传感器原理及应用课后习题答案（吴建平机械工业出版）(5)

第10章 半导体式化学传感器

10.1 什么是半导体气体传感器？它有哪些基本类型？气体传感器的发展动态如何? 10.2 半导体气体传感器主要有哪几种结构？各种结构气体传感器的特点如何？

10.3 如何提高半导体气体传感器的选择性？根据文献举例说明，目前实用气体检测方法常用哪些气敏传感器？它有什么特点？

10.4 半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作？加热方式有哪几种？加热丝可以起到什么作用？

10.5 查找文献说明近年有哪些新性的气体传感器。

10.6 什么是绝对湿度？什么是相对湿度？表示空气湿度的物理量有哪些？如何表示？ 10.7 湿度传感器的种类有哪些？主要参数有哪些？简述氯化锂湿度传感器的感湿原理。 10.8 简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。半导体陶瓷湿敏传感器有那些特点？

10.9 离子选择电极是如何分类的？离子选择电极分析法有什么特点？试述离子选择电极的

结构与测量原理。

答案：

10.1答：（略）

10.2答：

1）按构成气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类；按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。

2）早期电化学和光学方法，其检测速度慢、设备复杂、使用不方便；新型金属氧化物半导体传感器由于灵敏度高、体积小、使用方便，已广泛用于检测、分析领域。电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化，电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件，传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成。非电阻型气敏传感器有不同类型，如利用MOS二极管的电容-电压特性变化，利用MOS场效应管的阈值电压的变化，利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。

10.3答：（略）

10.4答：

1）因为在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器，加热时间2～3分钟，最佳工作温度为200℃～400℃。

2）加热方式分为直热式和旁热式。电阻型气敏传感器加热的目的有两个方面的因素，一是为了加速气体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度，另外使附着在传感器元件壳面上的油雾、尘埃烧掉。

10.5答：（略）

10.6答：

1）绝对湿度指单位体积空气内所含水汽的质量，一般用每立方米空气中所含水汽的克数表示

2）相对湿度是指被测气体中，实际所含水汽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(Relative Humidity)表示，无量纲。

3）除用绝对湿度、相对湿度表示空气的水汽含量外，露点温度是一个与湿度相关的重要物理量，简称露点。当空气中温度下降到某一温度时，空气中的水汽就有可能转化为液相而凝结成露珠，这一特定温度称为空气的露点或露点温度。

10.7答：（略）

10.8答：

1）半导体湿敏电阻通常用两种以上的金属—氧化物—半导体烧结成多孔陶瓷，多孔陶瓷表面吸收水分的情况分为三个阶段，第一阶段是陶瓷在低湿区域或刚接触水汽；第二阶段是进一步吸收水分子或中等湿度环境；第三阶段大量水汽存在使晶粒界充满水分子。

2）半导瓷湿敏传感器有正特性和负特性两种。负特性半导体瓷湿敏电阻的电阻值随湿度增加而下降，电阻率低，阻值-湿度特性好。由于水分子中（H2）氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，（P型半导体电势下降，N型半导体出现反型层）电阻率随湿度增加而下降。

10.9答：

1）ISFET没有金属栅极，而是在绝缘栅上制作了一层敏感膜，敏感膜种类很多，不同敏感膜检测离子种类不同，具有离子选择性，如：Si3N4—氮，SiO2、Al2O3（无机膜）可测H+（氢）、PH。 2）器件在SiO2层与栅极间无金属电极，而是待测溶液，溶液与参比电极同时接触充当栅极构成场效应管，工作原理与场效应管相似。

3）离子敏传感器是将普通MOSFET的金属栅去掉，让绝缘氧化层直接与溶液相接触，栅极用铂金属膜作引线，在铂膜上涂一层离子敏感膜，构成离子敏场效应管ISFET。当离子敏场效应管ISFET插入溶液时，被测溶液与敏感膜接触处就会产生一定的界面电势，这个电势大小取决于溶液中被测离子的浓度。

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第11章 波与射线式传感器

11.1 什么是超声波？其频率范围是多少？

11.2 超声波在通过两种介质界面时，将会发生什么现象？

11.3 超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应，检测原理是什么？常用的超声波传感器（探头）有哪几种形式？简述超声波测距原理。

