图12-15半导体的禁带宽度 图12-16 半导体的光投射特性曲线
解答：由半导体物理知道，半导体的禁带宽度Eg随温度T增加近似线性地减小，如图12-22所示。因此半导体的本征吸收侧波长λg（λg=ch/Eg，式中c为光速，h为普朗克常数）随温度增加而向长波长方向移动。半导体的光透射特性如图12-23所示，图中T1 解答：在光纤多普勒血流速度传感器中，激光器产生频率为f0的光经分束器分成两束。其中被声光调制器（布拉格盒）调制成（f0-f1）的一束光射入探测器中；另一束频率f0为的光经光纤入射到血液中。由于血液里的红血球以速度v运动，根据光学多普勒效应，其反射光的频率为fs(fs=f0±Δf)。它与（f0-f1）的光在光电探测器中混频后形成（f1±Δf)的振荡信号，经频谱分析仪处理，可测量出Δf，带入式fs?f??1???v?es??c?中，即可得到血流速度v。信号光频率fs可能大于f0，也可能小于f0，取决于血流运动的方向。 12-10 简述偏振态调制光纤电流传感器的工作原理 解答：从普通物理学知道，当某些介质中传播的线偏振光受到沿光传播方向的磁场的作用时，线偏振光的偏振面会发生旋转，这一现象就是所谓磁光效应，通常称为法拉第旋转效应。偏振态调制型光纤传感器就是基于这一效应的具体应用。其中最典型的应用一例子是检测高压输电线电流的光纤电流传感器。偏振态调制型光纤电流传感器如图12-10所示，在高压输电线上绕有单模光纤。激光器发出的光束经起偏器变成线偏振光，通过显微物镜耦合进光纤。光纤中传播的线偏振光在高压输电线形成的磁场作用下，使偏 振面发生旋转。旋转的角度θ与磁场强度H及磁场中光纤的长度L成正比，即，??VHL 式中：V为菲尔德（Verdet）常数。载流长导线在离轴线距离为r处的空间磁场的磁场强度H，可以用安培环路定律计算得到H?I2? r 式中：I为载流导线通过的电流。 图12-10 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图 习 题 13-1 图像传感器的基本特点是什么？图像传感器有何用途？ 解答：（1）特点：光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、存储、传输、处理，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外光、x射线、红外光、微光和电子轰击等，广泛用于图像识别和传送，例如摄像系统、扫描仪、复印机、机器人的眼睛等。 （2）用途：固态图像传感器按其结构可分为3种：一种是电荷耦合器件（charge-Coupled Devices，简称 CCD）；第2种是MOS型图像传感器，又称自扫描光电二极管阵列（Self Scanned Phohodiode Array，简称SSPA）；第3种是电荷注入器件（charge Injection Device，简称CID）。目前前两者用得最多，CCD型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好；MOS型图像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单。 13-2 试介绍MOS光敏单元的工作原理 解答：CCD是按照一定规律排列的MOS电容器阵列组成的位移寄存器，CCD单元结构是MOS电容器。其中，金属为MOS结构的电极，称为“栅极”，半导体作为衬底电极，在两电极间有一层氧化物绝缘体，构成电容，但它具有一般电容没有的耦合电荷的能力。 13-3 CCD的电荷转移原理是什么？ 解答：设想在驱动脉冲的作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距为15μm~20μm。若两个相邻MOS光敏元所加的栅压分别为VG1 图13-3 电子转移示意图 13-4 简述CCD的工作原理。 解答：由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。 下面以图13-4的三相三位N沟CCD器件为例说明CCD的工作原理，其中，Ip（图中未画出）为输入电极，IG（图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，OP为输出极，Φ1、Φ2、Φ3为3个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为中，Φ1→Φ2→Φ3→Φ1，且3个脉冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。Φ1驱动1、4电极，Φ2驱动2、5电极，Φ3驱动3、6电极。 图13-4 三相三位N沟CCD器件的结构、驱动和转移示意图 t1时刻：Φ1=l，Φ2=Φ3=0；l、4势阱最深，2、5和3、6势阱为0。 t2时刻：Φ1=l/2，Φ2=1，Φ3=0；1、4势阱变为1/2，2、5势阱变为l，1、4势阱中的电子会向2、5势阱中移动。 t3时刻：Φ1=0，Φ2=2，Φ3=0；Φ1电极下的电子全部转移至Φ2电极下的2、5势阱中。 t4时刻：Φ1=0，Φ2=l／2，Φ3=1；Φ2电极下2、5势阱中的电子向Φ3电极下的3、6势阱中转移。 