传感器原理及工程应用第三版郁有文课后答案样本.docx

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7-4 什么是霍尔效应? 霍尔电势与哪些因素有关?
【答】
1、 通电的导体或半导体, 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。
2、 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度, 其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。
7-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些? 如何补偿?
1、 影响霍尔元件输出零点的因素
当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有: 
( 1) 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 
( 2) 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀; 
( 3) 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
2、 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级, 有时甚至超过霍尔电势, 而实用中要消除不等位电势是极其困难的, 因而必须采用补偿的方法。
能够把霍尔元件等效为一个电桥, 用电桥平衡来补偿不等位电势。由于A、 B电极不在同一等位面上, 此四个电阻阻值不相等, 电桥不平衡, 不等位电势不等于零。此时可根据A、 B两点电位的高低, 判断应在某一桥臂上并联一定的电阻, 使电桥达到平衡, 从而使不等位电势为零。

7-8 试分析霍尔元件输出接有负载RL 时, 利用恒压源和输入回路串联电阻RT 进行温度补偿的条件。
补偿电路如图(a)所示, 输入回路与输出回路的等效电路如图(b)、 (c)所示。设RL不随温度改变, 由于霍尔元件输出电阻Rout随温度变化, 输出霍尔电势UH也随温度变化, 使得负载电阻上的输出电压

与温度有关。
RL
RT

(a) 霍尔元件接有负载

(b) 输入回路等效电路 (c) 输出回路等效电路

温度为T0 时, 负载电阻上的输出电压为

设RT 的温度系数, 霍尔元件内阻温度系数为, 灵敏度温度系数为,

则温度升高后, 负载电阻上的电压为

要实现温度补偿, 应使, 即
消去二阶小量( 即含或的项) , 解得

为了获得最大的输出功率, 可使, 则

8-1 光电效应有哪几种? 相对应的光电器件各有哪些?
【答】
1、 光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。
2、 光电器件
( 1) 基于外光电效应的光电元件有光电管、 光电倍增管、 光电摄像管等。
( 2) 基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
( 3) 基于光生伏特效应的光电器件有光电池、 光敏二极管、 三极管。
8-2 试述光敏电阻、 光敏二极管、 光敏晶体管和光电池的工作原理, 在实际应用时各有什么特点?
【答】
1、 光敏电阻的工作原理
其工作原理是基于光电导效应, 其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也能够加交流电压。
无光照时, 光敏电阻值( 暗电阻) 很大, 电路中电流( 暗电流) 很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值( 亮电阻) 急剧减小, 电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好, 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级, 亮电阻值在几千欧以下。
2、 光敏二极管的工作原理
在无光照时, 处于反偏的光敏二极管工作在截止状态, 其反向电阻很大, 反向电流很小, 这种反向电流称为暗电流。
当有光照射到光敏二极管的PN结时, PN结附近受光子轰击, 吸收其能量而产生电子-空穴对, 它们在反向电压和内电场的作用下, 漂移越过PN结, 形成比无光照时大得多的反向电流, 该反向电流称为光电流, 此时, 光敏二极管的反向电阻下降。 若入射光的强度增强, 产生的电子-空穴对数量也随之增加, 光电流也响应增大, 即光电流与光照度成正比。
如果外电路接上负载, 便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的, 因此适合检测等方面的应用。
3、 光敏晶体管的工作原理
大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压。
当光照射在集电结时, 就会在结附近产生电子—空穴对, 光生电子被拉到集电极, 基区留下空穴, 使基极与发射极间的电压升高, 这样便会有大量的电子流向集电极, 形成输出电流, 且集电极电流为光电流的β倍, 因此光敏晶体管有放大作用。
4、 光电池的工作原理
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时, 如果光子能量足够大, 将在结区附近激发出电子-空穴对, 在N区聚积负电荷, P区聚积正电荷, 这样N区和P区之间出现电位差。
若将PN结两端用导线连起来, 电路中有电流流过, 电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开, 就可测出光生电动势。
8-3 光电耦合器件分为哪两类? 各有什么用途?
【答】
光电耦合器件分为两类: 一类是用于实现电隔离的光电耦合器( 又称光电耦合器) , 另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关( 又称光电断续器) 。
8-5 如何理解电荷耦合器件有”电子自扫描”作用?
【答】
面阵CCD包括x、 y两个方向用于摄取平面图像, 它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时, 其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。

8-6 光在光纤中是怎样传输的? 对光纤及入射光的入射角有什么要求?
【答】
1、 光在光纤内的全内反射进行传输的, 实际工作时需要光纤弯曲, 但只要满足全反射条件, 光线依然继续前进。可见这里的光线”转弯”实际上是由光的全反射所形成的。
2、 为满足光在光纤内的全内反射, 光入射到光纤端面的入射角θi应满足

一般光纤所处环境为空气, 则n0=1, 这样上式可表示为

8-7 光纤数值孔径NA的物理意义是什么? 对NA取值大小有什么意义?
【答】
1、 数值孔径是表征光纤集光本事的一个重要参数, 即反映光纤接收光量的多少。无论光源发射功率有多大, 只有入射角处于2θc的光椎角内, 光纤才能导光。如入射角过大, 光线便从包层逸出而产生漏光。
2、 光纤的NA越大, 表明它的集光能力越强, 一般希望有大的数值孔径, 这有利于提高耦合效率; 但数值孔径过大, 会造成光信号畸变。因此要适当选择数值孔径的数值, 如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。
8-8 当光纤的n1=1.46, n2=1.45, 如光纤外部介质的n0=1, 求光在光纤内产生全内反射时入射光的最大入射角的值?
【解】
根据光纤数值孔径NA的定义

入射临界角为

故, 得该种光纤最大入射角为9.80 , 即入射光线必须在与该光纤轴线夹角小于9.80 时才能传播。