的作用，運轉速度較正常怠速時高，應增大點火提前角：暖

機過程中，隨著冷卻液溫度的升高，發動機轉速逐漸降低，點火提前角應隨之減小。

4.簡述第五代移動通信技術（5G）的特點。

5G呈現出低時延、高可靠、低功耗的特點，已經不再是一個單一的無線接入技術，而

是多種新型無線接入技術和現有無線接入技術（4G后向演進技術）集成后的解決方案總稱。

5G將大大增強數百萬智能手機用戶的移動體驗。除此之外5G還給我們帶來物聯網（IOT）

和人工智能（AI）等領域全新的體驗。在基礎級技術領域，5G將提供比4G更快的數據速

度，更高的數據容量，更好的覆蓋范圍，更低的延遲或更快的響應時間。這些優勢的組合將

超越提高智能手機使用體驗，5G的誕生，將進一步改變我們的生活。

5.智能手機中主要有哪些傳感器？

1.光線傳感器

2.距離傳感器

3.重力傳感器

4.加速度傳感器

5.磁阻傳感器

6.陀螺儀

7.GPS

8.近場通信（NFC）傳感器

9.霍爾感應器

10.氣壓傳感器

11.心率傳感器

12.血氧傳感器

13.紫外線傳感器

6.簡述電容指紋傳感器的原理。

電容指紋傳感器原理是：手指構成電容的?極，另?極是硅晶片陣列，通過人體帶有的

微電場與電容傳感器間形成微電流，指紋的波峰波谷與感應器之間的距離形成電容高低差，

從而描繪山指紋圖像。美國Veridicom公司生產的FPS1OO固態指紋傳感器是一種直接接觸

的指紋采集器件，它是一種低功耗、低價格、高性能的電容式指紋傳感器。芯片集成有二維

金屬電極陣列傳感器，其中金屬電極是電容的一個極，而接觸的手指作為另一個極，表面鈍

化層是中間的電介質。由于手指上紋路及深淺的存在，導致電容陣列的各個電容值的不同，

通過測量并記錄各點傳感單元電容上的電壓值就可以獲得具有灰度級的指紋圖象。

7.簡述陀螺儀工作原理。

原理：角動量守恒，一個正在高速旋轉的物體（陀螺），它的旋轉軸沒有受到外力影響

時，旋轉軸的指向是不會有任何改變的。陀螺儀就是以這個原理作為依據，用它來保持一定

的方向。三軸陀螺儀可以替代三個單軸陀螺儀，可同時測定6個方向的位置、移動軌跡及加

速度。陀螺儀則可以對轉動、偏轉的動作做很好的測量。這樣，就可以精確分析判斷出使用

者的實際動作，從而根據動作對手機做出相應的操作.

8.簡述智能制造的實現需要哪些技術產品的支持。

智能制造實現需要多個層次上技術產品支持，主要包括傳感器技術、工業機器人、3D打

印、工業物聯網、云計算、工業大數據、知識工作自動化、工業網絡安全、虛擬現實和人工

智能等，這些技術產品中會產生無數的商機和上市公司。

9.中國工業企業智能制造五大部署重點都包括什么內容？

中國_L業企業智能制造五大部署重點依次為：數學化_12廠（63%）、設備及用戶價值深

挖（62%）、工業物聯網（48%）、重構生態及商業模式（36%）以及人工智能（21%）、從相

關技術來看，受訪企業所關注的相關技術包括工業軟件、傳感器技術、通信技術、人工智能、

物聯網、大數據分析等。

10.簡述《中國制造2025》提出的實現制造強國的戰略目標。

《中國制造2025》提出，通過“三布走”實現制造強國的戰略目標：第一步，到2025年

邁入制造強國行列；第二步，到2035年我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平；

第三步，到新中國成立一百年時，我國制造業大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強

國前列。

第12章思考題與習題

一、填空題

1.物聯網是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描

器等信息傳感設備，采集物品的聲、光、熱、電、力學、化學、生物、信息，按約定的協議，

把—物品—與—互聯網—連接起來，進行信息交換和通訊，以實現對物品和過程的智能

化感知、識別、定位和管理。

2.無線傳感器網絡是由大量—移動—或—靜止—傳感器節點，通過—無線通信—方式組成的網

絡。

3.無線傳感器網絡由—傳感器—節點、匯聚一節點、―移動通信—或衛星通信

網、數據管理中心、終端用戶組成。

二、綜合題

1.簡述無線傳感器網絡的結構及組成部分。

無線傳感器網絡(WirelessSensorNeiwork,WSN)是由大量移動或靜止的傳感器節點，通

過無線通信方式組成的網絡。無線傳感器網絡是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技

術于一體的網絡信息系統。物聯網正是通過遍布在各個角落和物體上的各種不同的傳感器以

及由它們組成的無線傳感器網絡來感知物質世界。

無線傳感器網絡由傳感器節點、匯聚節點、移動通信或衛星通信網、數據管理中心、終

端用戶組成。

2.簡述無線射頻識別裝置的工作原理

裝有天線的RFID閱讀器在工作過程中持續地發出一定頻率的射頻信號，當裝有電子標

簽的物體接近射頻信號所覆蓋的區域時，根據查詢信號中的命令要求，將存儲在標簽中的數

據信息反射回閱讀器。

閱讀器接收到電子標簽反射回的信號后，經解碼處理即可將電子標簽中的識別代碼等信

息分離出來。這些信息被傳送到后臺中央信息系統，后臺系統根據運算，針對不同的設定做

出相應的處理和控制。

3.簡述網絡傳感器的概念及發展趨勢

網絡傳感器是指在現場級實現了TCP/IP協議的傳感器，這種傳感器讓現場測控數據能

就近登錄網絡，在網絡所能及的范圍內實時發布和共享。具體地說，網絡傳感器是采用標準

的網絡協議，同時采用模塊化結構將傳感器和網絡技

術有機地結合在一起的智能傳感器。

網絡化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發展；從孤立元

件向系統化、網絡化發展；從就地測量向遠距離實時在線測控發展。因此，網絡化智能傳感

器代表了傳感器技術的發展方向。

4.智慧校園的核心的特征是什么？

智慧校園指的是以物聯網為基礎的智慧化的校園學習、工作和生活一體化環境，這個一

體化環境以各種應用服務系統為載體，將教學、科研、管理和校園生活進行充分融合。智慧

校園的核心的特征：

一是為廣大師生提供一個全面的智能感知環境和綜合信息服務平臺，提供基于角色的個

性化定制服務；

二是將基于計算機網絡的信息服務融入學校的各個應用與服務領域，實現互聯和協作;

三是通過智能感知環境和綜合信息服務平臺，為學校與外部世界提供一個相互交流和相

互感知的接口。

5.舉例說明物聯網技術在智慧城市建設中的應用。

智慧農業

智賽醫療

智慧校園

智能工廠

供電供水

智慧交通

智慧停車

第13章思考題與習題

一、填空題

1.