金属或半导体薄片置于磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势。基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4×2×0.1mm3)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。
霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。
霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。
温度补偿方法有分流电阻法和电桥补偿法
2.什么是磁阻效应？什么叫磁敏传感器？
当一载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻值会随磁场而变化，这种现象称为磁阻效应，磁阻效应与材料性质、几何形状有关。利用磁阻效应制成的磁敏元件称为磁敏电阻或磁敏传感器。常见的磁敏电阻有单晶型、薄膜型和共晶型三种，常用的磁敏元件有磁敏二极管和磁敏三极管。
3.什么是气敏传感器？有哪些类型？
气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。主要类型如表5-1所示。
表5-1 气敏传感器类型
敏感气体种类的气敏传感器 气敏传感器 敏感气体量的真空度气敏传感器 检测气体成分的气体成分传感器 半导体气敏传感器 固体电解质气敏传感器 高频成分传感器 光学成分传感器 5.1.5固态图像传感器
1.试述固态图像传感器（CCD）的基本结构。
CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极,SiO2为介质。在N型或P型硅衬底上生成一层厚度约120nm的二氧化硅层，然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极，形成MOS电容器阵列，最后加上输入和输出端便构成了CCD器件。
2.试述固态图像传感器（CCD）的工作原理。
CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即电荷的产生、存储和转移。首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多象素点，
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这些象素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。
3.固态图像传感器（CCD）的电荷是如何产生、存储、转移及输出的？
（1）电荷的产生、存储：构成CCD的基本单元是MOS电容器，结构中半导体以P型硅为例，金属电极和硅衬底是电容器两极，SiO2为介质。在金属电极（栅极）上加正向电压G时，由此形成的电场穿过SiO2薄层，吸引硅中的电子在Si―SiO2的界面上，而排斥Si－SiO2界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时，Si－SiO2界面处的电势（称表面势S）发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面势S的正值方向朝下，当金属电极上所加的电压G超过MOS晶体上开启电压时，Si－SiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低，可以形象地说，半导体表面形成了电子势阱，习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子—空穴对。这时在栅极电压G的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。如果G持续时间不长，则在各个MOS电容器的势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此，某MOS电容器势阱中蓄积的电荷量，可作为该点光强的度量。
（2）电荷包的转移：若MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm），使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G，就可改变它们对应的MOS的表面势S，亦即可改变势阱的深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。
（3）电荷的输出：在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。
4.固态图像传感器有何特点？有哪些应用？
固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命高和以光为媒介可以到达危险地点等优点，以得到广泛的应用，其主要用途为：
（1）物位、尺寸、形状、工件损伤的测量。
（2）作为光学信息处理的输入环节，如电视摄像、传真技术、光学文字识别和图像识别技术中的输入环节。
（3）自动生产过程的控制敏感元件。 5.1.6光纤传感器
1.试述光纤的结构和类型，并说明光纤传感器的工作原理及类型。
光纤的结构由纤芯和包层组成，纤芯位于光纤的中心部位，它是由玻璃或塑料制成的圆柱体，直径约为5～100微米，光主要在这纤芯中传输。
光纤按纤层和包层材料性质分类，有玻璃及塑料光纤两大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。
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光纤传感器的工作原理是将光源的光经光导纤维进入调制区，在调制区内，被测参数与进入调制区的光相互作用，使光电强度、频率、相位、偏振四个参数之一随被测参数的变化而变化成为被调制的信号光，在经光纤进入探测器，经解调处理后获得被测参数。
光纤传感器按其传感原理分为传光型（非功能型）光纤传感器和传感器型（功能型）光纤传感器。
2.光纤传感器有哪些特点？有何应用？
光纤传感器具有的优点为：
（1）采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成某些参量的测量。
（2）光波传输无电能和电火花，因而能在易燃易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。 （3）重量轻、体积小、可扰性好，可用于狭窄空间使用。
（4）具有良好的几何形状适应性，可做成任意形状的传感器和传感器陈列。 （5）动态范围大，频带宽，对被测对象不产生影响，有利于提高测量精度。 （6）利用现有的光通讯技术，易于实现远距离测控。 光纤传感器具有的缺点为： （1）缺少兼容执行机构。
（2）需要把光纤传感器输出的光信号转变成点信号。 （3）现场链接困难、技术复杂、成本高。 （4）尚未形成产品系列，标准化程度差。
光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度、湿度、声场、流量、浓度、pH值等七十多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。典型应用为传光型光纤位移传感器、相位调制光纤温度传感器、记数装置、液位控制装置、反射型光纤传感器、受抑全内反射型传感器、棱镜式全内反射型传感器等。 5.1.7其它类型传感器
1.什么是智能传感器？它由哪几部分组成？它的工作原理是什么？智能传感器有哪些类型？有何特点？
智能传感器是种带微处理机兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器，它主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成。其工作原理为：被测量?传感器?信号调理电路?微处理器?输出接口?数字量输出。
智能传感器按结构可分为集成式、混合式和模块式三种。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上而构成的；混合式智能传感器是将传感器与微处理器、信号处理电路做在不同芯片上而构成的；模块式智能传感器有许多相互独立的模块组成。智能传感器具有以下特点：
（1）具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。
（2）有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿，提高了测量精度。
（3）组态功能可实现多传感器、多参数复合测量，扩大了检测和使用范围。 （4）存储功能使检测数据随时存取。
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（5）具有数据通信接口，能与计算机直接联机，相互交换信息。 （6）具有自适应性。
2.什么是数字式传感器？有何特点？有哪些类型？
数字式传感器是一种能把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统连接。与模拟式传感器相比，数字式传感器具有如下的特点：①测量精度和分辨率高；②抗干扰能力强，稳定性好；③易于和计算机接口，便于信号处理和实现自动化测量；④适宜于远距离传输等。
按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器，如栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器等；编码输出式数字传感器，如绝对编码器等；频率输出式数字传感器。
5．2 例题解析
【例5.1】有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数?和静态灵敏度S。(1)30电压（V），T为输入温度（C）；（2）1.4?dy?3y?1.5?10?5T，y为输出dtdy?4.2y?9.6x，y为输出电压(?V),xdt为输入压力（Pa）。 解：根据题中给出传感器的微分方程可得： （1）??30/3?10(s),S?1.5?10?5/3?5?10?6(V/?C) (s),S?9.6/4.2?2.29(?V/Pa) （2）??1.4/4.2?0.333【例5.2】有一拉力传感器，用钢柱作为敏感元件，其上贴一电阻应变片。已知钢柱的截211面积A?1cm，弹性模量E?2.0?10Pa，应变片的灵敏系数S?2。若测量电路对应
变片电阻相对变化量dR/R的分辨力为10，试计算该传感器能测出的最小拉力Fmin
解：应变片的灵敏系数为：S??7dR/R?，则??由此得应变片对钢柱应变的分辨力为：?min拉力F、应力?和应变?间的关系为
dR/R S(dR/R)min10?7???5?10?8
S2F????E A所以该传感器对你能测出的最小拉力为：
Fmin??minEA?5?10?8?2.0?10?11?10?4?1.0N 【例5.3】一应变片的电阻R0?120?，S?2.05，用作应变为800?m/m的传感元件。求?R与?RR，若电源电压Ui?3V，求其惠更斯测量电桥的非平衡输出电压U0。
?RR得?RR?S??2.05?800?1.64?10?3 解：由S??106U?R3??1.64?10?3?1.23?10?3V?1.23mV 则其输出电压4为U0?i?4R4
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