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当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，就将在结区附近激发出电子一空穴对。在 PN结电场的作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区，结果，在N区就聚积了负电荷，P区聚积了正电荷，这样，N区和P区之间就出现了电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可以测出光生电动势。

349、何谓光电池的开路电压及短路电流?为什么作为检测元件时要采用短路电流输出形式?

349答：光电池的开路电压是指外电路开路时，光电池两端的电压；光电池的短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。 由于光电池的开路电压与照度成非线性关系，而光电池的短路电流与照度成线性关系，且受光面积越大，短路电流也越大。所以当光电池作为测量元件时应取短路电流的形式。

350、CCD的电荷转移原理是什么?

350答：如图所示。CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转

移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要 350图：相邻MOS光敏元电荷转移原理 求严格满足相位要求。

351、什么是霍尔效应?为什么说只有半导体材料才适于制造霍尔片?

351答：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。 霍尔电动势：

霍尔电动势与霍尔电场EH、载流导体或半导体的宽度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度u、磁场感应强度B、电流I有关。

霍尔传感器的灵敏度KH =KH?RdH??1。为了提高霍尔传感器的灵敏度，ned霍尔元件常制成薄片形。又因为霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低的材料作霍尔元件。

352、试说明相位调制传感器的工作原理、应用及特点。

352答：其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。通常有：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的

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电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用Sagnac效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。这类传感器的灵敏度很高，但由于需用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

353、试分别说明右下图的四种光纤强度调制式传感器的工作原理。

353答：略。

题353图 光强小位移调

354、试说明强度调制型光纤传感器的工作原理、应用及特点。

354答：这是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射、吸收或反射等参数的变化，而导致光 强度变化来实现敏感测量的传感器。常见的有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性:振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。这类光纤传感器的优点是结构简单、容易实现、成本低。其缺点是受光源强度的波动和连接器损耗变化等的影响较大。

355、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?

355答：光在同一种介质中是直线传播的，当光线以不同的角度入射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤后，又入射到折射率较大的光密介质(纤芯) 与折射率较小的光疏介质(包层)的交界面，光线在该处有一部分投射到光疏介质，一部分反射回光密介质。对光纤的要求是包层和纤芯的折射率不同，且纤芯的折射率大于包层的折射率。对入射角的要求是入射角小于临界角。

356、简述光纤传感器的组成和工作原理。

356答：光导纤维是利用光的全反射现象进行导光的。 光纤的数值孔径：

22 NA?sin　=??i0n1n2

θio一一临界角 n1一一纤芯折射率 n2一一包层折射率

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数值孔径是光纤的一个重要参数，它能反映光纤的集光能力，光纤的NA越大，表明它可以在较大数值孔径是光纤的一个重要参数，它能反映光纤的集光能力，光纤的NA越大，表明它可以在较大入射角范围内输入全反射光，集光能力就越强，光纤与光源的藕合越容易，且保证实现全反射向前传播。但NA越大，光信号的畸变也越大，所以要适当选择NA的大小。

357、试说明遮光式光纤温度计的工作原理。

357答：当温度升高时，水银柱上升，到某一设定温度时，水银柱将两根光纤间的光路遮断，从而使输出光强产生一个跳变。这种光纤开关温度计可用于对设定温度的控制，

357题图 水银柱式光纤温度开关 温度设定值灵活可变。

1一浸液2一自聚焦透镜

3-光纤4一水银

358、试说明图示的双金属热变形的遮光式光纤温度的工作原理及特点。

358答：当温度升高时，双金属的变形量增大，带动遮光板在垂直方向= 生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量10－50°C的温度。检测精度约为0.5°C。它的缺点是输出受光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。

359试说明偏振调制光纤传感器的工作原理、应用及特点。 359答：这是一种利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。常见的有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。

358题图热双金属式光纤温度开关

1一遮光板2一双金属片

360、试说明频率调制光纤传感器的工作原理、应用。

360答：这是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。

四、计算题

361、一台精度等级为0.5级、量程范围600~1200℃的温度传感器，它最大允许

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绝对误差是多少？检验时某点最大绝对误差是4℃，问此表是否合格？

361解：根据精度定义表达式A=△A/ YF.S×100%，并由题意已知：A=0.5%，

YF.S=（1200—600）℃，得最大允许绝对误差

.