t5时刻：Φ1=0，Φ2=0，Φ3=1，Φ2电极下的电子全部转移至Φ3电极下的3、6势阱中。 如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷包直接输出。由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输 区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。 13-5 试对面阵CCD图像传感器进行分类，并介绍他们各自有何特点。 解答：1）、行传输。由行选址电路、感光区、输出寄存器组成。特点：有效光敏面积大、转移速度快、转移效率高。 2）、帧传输。由感光区、暂存器和输出寄存器三部分组成。特点：单元密度高、电极简单。 3）、行间传输。特点：感光单元面积小 ，密度高，图像清晰。但单元结构复杂。 13-6 CCD图像传感器有哪些主要性能参数？ 解答：调制传递函数；输出饱和特性；暗输出特性；灵敏度；光谱影响及背面照光；弥散；残像；等效噪声曝光量；动态范围；输出均匀特性。 13-7 为什么要求CCD器件的电荷转移效率要很高？ 解答：因为CCD中的每个电荷在传送过程中都有进行成百上千次的转移，因此要求转移效率必须达到99.99%~99.999%，以保证总转移效率在90%以上。CCD器件总效率太低时，就失去了实用价值，所以转移效率一定时，就限制了转移次数或器件的最长位数，故要求CCD器件的电荷转移效率要很高。 13-8 举例说明CCD图像传感器的应用。 解答：1）、计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。2）、光学信息处理：光学字符识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。 3）、生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。 4）、军事应用：导航、跟踪、侦查。 13-9 CMOS图像传感器的主要特点是什么？适用于什么场合？ 解答：CMOS技术可以将图像传感器阵列、驱动电路、信号处理电路、控制电路、模拟-数字转换器、改进的界面完全集成在一起，能够满足低成本、高性能、高集成度、灵巧的单芯片数字成像系统的应用需要。 习 题 14-1 什么是“大气窗口”？它对检测系统有什么意义？ 解答：红外线在通过大气层时有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术的应用特别重要，一般的红外探测仪都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 14-2 举例并说明红外传感器的工作原理。 解答：（1）热探测器。工作原理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 （2）光子探测器。工作原理：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象。 14-3 简述热成像仪的工作原理。 解答：红外摄像管是将被测物体辐射出的红外线，通过镜头接收，转换成电信号，经过电子信号处理系统放大处理后转成视频，在屏幕上显示出热像。热释电靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆以一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经光学系统成像在热释电靶上时，靶面吸收红外辐射，温度升高并释放出电荷。靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，而靶面各点的温度变化又与靶面的辐照度成正比。因此，靶面各点的热释电量与靶面的辐照度成正比。当电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，送视频放大器放大，再送到显像控制系统，在显像系统的屏幕上便可见到与物体红外辐射相对应的热像图。 14-4 简述焊接缺陷无损检测的工作原理。 解答：图14-4为两块焊接的金属板，其中图(a)焊接区无缺陷，图(b)焊接区有一气孔。若将一交流电压加在焊接区的两端，在焊口上会有交流电流通过，焊口将产生一定的热量，热量的大小正比于材料的电阻率和电流密度的平方。在没有缺陷的焊接区内，电流分布是均匀的，各处产生的热量大致相等，焊接区的表面温度分布是均匀的。而存在缺陷的焊接区，由于缺陷(气孔)的电阻很大，使这一区域损耗增加，温度升高。应用红外测温设备即可清楚地测量出热点，由此可断定热点下面存在着焊接缺陷。 图14-4 由于集肤效应和焊接缺陷所引起的表面电流密集情况 (a)无焊接缺陷；(b)有焊接缺陷 14-5 试说明光子传感器的分类及各自特点。 解答：按照光子传感器的工作原理，可将其分为内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。 14-6 红外无损检测和超声无损检测有何区别? 