内容发布更新时间 : 2024/12/23 8:10:07星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第八章 生物传感器

1．生物传感器的工作原理是什么？

解答：生物传感器是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜而形成的，其工作原理如图8-1所示（教材P170）。图中生物功能膜上(或膜中)附着有生物传感器的敏感物质，被测量溶液中待测定的物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别或发生生物学反应，其所产生的信息可通过相应的化学或物理原理转变成可定量和可显示的电信号，通过电信号的分析就可知道被测物质的成分或浓度。 2．举例说明酶传感器的应用。

解答：利用酶传感器可以测定各种糖、氨基酸、酯质和无机离子等，在医疗、食品、发酵工业和环境分析等领域获得多方面的应用。例如：酶传感器可以用于水质监测，酚是一类对人体有害的化合物，经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河流和湖泊中。根据测定水中酚含量的需要，科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器，这种酶传感器可快速测定出水中质量分数仅有2?10的酚。 3．微生物传感器分为哪几种？各有何特点？

解答：微生物的生存特性对氧气有好气性与厌气性之分，其传感器分为好气性微生物传感器和厌气性微生物传感器两大类。

特点:

好气性微生物传感器:好气性微生物生存在含氧条件下，生长过程离不开氧，它吸入氧气而放出二氧化碳，这种微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳电极来测定。

厌气性微生物传感器:厌气性微生物的生长会受到存在氧的妨碍，可由其生成的二氧化碳或代谢产物量来测定其生理状态。当测定微生物的代谢生成物时，可用离子选择电极来测定。 4．葡萄糖传感器的工作原理是什么？

解答：葡萄糖传感器是以葡萄糖氧化酶(GOD)为生物催化剂，氧电极为电化学测量装置，通过测定酶作用后氧含量的变化实现对糖的量的测量，反应方程为：

?7C6H12O6?O2葡萄糖氧化酶?C6H10O6?H2O2 (8-2)

式(8-2)表明可以通过测量氧的消耗量、或H2O2的生成量、或由葡萄糖酸引起的P H值的变化来测量葡萄糖的浓度。

5．举例说明葡萄糖传感器的应用。

解答：糖尿病的诊断。测量血糖、尿糖等。

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第九章 化学物质传感器

1．气敏传感器可以分为哪几种类型？半导体气敏元件是如何分类的？

解答：根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式和其他类型。

半导体气敏传感器又可分为电阻型和非电阻型。 2．简述N型半导体气敏元件的原理。

解答：通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。导电机理用一句话描述：半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。

3．Pd-MOSFET的工作原理是什么？

解答：由于金属钯（Pd）对氢气特别敏感。当Pd吸附氢气以后，使Pd的功函数下降，且所吸附气体的浓度不同，功函数变化量也不同，这将引起MOS管的C—U特性向左平移（向负方向偏移），由此可测定氢气的浓度。

4．什么是绝对湿度和相对湿度？

解答：绝对湿度就是在一定温度和压力条件下，单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就 是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示；

相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（Pw）和同温度下饱和水蒸气的分压（PN）的百分比。 5．氯化锂和陶瓷湿敏电阻各有何特点?

解答：氯化锂湿敏电阻是利用物质吸收水分子而使导电率变化来检测湿度。在氯化锂溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导电能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升，溶液吸收水分子使浓度下降，电阻率ρ上升，反之RH下降，电阻率ρ下降。通过测量溶液电阻值R实现对湿度的测量。

半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属氧化物半导体在高温1300℃下烧结成多孔陶瓷，半导体陶瓷湿敏电阻分为两种，有一种材料的电阻率随湿度增加而下降，称为负特性半导体陶瓷湿敏电阻。还有一种材料的电阻率随着湿度的增加而增大，称为正特性半导体陶瓷湿敏电阻。

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不论是N型还是P型半导体陶瓷，其电阻率都可随湿度的增加而下降。 6．简述高分子电阻式湿度传感器的工作原理。

