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第1章绪论1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？国家标准（GB7665-87）传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？共有10种分类形式。根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器；根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。3.举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。结构型：利用物理学中场的定律构成的，特点是其工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。其基本特征是以其结构的部分变化或变化后引起场的变化来反映被测量（力、位移等）的变化。如电容传感器利用静电场定律研制的结构型传感器。物性型：利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管利用了外光电效应，压敏传感器是利用半导体的压阻效应。6.什么是信息？信息的基本特征是什么？ “信息是物质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。”普遍性；客观性；依附性；时效性（动态性）；可识别；可转换；可传输；可存储；可共享性、永不枯竭性。7.什么是信息技术？什么是3C技术？信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术，是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术，是用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。 “3C”技术Collection Communication Computer)，指信息的收集、通信和计算机技术。第2章 传感器的理论基础3.举例说明传感器与守恒定律、场的定律、统计法则和物质定律的关系。利用守恒定律构成的传感器，如利用差压原理进行流量测量的传感器，其基本原理是以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础的；利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定，与使用材料无关，如利用静电场的有关定律制成电容传感器，利用电磁感应定律可以构成磁电感应式传感器；以差压变压器为例，使用坡莫合金或铁氧体做铁芯，都是作为差压变压器工作。利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传感器。这些传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理常数或化学、生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关，利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿阻和霍尔等效应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度和磁场等传感器，利用压电材料所具有的压电效应可制成压电式、声表面波和超声波等传感器，利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。统计物理学认为：所有宏观上可观测的物理量都是相应微观量的统计平均值，许多看似杂乱无章的微观运动表现出统计规律性。利用热噪声的热力学温度的关系可以构成热噪声型热敏电阻。目前成功利用构成传感器的法则是奈奎斯特定理，利用热噪声与绝对温度的关系可以构成热噪声型热敏电阻。由于绝对温度与热噪声电压之间有确定的关系，因此它可作为彼岸准温度计用来直接测量绝对温度而不需要校准4.什么是热平衡型的一次效应和二次效应？写出热平衡现象中的麦克斯韦关系式，举例说明它们在传感器中的应用。不同种类能量所对应的强度型状态量与容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效应称为热平衡一次效应，一次效应是可逆的；同一种类能量的示强变量与示容变量微分之比，或同一种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接构成传感器的，这些比例系数虽然不能在传感器中直接而将被测量转换成电信号输出，但可以利用其中的状态量与其他状态量之间的关系制成各种传感器，这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。