解答：（1）红外无损检测是20世纪60年代以后发展起来的实用技术。它是通过测量热流或热量来鉴定物质材料质量、探测内部缺陷的。与多种常用的检测技术，如超声波、X射线、磁化等相比，红外无损检测技术具有适用面广（可用于所有金属和非金属材料），速度快（每个则量周期一般只需数秒钟），观测面积大（根据被测对象，一次测量可覆盖面积近一平方米），测量结果用图象显示，直观易懂，无需接触试件等优点。 （2）超声波检测的优点：a.适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；b.穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；c.缺陷定位较准确；d.对面积型缺陷的检出率较高；e.灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；f.检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。 14-7 简述红外线气体分析仪的组成结构及工作原理 解答：组成：分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。 工作原理：红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段(吸收带)不同，图14-5给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，C02气体则在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26μm附近的吸收波段进行分析。 14-8 试采用热释电传感器，设计一款自动门开关电路 电路如图所示。它由热释电红外传感模块、延时控制网络、led/' target='_blank'>光电耦合及可控硅控制电路、语言发声电路、交流降压整流电路等组成。HN911D是一块热释电红外探测模块。 14-9 试用红外探测器设计一个自动防盗报警器电路 解答： K1K电源R1滤光片凸透镜R2VD1R3VT1RP1VD2声光报警VT2K2S 思考题与习题 4.1 什么叫金属导体应变电阻效应？电阻应变片的基本结构由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 答：金属的应变电阻效应，即金属导体材料在受到外界拉力或压力作用时，产生机械变形，机械变形导致导体材料的阻值变化，这种因形变而使其电阻值发生变化的现象称为金属的应变电阻效应。电阻应变片的基本结构由1敏感栅、2导线、3覆盖层和4基底四个部分组成。敏感栅是应变片内实现应变—电阻转换的传感元件。为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上，再在敏感栅上面粘贴一层纸质或胶质的覆盖层，起防潮、防蚀、防损等作用。导线即为敏感栅引出线，用以与外接测量电路连接。应变片使用时用粘结剂将基底粘贴到试件表面的被测部位，基底及其粘合层起着把试件应变传递给敏感栅的作用。为此基底必须很薄，而且还应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能。 4.2什么是金属电阻应变片的灵敏度系数？它与金属电阻丝的灵敏度系数有何不同？为什么？ 答：金属电阻应变片的灵敏系数k是指应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。而应变电阻材料金属电阻丝的应变灵敏系数k0是指应变电阻材料金属丝的阻值相对变化与应变电阻材料金属丝的的应变之比。实验表明：k小于k0。其原因是：①由于基片粘合层传递应变有损失。②存在横向效应的缘故。 4.3 电阻应变片的灵敏度定义为：K= △R/ Rε，其中△R为受到应变ε作用后应变片电阻的变化，R为应变片初始电阻。一个初始电阻为120Ω的应变片，灵敏度为K=2.0，如果将该应变片用总阻值为12Ω的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度。 答：由应变片灵敏度的定义可知应变的表达式为：???R/RK??RKR。当用导线将应变片连接到测量系统 的前后，由于应变片的应变量相同，故用导线连接后应变片的灵敏度变为： K???R/R???R/R??R/(KR)?KRR??2?120120?12?1.82。 ?4.4 金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？ 答：金属电阻应变片的工作原理是基于导体材料的“电阻应变效应”，半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应”。和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有灵敏度系数大，横向效应小，机械滞后小，尺寸小等优点，但是，半导体应变片多数用薄硅片制成，容易断裂，其测试时的可测应变范围通常限制在3000με左右，而金属电阻应变片的可测应变值达40000με。另外，半导体应变片的温度稳定性差，