解答：高分子电阻式湿度传感器使用高分子固体电解质材料制作感湿膜，由于膜中的可动离子而产生导电性，随着湿度的增加，其电离作用增强，使可动离子的浓度增大，电极间的电阻值减小。反之，电阻值增大。因此，湿度传感器对水分子的吸附和释放情况，可通过电极间电阻值的变化检测出来，从而得到相应的湿度值。

7．利用所学知识设计一个测量湿度的电路。

解答：参考教材P191湿度传感器的应用。

第十章 机器人传感器

1. 机器人主要有哪些种类？

解答：机器人按照用途分类:

（1）工业机器人 用于焊接、喷漆、组装、搬运、密封等行业。 （2）医疗福利机器人 用于护理、帮助病人和残疾人。 （3）教育和电子游戏机器人 用于教育、研究、电子游戏等。

（4）特殊工作机器人 用于擦窗、建筑、宇宙开发、原子能发电站的维修、检修等。 （5）其它机器人 用于办公和家庭服务。

机器人按输入信息分类:（1)手控机器人 、（2）固定顺序机器人 、（3）可变顺序机器人、 （4）再现式机器人、（5）数字控制机器人 、（6）智能机器人

按照动作形态可以将机器人分：（1）直角坐标机器人（2）圆柱坐标机器人（3）极坐标机器人（4）多关节机器人 。

2. 机器人传感器的工作原理是什么？主要用途是什么？

解答：机器人传感器就是机器人所用的传感器。机器人传感器可以定义为一种能将机器人目标物特性（或参量）变换为电量输出的装置。机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。被称为机器人的“电五官”。

机器人传感器一般可分为机器人外部传感器（感觉传感器）和内部传感器两大类。内部传感器的功能是用来测量运动学及动力学参数，以使机器人按规定的位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进行工作。机器人外部传感器的功能是识别工作环境，为机器人提供信息，检查、控制、操作对象物体、应付环境变化和修改程序。

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第十一章 传感器输出信号的处理技术

1. 传感器输出信号有哪些特点？

解答：①传感器输出的信号类型有电压、电流、电阻、电容、电感、频率等，通常是动态的。 ②输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为μV—mV级，电流信号为nA—mA级。

③传感器内部存在噪声，输出信号会与噪声信号混合在一起，当噪声比较大而输出信号又比较弱时，常会使有用信号淹没在噪声之中。

④传感器的输出信号动态范围很宽。输出信号随着物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系，例如，热敏电阻值随温度变化按指数函数变化。输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。

⑤传感器的输出信号受外界环境（如温度、电场）的干扰。

⑥传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大信号衰减。 2. 传感器测量电路的主要作用是什么？

解答：传感器测量电路主要作用是具有一定信号预处理的功能。经预处理后的信号，应成为可供测量、控制、使用及便于向微型计算机输出的信号形式，从而提高测量系统的测量精度和线性度。 3. 传感器测量电路有哪些类型，其主要功能是什么？

解答：传感器测量电路的类型及主要功能如下表所示：

接口电路 阻抗变换电路 放大变换电路 电流电压转换电路 电桥电路 频率电压转换电路 电荷放大器 有效值转换电路 滤波电路 线性化电路 对数压缩电路 对信号的预处理功能 在传感器输出为高阻抗的情况下，换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器将微弱的传感器输出信号放大 将传感器的电流输出转换成电压 把传感器的电阻、电容、电感变化为电流或电压 把传感器输出的频率信号转换为电流或电压 将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压 在传感器为交流输出的情况下，转为有效值，变为直流输出 通过低通及带通等滤波器滤去噪声成分 在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正 当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩

4. 为什么要对传感器测量电路采取抗干扰措施？

解答：在传感器电路的信号传递中，所出现的与被测量无关的随机信号被称为噪声。在信号提取与传递中，噪声信号常叠加在有用信号上，使有用信号发生畸变而造成测量误差，严重时甚至会将有用信号淹

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