一次效应的例子有压电效应，压磁效应；二次效应利用弹性元件受力产生变形，其应变与应变片电阻值的关系可制成电阻应变式力(压力)传感器。光电比色高温计。5.什么叫传输现象？什么叫传输现象的一次效应？举明传输现象一次效应在传感器中的应用。当系统中存在有强度量的差或梯度时，相应的广延量就随时间而变化，即广延量的流动，这种现象称为传输现象。把这种不同种类的亲和力和流之间的效应称为一次效应。塞贝克效应是因温度差而产生电流，珀耳帖效应由电位差产生电流。7.什么是传感器的敏感材料？ 传感器的敏感材料用来制作敏感元件的基本材料，是对电、光、声、力、热、磁、气体分布、酶等物理、化学、生物待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。8.按材料成分进行分类，敏感材料可以分为哪几种？ 按材料成分：金属材料、无机和有机。第3章 传感器构成论1.传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？ 传感器通常由敏感元件和转换元件、转换电路组成。1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。3、转换电路：将电路参数量（如电阻、电容、电感）转换成便 于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。2.从传感器的结构形式来划分，可将传感器按其构成方法分为哪几类？各类型的特点是什么？并画出各类型的结构简图。（必考）根据结构组成可将传感器按其构成方法分为以下几类：1.通用型、2.参比型、3.差动型、4.反馈型。每一类型，根据能量变换，一般都可分为：能量变换型，能量控制型。1. 通用型：根据组成可分为：(1)能量变换基本型、(2)能量控制基本型、(3)能量变换特殊型（辅助能源型）、(4)电路参数型和(5)多级变换型。（1）能量变换基本型特点：1.只由敏感元件构成。2.不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象获得，输出能量较弱。(3)利用热平衡现象或传输现象中的一次效应制成是可逆的。(4)对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。(5)输出能量不可能大于被测对象的能量。（2）能量控制基本型特点：（1）也由敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量输出。（2）输出能量可大于被测对象具有的能量。（3）无需变换电路即可有较大的电量输出。（3）能量变换特殊型（辅助能源型）特点：1.只由敏感元件构成。2.能量从被测对象获得，属能量变换型。3.辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳定性，或取出信号，或为原理所需要而使用固定磁场。（4）电路参数型特点：(1) 敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。(2) 转换电路含有该敏感元件。(3) 电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。(4) 输出能量远大于输入能量。(5) 利用传输现象中的二次效应属于此类传感器。（5）多级变换型特点：设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各种条件的传感器。2.参比补偿型特点：(1) 采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补偿用。(2) 两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。(3) 能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度变化、电源电压波动）。3.差动结构型特点：(1) 采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。(2) 反串或接入电桥相邻的两臂。(3) 输出信号提高一倍。(4) 传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。4.反馈型特点：(1) 传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件。(2) 是闭环系统、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。(3) 主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度传感器、热线热反馈型流速传感器等。(4) 结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）。