△ A=AYF.S=0.5%×（1200—600）=3℃

此温度传感器最大允许绝对误差为3℃。检验某点的最大绝对误差为4℃，大于3℃，故此传感器不合格。

362、已知电感压力传感器最县检测量为0.5mmH2O，测量范围0~250 mmH2O，输出电压为0~500mV，噪声系数C=2；另一个电容压力传感器最小检测量为0.5 mmH2O，测量范围为0~100 mmH2O，输出电压为0~300 mV，噪声系数C=2。问：哪个传感器噪声电平大？大多少？ 362解：根据传感器灵敏度计算式K=△Y/△X，得 电感压力传感器 K1=（500－0）/（250－0）=2Mv/mmH2O 电容药理传感器 K2=（300－0）/（100－0）=3Mv/mmH2O

由最小检测量计算式M=CN/K，得噪声电平N=KM/C，分别计算结果如下：

K1M12?0.5??0.5mvC2KM2?0.5电容压力传感器 N1?11??0.5mvC2电感压力传感 N1?

?N?N2?N1?0.25mv 。答：电感压力传感器噪声电平大，

dQ0+2Q0=2×10-3 Qi ，式中为水银柱dt高度（m）；Qi 为被测温度（℃）。试确定该温度计的时间常数和静态灵敏度系数。

363、某玻璃水银温度计微分方程式为4

dY?a0Y?b0X，此dt式与已知微分方程比较可知时间常数与静态灵敏度系数，即：

363解：该温度计为一阶传感器，其微分方程基本形式为a1 ?=K?a14??2sa02b02?10?a02?3

?10?3mC

364、某压电式加速器计动态特性可用下述微分方程描述；

?2q3dq?3.0?10?2.25?1010q?11.0?1010a，式中q为输出电荷量（PC）；a为输2?tdt入加速度（m/s2 ）.

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试确定该加速度计的静态灵敏度系数K值；测量系统的固有振荡频率ω0 及阻尼比数?。

364解：该加速度计为二阶传感器，其微分方程基本形式为：

?2YdYa22?a1?a0Y?b0X?tdt

此式与已知微分方程式比较可得：静态灵敏度系数K=

b0=11.0×1010 /2.25×1010 =4.89pC/（m/s2 ）a0

固有振荡频率W0 =

?0??aa022.25*105??1.5?10rad/s1?0.0110

阻尼比?=a13.0?10322.25?10?1102a0a2

365、已知某一阶传感器的传递函数ω（p）=1/（?p+1），?=0.001s 。求该传感器输入信号工作频率范围。

365解：由题目可知该一阶传感器的频率传递函数ω（jω）=1/（1+jω?）,幅频

特性B/A=|ω(jω)|=1/1+(j? )2 。曲线如图所示。由图可知当B/A B/A>0.707时1 输出信号失真较小，测量 结果比较精确，故取此范围为工作段。则

0.707 又ωτ=1，即ω=1/τ=2*f故

计算题365题图 所以输入信号工作范围0~159Hz。

366、已知某温度计测量范围0~200℃。检测测试其最大误差△Ymax=4℃，求其满度相的误差，并根据精度等级标准判断精度等级。 366解：YFS=200－0=200 由A=ΔA/YFS＊100％有 A＝4/200＊100％＝2％。 精度特级为2.5级。

367、检定一台1.5级刻度0~100Pa压力传感器，现发现50Pa处误差最大为1.4Pa，问这台压力传感器是否合格？

367解：根据精度定义表达式：A＝ΔA/AyFS*100%,由题意可知：A＝1.5％，YFS

B

0.1

1 2 ωτ 60