11.4 利用超声波测厚的基本方法是什么？已知超声波在工件中的声速为5640m/s，测得的时间间隔t为22?s，试求工件厚度 11.5 利用EN555集成器件，自行设计一超声波传感器控制的遥控开关发射电路，传感器中心频率为40kHz，遥控距离10m，绘出电路原理图，请说明电路工作原理。

11.6 红外辐射探测器分为哪两种类型?这两种探测器有哪些不同？试比较它们的优缺点。 11.7 叙述热释电效应，热释电元件如何将光信号转变为电信号输出？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？

11.8 题图11-39为热释电元件内部

结构图，请说明图中FET是什么元件，Rg与FET在传感器电路中起到什么作用?

11.9 试设计一个红外控制的电扇开关自动控制电路，并叙述其工作原理。

11.10 什么是放射性同位素？辐射

强度与什么有关系？ 图 11-39 11.11试用核辐射测量方法设计一个

测厚仪器系统，请画出测量系统结构原理示意图，试说明射线测量物厚的原理。 11.12 放射性探测器有哪几种？结构如何，各有什么特征？

答案

11.1答：

1）超声波是人耳无法听到的声波。人耳听见的声波称机械波，频率在16Hz～20kHz，一般说话的频率范围在100Hz～8kHz之间，低于20Hz频率的波称为次声波，高于20kHz频率的波称超声波，频率在300MHz～300GHz之间的波称为微波。

2）超声波频率范围在几十千赫兹到几十兆赫兹，

11.2答：

当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。

11.3答：

1）超声波传感器主要利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应，其中超声波发射器利用逆压电效应制成发射元件，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；超声波接收器利用正压电效应制成接收元件，将超声波机械振动转换为电信号。

2)按工作形式简单超声波传感器有专用型和兼用型两种形式，兼用型传感器是将发射（TX）和接收（RX）元件制作在一起，器件可同时完成超声波的发射与接收；专用型传感器

的发送（TX）和接收（RX）器件各自独立。按结构形式有密封性和开放型，超声波传感器上一般标有中心频率（23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz），表示传感器工作频率。

3)（略) 11.4

1）通过测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔t和超声波在介质中传播速度，便可以求得待测的厚度或物位。

2）解：

已知：??5640m/s,t1?t2?22?s?由?t?2?h/?，得到工件厚度?h??t?/2?62.04m

11.5（略) 11.6答：

1）红外探测器主要有两大类型：热探测器（热电型），包括热释电、热敏电阻、热电偶；光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，使材料的电学性质发生变化，其中有光敏电阻、光敏晶体管、光电池等。

2）红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的热电或光电器件，当器件吸收辐射能时温度上升，温升引起材料各种有赖于温度的参数变化，检测其中一种性能的变化，既可探知辐射的存在和强弱。光量子型红外探测器是能将红外辐射的光能直接转换为电能的光敏器件。

3）光子探测器与热释电传感器区别是，光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器几乎可以探测整个红外波长范围。

11.7答：

1）热释电效应首先利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号，这一过程包括了光→热→电的两次信息变换过程，而对波长频率没有选择。光→热→电转换过程中，光→热阶段，物质吸收光能，温度升高；热→电阶段，利用某种效应将热转换为电信号。

当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面时，薄片温度升高使极化强度降低，表面电荷减少，释放部分电荷，所以称热释电。

2）温度一定时因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉不显电性，要让热释电材料显现出电特性，必需用光调制器使温度变化，并且调制器的入射光频率f必须大于电荷中和时间的频率。 11.8电路分析：

1）FET为场效应管

2）输入电阻Rg安装在管壳中，与FET场效应管起到阻抗变换的作用。由于热释电传感器绝缘电阻很高，几十至几百兆欧容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。

11.9（略) 11.10答：

1）具有确定质子数和中子数的原子核称做核素，凡是原子序数相同，原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称同位素。

2）放射性的强弱称为放射性强度，一般用单位时间内发生衰变的次数来表示，也称核辐射强度。 11.11（略) 11.12（略)