3.传感器与被测对象之间有哪些关联形式？（表格）与固体对象的关联为：接触型和非接触型；与流体对象的关联是安装在盛有流体的容器里或有流体流动的管道中。4.传感器的输出数学模型是什么？简述传感器对信号的选择方式。（参比差动：三个指标的定义；改善非线性：互换性，可靠性，电磁兼容性）设输入变量x1,x2,xn,传感器内部变量u1,u2,ur,输出变量y1,y2ym,则传感器的一般数学模型表达式为： yi=fi(x1,x2,xn, u1,u2,ur)其中i=1,2,m 如果被测信号为x1,与之对应的输出为y1，则 y1=f1(x1,x2,xn, u1,u2,ur) 为了得到x1与y1一一对应，则必须使除x1以外的变量（称干扰量）固定或即使有变化，对x1也不产生影响或影响很小可忽略。选择方式：1. 固定方式：把被测量以外的的其他变量固定，或用控制方法使其为定值。2. 补偿方式（参比）：利用被测量和干扰量共同作用的第一函数量和只有干扰量作用的第二函数量之差（干扰量作用效果与被测量相加时）或之比（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影响的一种方式。3. 差动方式： 被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化，然后取差，就能将被测量选择出来。使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一被测量，而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。 4. 频率域及时间域的选择：利用被测量信号与干扰信号的频率范围不同进行信号选择，对于频率域干扰，通过滤波加以排除，对于时域干扰，用时间窗加以消除。5.什么是示容变量和示强变量？1.与分割方法无关，其性质由其量的大小来决定的状态量，称为强度型状态量，简称示强变量。如温度、压力、电场强度、磁场强度。2.具有与系统的大小（体积、面积等）成正比性质的状态量，称为容量型状态量，简称示容变量，又叫容量量或广延量。如能量、熵、位移等6. 传感器的互换性 传感器的互换性是指一个传感器可以完全代替另一个传感器，而它的机械尺寸、各项性能指标不需重新校准就可满足使用要求，更换后的误差不会超过原来的范围；即传感器的功能、尺寸具有完全的互换能力。7. 可靠性 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力8. 电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）：设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。第4章传感器的应用基础1.传感器与测量系统有什么关系？（三个部分）传感器是测量系统的第一级，主要功能是检测和敏感被测量，它输入被测量，输出大多为电学模拟量。2.什么叫测量？什么叫计量？它们之间有什么异同？测量是将被测量同已知量相比较，以确定被测量与选定单位的比值。这个比值同测量单位结合在一起称量值。测量是以确定被测量值为目的的一系列操作,是人们对客观事物取得定量认识的一种手段。计量是规范测量的测量。计量依法监督测量工具的准确性与测量行为的规范性，使用有溯源性的标准与测量仪器、按照规程、由资格被确认的人员进行的以判别测量器具合格性为目的的测量，是计量。测量与计量的具体工作对象不同。测量的直接目的是得到测得值；计量的目的是保证测量的准确。“测量”就是为获取量值信息的活动；“计量”不仅要获取量值信息，而且要实现量值信息的传递或溯源。“测量”作为一类操作，其对象很广泛；“计量”作为一类操作，其对象就是测量仪器。“测量”可是以孤立的；“计量”则存在于量值传递或溯源的系统中。 测量与计量的划分，以测量工具的作用为界。测量是用测量工具认识物理量，相信的是测量工具，目的是得到被测量的量值；计量的目的是拿标准（已知的量值）检查测量工具的合格性，相信的是标准。简言之：相信测量工具的是测量，检查测量工具的是计量。3.什么叫量值传递？什么叫量值溯源？将国家计量基准所复现的计量单位量量值，通过检定（或其它传递方式）传递给下一等级的计量标准，并依次逐级传递到工作计量器具，以保证被计量的对象的量值准确一致，称为量值传递。通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准（国家计量标准或国际计量标准）联系起来的特性，称为量值溯源性。量值溯源是从下而上，量值传递则是自上而下的。6.说明差动技术的原理及技术环节。（第3章）原理：采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。测量时输入信号是同时加到原理相同、性能一致的两个敏感元件上的，但对于输入信号，两个敏感元件的参数变化是成相反方向的；而对于环境变化，两个敏感元件的变化则是成相同方向的，通过变换电路，使有用输出量增加，干扰量相减便可以消除环境变动的影响。