传感器与检测技术（一）

1 简述传感器的定义、组成及各部分的作用

定义：

• 一种以一定的准确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理或化学量的检测装置，能完成检测任务。
  组成：敏感元件、转换元间、转换电路

作用：

• 直接感受被测量，并输出与被测量确定关系的某一物理量的元件
  以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数
  将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出

2 简述传感器常见的分类方法并列举种类

⽬前常⽤的分类有两种：

• 以被测量来分，如温度传感器、压⼒传感器、光学传感器等
• 以传感器原理来分，如电阻式、电感式和电容式传感器等

3 传感器的静态特性有哪些？分别代表什么意义？

线性度（Linearity）:

• 传感器的输出量和输⼊量之间数量关系的线性程度

灵敏度（Sensitivity）:

• 输出量增量与相应输⼊量增量的⽐值。

分辨⼒（Resolution）:

• 能引起输出发⽣变化时，输⼊量的最⼩变化量

精度（Accuracy）:

• 表示观测值与多次测量平均值或真值的接近程度

线性范围 （量程或者动态响应范围：Dynamic Range）等。

4 传感器的动态特性有哪些？分别代表什么意义？

噪声：

• 与信号源有关的随机或多余的⼲扰信息

信噪⽐：

• 输出信号功率与噪声功率的⽐，常⽤分⻉dB为单位表示

瞬态响应：

• 即时间响应，是指传感器在某⼀典型信号输⼊作⽤下，其输出量从初始状态到稳 定状态的变化过程。瞬态好的器件应当是信号以来就⽴即响应，信号⼀听就戛然⽽⽌。

频率响应特性：

• 频率响应一般考察工作频带宽度，指对数幅频特性曲线上衰减3dB的频带宽度

5 简述传感器的噪声分类及其来源

散粒噪声（泊松噪声）

来源：

• 当测量中数量有限的携带能量的粒⼦（如电⼦或光⼦）数量少到能引起读取数据中出现可观测到的统计涨落，这样的统计涨落的结果即散粒噪声，是由于电子发射不均匀所引起的，或是由形成电流的载流子的分散性所造成的噪声，该噪声与频率无关

热噪声（约翰逊噪声）

来源：

• 由于电⼦的布朗运动⽽引起的噪声

闪烁噪声（粉红噪声）

• 存在于低频的电子噪声

读出噪声

• 是读出电路链路上的热噪声、闪烁噪声和散粒噪声的总和

6 简述传感器的频率响应的定义

• 一般的频率响应分为幅频响应和相频响应，此处传感器的频率响应指的是幅频响应，幅频响应是指信号幅度增益的增减同信号频率的关系，相应的还有工作带宽，指的是对数幅频特性曲线上衰减3dB的频带宽度

7 简述光电传感器的定义及其组成

定义：

• 是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件

组成：

• 光源、光通路、光电元件、测量电路

8 简述发光二极管的工作原理及其特点

工作原理：

• 在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着光子形式放出能量，因而有发光现象

特点：

• 由半导体PN结构成，工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，其伏安特性与普通二极管相似

9 简述光电效应的定义和分类，并列举对应的光电器件

定义：

• 物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应

分类：

• 外光电效应和内光电效应，内广电效应又分为光电导效应和光生伏特效应，光生伏特效应又分为势垒效应和侧向光电效应

外光电效应器件：

• 光电管、光电倍增管

光电导效应器件：

• 光敏电阻

光生伏特效应器件：

• 光电池、光敏二极管、三极管

侧向光电效应器件：

• 半导体光电位置敏感器件

10 简述内光电效应的定义和分类

定义：

• 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化或产生光生电动势的现象

分类：

• 分为光电导效应和光生伏特效应，光生伏特效应又分为势垒效应和侧向光电效应

11 简述光电器件的主要性能及其定义

伏安特性：

• 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系

光照特性：

• 当光电器件的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系

光谱特性：

• 保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系

响应时间：

• 未知

峰值探测率：

• 未知

温度特性：

• 光电器件其性能受温度的影响程度

12 光敏电阻、光敏二极管和光电池这三个光电器件在工作时分别如何加偏压（正电压还是负电压）？分别阐述这三种期间的光电感应过程。

• 光敏电阻无极性，纯粹是个电阻器件

光电感应过程：当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大，从而使电阻变小

• 光敏二极管一般在电路中处于反向工作状态，故加负电压

光电感应过程：受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，就形成了光电流。

• 光电池不加偏压，在电池上加偏压会改变PN结之间的电场分布，若偏压过大，则会击穿PN结

光电感应过程：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