第12章 热电式传感器

12.1 什么是热电效应？热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成的

闭合回路能产生热电势吗？

12.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要？对参比端温度处理有哪些方法？ 12.3 解释下列有关热电偶的名词：

热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。 12.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。 12.5 某热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处的温度场，若指示表（冷端）

处温度为50℃，试求热电势的大小？

12.6 某热电偶的热电势在E(600,0)时，输出E=5.257 mV，若冷端温度为0℃时，测某炉温输

出热电势E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度是多少？

12.7 已知铂热电阻温度计0℃时电阻为100?, 100℃时电阻为139Ω，当它与某热介质接触

时，电阻值增至281Ω，试确定该介质温度。 12.8 用分度号为K型镍铬-镍硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显示

500℃，此时冷端为60℃。试问实际测量温度为多少度？若热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表指示多少度？

12.9 什么是集成温度传感器？P-N结为什么可以用来作为温敏元件？

12.10 AD590是哪一种形式输出的温度传感器，可以测量的温度范围是多少？叙述图12-23

电路工作原理。

12.11 用AD590设计一可测量温度范围0～100℃的数字温度计，画出电路原理图。

12.12 DS18B20智能型温度传感器与集成温度传感器AD590的工作原理和输出信号有什么

不同？如何用DS18B20实现多点测温的？

答案

12.1答：

1）两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时，导体回路里有电流流动会产生热电势，这种现象称为热电效应。

2）热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。 3）热电偶两个电极材料相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。 12.2答：

1）实际测量时利用这一性质，可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。 2）因为热电偶的分度表均是以参考端T =0℃为标准的，而实际应用的热电偶参考端往往T≠0℃，一般高于零度的某个数值，此时可利用中间温度定律对检测的热电势值进行修正，以获得被测的真实温度。 12.3答：（略）

12.4答：热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下：

? 热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代。 ? 热电阻结构很简单，金属热电阻材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍金属。金属热电

阻广泛用于测量-200～+850℃温度范围，少数可以测量1000℃。

? 热敏电阻由半导体材料制成，外形大小与电阻的功率有关，差别较大。热敏电阻用

途很广，几乎所有家用电器产品都装有微处理器，这些温度传感器多使用热敏电阻。

12.5解：

已知：热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处的温度场，若指示表（冷端）处温度为50℃，则 中间温度为：1200℃-50℃=1150℃； 热电势为： 0.04mV/℃×1150℃=46mV 或：

EAB（T,0）= EAB（T,1200）+ EAB（50,0）= 1200℃×0.04mV/℃-50℃×0.04mV/℃=46mV

12.6解：

已知：热电偶的热电势E（600.0，0）=5.257 mV，冷端温度为0℃时，输出热电势E=5.267 mV，

热电偶灵敏度为：K = 5.257 mV/600 = 0.008762 mV/℃

该加热炉实际温度是：T= E/K = 5.267 mV/0.008762 mV/0℃ = 601.14℃

12.7解：

已知：铂热电阻温度计0℃时电阻为100?，100℃时电阻为139Ω； 可通过查表得：当电阻值增至281Ω时，介质温度为500℃。

12.8用分度号为K型镍铬-镍硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显示500℃，此时冷端为60℃。试问实际测量温度为多少度？若热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表指示多少度？ 12.9答：

1）集成温度传感器多采用匹配的差分对管作为温度敏感元件；

2）根据绝对温度比例关系，利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比率下工作时，一对晶体管的基极与发射极（P-N结）之间电压差?VBE与温度呈线性关系进行温度测量。 12.10答：

1）AD590是典型的电流输出型集成温度传感器，测温范围是-50～+150℃； 2）该电路是一温度控制电路。AD311为比较器，温度达到限定值时比较器输出电压极性翻转，控制复合晶体管导通截止，从而控制加热器电流变化。

12.11答：（略） 12.12答：

1）DS18B20智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号，相当于T/f（温度/频率）转换器，将被测温度T转换成频率信号f，输出为数字信号；AD590是利用P-N结电压随温度的变化进行测温，输出为模拟信号。

2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温；使用中不需要任何外围器件，测量结果以9位数字量方式串行传送。

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