技术环节：反串或接入电桥相邻的两臂。7.举例说明误差平均效应的原理。（温度传感器）误差平均效应原理是利用n个相同的传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这n个单元输出的总和。若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，对n个单元来说，总的误差将减小为：8.相对于开环测量系统，说明闭环技术的原理和特点。闭环系统与开环系统相比较，增加了“反馈环节” 。利用反馈技术与传感器相结合，构成闭环的“反馈测量”系统，可提高传感器测量系统的性能。特点：精度高、稳定性好；动态特性好。10.常见的传感器噪声有哪些？如何抑制这些噪声？（必考，三要素）噪声形成干扰必须具备三个条件（三要素）：有噪声源、有对噪声敏感的接受电路和噪声源到接收电路之间的耦合通道。按产生原因：机械噪声减振措施； 热噪声热屏蔽，恒温措施，对称平衡结构，温度补偿技术；光噪声光屏蔽；音响噪声消音，隔音器材或真空容器，远离声源，改变声指向；温度噪声防潮措施；化学噪声密封和保持传感器的清洁；电磁噪声屏蔽，隔离，使用双绞线，正确且良好的接地；射线辐射噪声对射线进行防护；电路噪声12.屏蔽的作用是什么？有哪些屏蔽方法？（静态、电磁）屏蔽的作用是隔断“场”的耦合，抑制各种场的干扰。有静电屏蔽，电磁屏蔽，低频磁屏蔽，驱动屏蔽，信号的屏蔽传输，屏蔽与接地。14.在实际应用中如何改善传感器的技术性能？（列举几个）结构、材料与参数的合理选择；差动技术；平均技术；补偿与校正；稳定性处理；屏蔽，隔离与干扰抑制；零示法、微差法与闭环技术；集成化与智能化第5章光电传感技术3.简述光电传感器的组成及特点。（四个部分组成）光电传感器的一般组成形式主要包括光源（光能的提供者，良好的光源是保障光电传感器性能的重要前提）、光通道（光能量的会聚收集、平行准直、图像的放大与缩小、光学滤波等）、光电器件和测量电路（对光电器件输出的电信号进行放大或转换，从而达到便于输出和处理的目的）四个部分。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠、体积小、重量轻、价格廉、灵敏度高的特点。4.传感器用光源有什么特点？常用哪些光源？特点：具有足够的照度； 均匀、无遮挡或阴影； 光源的照射方式符合传感器的测量要求； 光源的发热量小； 光源发出的光具有适合的光谱范围。常用光源：热辐射光源；气体放电光源；发光二极管；激光光源。5.简述光电探测器的原理、特点和基本类型。光电探测器基于光电效应。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应，就是光致电效应。外光电效应及器件：在光的照射下，使得电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象，称为外光电效应。光电管和光电倍增管；光电导效应：半导体受到光照会产生光生“电子空穴”对，使得导电性能增强。光线越强，导电性越强，电阻越低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。光敏电阻（光电导型）和反向工作的光敏二极管、光敏三极管（光电导结型）；光生伏特效应：光电池。7.简述激光传感技术的原理、方法（1）激光干涉法，原理：光的干涉（2）激光衍射法细丝直径测量:单色平行光垂直照射被测细丝，经细丝衍射后，在成像物镜的焦平面上形成衍射图样。根据夫琅和费衍射理论和巴比涅互补原理，直径为d的细丝和缝宽为d的狭缝具有相同的衍射图样。线阵CCD器件放在成像透镜的后焦面上，细丝衍射条纹成像到CCD上，光强分布转换成按时序分布的电压信号。该信号经低通滤波和放大处理，再利用施密特电路变成方波输出。根据脉冲宽度计数便能求出细丝直径。9.简述红外辐射的基本定律。（热分子）（1）基尔霍夫定律：一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能；如果几个物体处于同一温场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领；（2）斯忒藩玻耳兹曼定律：物体的总的出射辐射度与温度的四次方成正比；（3）维恩位移定律 ：热辐射电磁波中包含各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度成以下关系：10.简述红外探测器的原理、种类、特点及应用。红外探测器是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射转换为便于测量或观察的电能、热能等其他形式的能量。根据能量的转换方式，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。特点：热探测器不适合用于快速、高灵敏度的探测。热探测器的最大优点是光谱响应范围较宽且较平坦。应用于光谱仪，红外测温仪，热像仪，红外遥感技术。光子探测器的光谱响应特性与热探测器完全不同，通常需要制冷至较低温度才能正常工作。光子探测器的响应时间为微秒或纳秒级。探测率一般比热探测器大一到两个数量级。应用于真空光电管，光电倍增管。第6章光纤传感技术6.光纤传感器分几类？各有什么特点？（功能、非功能，给图会分析）(1)功能型：利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（温度、压力等）的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。(2)非功能（传光）型：光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。(3)拾光型：用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。7.简述光纤中的光波调制技术。（基本原理）强度调制主要是指外界物理量通过传感元件使光纤中光强发生相应变化的过程；（双光路强度检测）相位调制指当传感器光纤受到外界机械或温度场的作用时，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、及热光效应使传感光纤的几何尺寸的折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化。通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测物理量。频率调制，外界物理量通过传感元件，使光纤中光的频率发生相应变化的过程。波长调制，外界物理量通过传感元件，使光纤中光的波长发生相应变化的过程。时分调制外界物理量通过不同传感元件，使光纤中光的基带频谱的延迟时间及幅度发生相应变化的过程。偏振态调制 外界物理量通过传感元件，使光纤中光的偏振特性发生相应变化的过程称为偏振态调制。8.什么叫光纤光栅？光纤光栅利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波或反射镜。9.简述光纤光栅传感中的解调技术（给出图，说出原理）1.匹配光栅解调法当传感光栅处于自由态时，参考光栅的反射光最强，光探测器输出信号幅度最高。这时控制扫描信号发生器使之固定输出为零电平，当传感光栅感应外界温度和应变时，发生移位，使参考光栅的反射光强下降，信号发生器工作，使参考光栅的输出重新达到原有值，这时的扫描电压对应一定的外界物理量。2.波分复用光纤耦合器解调法FBG探头返回的窄带波长信号经过3dB耦合器后进入分光比与波长相关的耦合器，在3dB耦合器连接光源的光路上置有光隔离器，以防止光源被返回光成分影响。在波分复用耦合器的两个输出口输出的光直接进入光探测器将其强度信号转化为电压信号，并经过模拟信号运算，其输出即为正比于FBG探头所受应力大小。4.斜光纤光栅(TFBG)解调法这种解调方法应用了斜光栅能将纤芯中特定波长的光模耦合到光纤包层或者耦合到外界环境的原理。斜光栅的折射率变化的分界面和光纤横截面具有一定的角度。传感FBG的光通过光环行器进入线性啁啾的斜光栅，斜光栅就会将特定范围的光耦合到包层外介质成为辐射光，通过检测从斜光栅侧面出射辐射光的强度，从而可以测得光纤中传导光信号的强度随波长分布情况。检测光强可以采用光电探测器的线性阵列，也可采用CCD器件。10.什么叫长周期光纤光栅？有什么特点？长周期光纤光栅是指栅格周期大于100mm的光纤光栅。长周期光纤光栅是一种透射型光栅，其功能是将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层中损耗掉。特点：当包层与纤芯的有效弹光系数相同时，长周期光纤光栅的应变灵敏度几乎为零；而当包层与纤芯的热光系数相同时，长周期光纤光栅的温度灵敏度也几乎为零；对不同的包层模，其有效折射率是不同的，因而温度和应变灵敏度也不同。利用该特性，通过监测两个不同包层模的吸收波长的移位，可在一个长周期光纤光栅传感器上实现温度和应变的同时测量。第7章视觉传感技术1.简述计算机视觉、机器视觉及视觉测量的区别与联系。计算机视觉是借助于信息处理理论、电子器件和计算机技术的进步，人们试图用摄像机获取环境场景图像，转化为计算机处理的数字信号，由计算机平台进行视觉信息处理；机器视觉地应用计算机视觉研究的部分成果，是数字成像技术、图像处理技术和计算机技术的集成应用技术，着重于利用计算机强大的数据处理能力对获取图像进行自动分析处理，提供一个可供机器或自动化设备可以识别和利用的结果；视觉传感测量源于计算机视觉，但并不等同计算机视觉，Marr的视觉计算理论是通过三维场景映射到的二维图像来研究和感知场景三维物理结构的理论，强调的是识别和理解功能，侧重于基本理论研究，而视觉传感测量，尤其是几何量测量则是从工程应用的角度出发，研究定量提取三维空间内有用信息的理论和方法。第8章声表面波传感技术1.什么叫声表面波？有什么特点与用途？声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）是一种能量集中在介质表面传播的弹性波。特点：声表面波具有较低的传播速度和较短的波长，大概是相应电磁波的10-5倍，因此在同一频段上，SAW器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸小得多，这样就可以大幅度减小器件的体积和重量，有利于电子器件的超小型化。由于声表面波是沿固体表面传播的，且传播速度较慢，这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上，当信号在输入和输出之间行进时，就容易对信号进行注入、提取和变换等处理。声表面波是晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程，这样使得SAW器件具有较强的抗辐射能力和较大的动态范围。用途：SAW器件主要包括：滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、相关器、编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开关、超声马达、射频标签和传感器等。特别是其作为一种快速、超小型的频率控制、选择和信号处理器件，对电子和通信系统的发展起着极为重要的作用。2.叉指换能器的作用原理是什么？在发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后，在压电晶片内部分布有电场，该电场可分解为垂直和水平二个分量（Ev和Eh），通过逆压电效应使指条电极间的材料发生垂直于和平行于表面的交变形变（声波），其频率与激励频率一致，此声信号沿基片表面传播，并最终由接收叉指换能器通过压电效应转换为电信号输出。3.什么叫声表面波传感器？简述其结构组成和性能特点。利用声表面波固有特点做出的传感器叫做SAW传感器。声表面波器件包括一个压电材料薄基板和采用薄膜工艺制作在基板上的叉指换能器和反射极阵列。SAW传感器一般采用振荡器电路的形式。特点：高精度、高灵敏度准数字输出：微型化，低功耗：便于实现无线、无源化 多参数敏感性，抗干扰能力强：结构工艺性好，便于大批量生产：5.声表面波传感器为什么要特别注意温度补偿？常用的补偿方法有哪些？由于SAW传感器能感测到许多物理量与化学量，所以用它来感测某种物理量或化学量时，其它物理量或化学量（特别是温度）产变化对测量精度的影响就不可忽视了。1.选择零温度系数切型2.差动法3.数字补偿法4.浮动零点法8.什么是声表面波标签？试说明其工件原理与特点。声表面波（SAW）射频标签（RFID）芯片主要由压电基片、叉指换能器、标签天线和反射栅组成。其基本原理为，在压电基片上制作一个SAW叉指换能器（IDT），同时在SAW传播路径上分布了一组或多组的反射栅，工作时阅读器发射出高频脉冲激励信号，由敏感基片的天线接收无线信号，并通过IDT将电磁信号转换为声表面波。声表面波经过一段延迟后由反射栅反射回来，再通过IDT将信号转换为电磁波信号，并经天线发射出去，再由读写器接收处理。根据由反射栅不同位置形成的反射（SAW）脉冲来实现脉冲位置或相位位置编码。第9章生物传感技术6.阐述微生物反应与酶反应的异同点。1.微生物反应和酶反应的共同特点（1）两者都是生物化学反应，反应所需要的环境相似；（2）微生物细胞中包含各种各样的酶，可以催化所有酶可以催化的反应；（3）两者催化的速度近似。2.不同点（1）酶反应需要温和的环境，微生物细胞的膜系统为酶的反应提供了天然的“理想环境”，细胞可以在较长的时间保持一定的催化活性；（2）同一个微生物细胞自身包含数以千计种的酶，显然比单一的酶更适合多底物反应；（3）酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物细胞提供；（4）酶的提纯成本高，有些酶至今未能完全的提纯，相比之下，微生物细胞来源方便，价格低廉。15.微生物的特征及微生物传感器的分类如何？微生物的特征：体积小，繁殖快，分布广。根据微生物与底物作用原理的不同：测定呼吸活性型微生物传感器；测定代谢物质型微生物传感器；根据测量信号的不同：电流型微生物传感器；电位型微生物传感器。16.常见的微生物传感器及其工作原理是什么？电化学微生物传感器分为电流型和电位型。电流型是指工作中，微生物敏感膜与待测物质发生反应后，通过检测某种物质的含量变化，最终输出为电流信号的传感器。电位型是指工作时，通过信号转换器件转换后输出信号为电位的微生物传感器。压电高频阻抗型微生物传感器：基于高频压电晶体频率对溶液介质性质变化具有灵敏的响应特性制成的。燃料电池型微生物传感：微生物在呼吸代谢过程中可产生电子，直接在阳极上放电，产生电信号。但是微生物在电极上放电的能力很弱，往往需要加入电子传递的媒介物介体，起到增大电流的作用。22.试简述基因传感器的原理。所谓基因传感器，其原理就是通过固定在传感器或称换能器探头表面上的己知核甘酸序列的单链DNA分子(也称为ssDNA探针)，和另一条互补的ssDNA分子，也称为目标DNA杂交，形成的双链DNA(dsDNA)会表现出一定的物理信号，最后由换能器反应出来。24.简述微悬臂梁传感器的工作原理。微悬臂梁生物传感器是以微悬臂梁作为换能元件，在微悬臂梁的一面涂有生物敏感层，当被测物质吸附到生物敏感层后，微悬臂梁的表面应力或共振频率发生变化。通过检测微悬臂梁的弯曲变形或共振频移就可以测吸附到敏感层上的生物分子。第11章前沿传感技术3.什么是软测量技术？它主要包括哪几方面内容？（4个主要因素，1、3）软测量技术一般是根据某种最优准则，通过选择一些容易测量且与主导变量密切联系的二次变量(辅助变量)来预测主导变量，它所建立的软测量模型可以完成一些实际硬件检测仪器所不能完成的测量任务。四个因素：中间辅助变量的选择；输入数据的处理数学；模型的建立；数学模型的修正软测量技术的核心是建立工业对象的精确可靠的模型5.简述模糊理论与模糊传感器原理结构。（绝对到相对，逻辑框图，初值敏感性，参数敏感性）模糊理论是以模糊集合为基础，其基本精神是接受模糊性现象存在的事实，而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标，并积极的将其严密的量化成计算机可以处理的讯息，不主张用繁杂的数学分析即模型来解决模型模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出测量结果。其逻辑结构可以分为转换部分和符号处理与通信部分。从功能上看，有信息调理与转换层、数值符号转换层、符号处理层、有指导信息层和通信层。这些功能有机地集成在一起，完成数值符号转换功能6.什么叫混沌理论？它在测量中有何应用？混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中无法用单一的数据关系，而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测之行为。基于混沌系统性初值敏感性的检测技术的基本思想就是反蝴蝶效应倒过来应用，将敏感元件作为混沌电路的一部分，其敏感参数随被测量变化而变化，并使系统的混沌轨道变化，测出混沌轨道的变化从而得到被测量。如基于混沌理论的频率测量、温度测量、电阻电容电感测量等。第12章现代传感系统概述1.现代传感系统的基本结构是什么？现代传感系统由传感器节点、通信网络、中央处理服务器、处理电路和相关软件组成，集成了传感器技术、分布式测量技术、计算机技术、网络通讯技术、现场总线技术、智能仪器技术、虚拟仪器技术等，可以满足现代测量、控制和数据处理的多种需求。2.什么是分布式测量系统？分布式测量系统有什么结构特征分布式测量系统通过Internet、Intranet或无线网络等，把分布于不同地方、独立完成特定功能的本地测量设备和测量计算机连接起来，允许在不同地理位置的多个用户与不同地理位置的多个仪器交互，以完成特定的测试任务，达到测量资源共享、协同工作、分散操作、集中管理、测量过程监控和设备诊断等目的。分布式测量系统以网络为基础，测量中心服务器为核心，由测量中心服务器、现场测试子系统和数据查询子系统组成，具有开放互联能力，支持网上测试应用服务的功能。分布式测量系统是一种层次结构，分为三次：客户层、管理层、现场测量层3.什么是现场总线系统？其典型协议都有哪些，简要说明各有什么特点？安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线是以单个分散、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，节点间通过总线连接实现信息交互，共同完成自动控制功能的网络系统和控制系统。现场总线控制系统：以现场总线为基础的全数字控制系统。Profibus：Porfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式；LonWorks：它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络；基金会现场总线：基金会现场总线，即Foudation Fieldbus,简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。CAN：CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。HART：种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。RS-485：尽管RS-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用RS-485通讯具有设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。以RS-485为基础的OPTO-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。6.虚拟仪器与传统仪器有什么不同？虚拟仪器：以通用计算机为硬件平台，利用相应具有高性能测试功能的硬件作为输入/输出接口，结合高效灵活的仪器软件，在计算机屏幕上虚拟出仪器面板和交互功能，通过鼠标或键盘实施操作的仪器。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。由于计算机性能以每半年提高一倍的速度飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面。第13章多传感器数据融合1.什么是多传感器数据融合？多传感器数据融合的实质是什么？多传感器数据融合是针对一个系统中使用多个（种）传感器这一特定问题而提出的信息处理方法，是将来自多传感器或多源的信息和数据进行综合处理，从而对观测对象形成准确结论的过程。数据融合的目的是基于各独立传感器的观测数据，通过融合导出更丰富的有效信息，获得最佳协同效果，发挥多个传感器的联合优势，提高传感器系统的有效性和鲁棒性，消除单一传感器的局限性。3.比较不同数据融合形式的特点、结构和适应性。如果多传感器数据是同质的，原始数据可以直接融合，称为数据级融合。数据级融合直接对未经预处理的传感器原始观测数据进行综合和分析，其优点是保持尽可能多的客体数据，基本不发生数据丢失或遗漏，缺点是处理数据量大，实时性差。多传感器测量同一物理量时，如两个图像传感器获得的对象同一时刻的数据或者一个图像传感器获得的对象不同时刻的数据（用运动物体的相邻两帧图像相关计算物体运动速度）可以直接进行数据融合。特征级融合从不同质的传感器数据中提取数据的特征表达，构成特征向量供估计和识别使用，按照特征信息对多传感器数据进行分类、综合和分析。特征级融合亦称文件级数据融合，其优点是既保持足够数量的重要数据，又经过可容许的数据压缩，可以提高处理的实时性。特征级数据融合不可避免地会有某些数据损失，因而需对传感器预处理提出较严格的要求。决策级融合在各传感器和各低级数据融合中心已经完成相应决策的基础上，根据一定准则和每个传感器的决策与决策可信度执行综合评判，形成决策。决策级融合从具体问题出发，充分利用特征级融合的最终结果，直接针对具体决策目标，融合结果直接影响决策结论。6为什么多传感器数据融合技术存在局限性？多传感器数据融合结果并不能代替单一高精度传感器测量结果。尽管多个传感器的组合可以增强系统的性能，但这些传感器并不一定能检测到系统所感兴趣的目标特征。数据融合处理不可能修正预处理或单个传感器处理时的错误。后一级的数据融合处理不能弥补前一级处理过程中造成的信息损失。当信号的特征没有被正确提取时，数据融合得到的结论肯定是错误的，数据融合不可能修正这些特征。数据融合过程中希望能用一种简单的方式来描述传感器性能。传感器模型的不准确将导致融合结果错误，这种错误在后续处理中也是无法修复的。实际上，对处于复杂观测环境的传感器，用模型来准确描述传感器的性能是非常困难的。数据融合至今并未形成基本的理论框架和有效的广义融合模型及算法，绝大部分工作都是围绕特定应用领域内的具体问题来展开的（各自建立直观融合准则，并在此基础上形成所谓最佳融合方案）。充分反映了数据融合技术所固有的面向对象的特点，难以构建完整的理论体系。由于数据来源不同，一种单一的融合算法可能难以实现预想的融合效果，往往需要综合各门学科的多种技术，如信号处理、图像处理、模式识别、统计估计、自动推理理论和人工智能等。对于给定的数据如何选择合适算法来进行有效的信息融合是数据融合技术发展所面临的挑战。数据融合技术面临的另一个挑战就是缺乏对数据融合技术和数据融合系统性能进行评估的手段。如何建立评价机制，对数据融合系统进行综合分析，对数据融合算法和系统性能进行客观准确的评价，是亟待解决的问题。第15章无线传感器网络1.无线传感器网络有哪几部分组成？每部分的作用是什么？无线传感器网络的网络通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理站（manager station）。传感器节点获取的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理站。用户通过管理站对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通常用电池供电。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，把收集的数据转发到外部网络。6.无线传感器节点硬件由哪几部分组成？传感器模块用于感知、获取外界的信息，被监测的物理信号决定了传感器的类型；处理器模块负责协调节点各部分的工作，对感知部件获取的信息进行必要的处理和保存，控制感知部件和电源的工作模式等；无线收发模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。15
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