当前位置：首页 > 《传感器原理及工程应用》第三版 郁有文 课后答案
7-4 什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？ 【答】
1、通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。
2、霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 7-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿？ 1、影响霍尔元件输出零点的因素
当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有：
（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；
（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； （3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
2、不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。
可以把霍尔元件等效为一个电桥，用电桥平衡来补偿不等位电势。由于A、 B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、 B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。
7-8 试分析霍尔元件输出接有负载RL 时，利用恒压源和输入回路串联电阻RT 进行温度补偿的条件。
补偿电路如图(a)所示，输入回路与输出回路的等效电路如图(b)、(c)所示。设RL不随温度改变，由于霍尔元件输出电阻Rout随温度变化，输出霍尔电势UH也随温度变化，使得负
载电阻上的输出电压
U?与温度有关。
RLUH
RL?RoutRL
RT
(a) 霍尔元件接有负载
RT
RoutERinUHRL
(b) 输入回路等效电路 (c) 输出回路等效电路
温度为T0 时，负载电阻上的输出电压为
U0?RLKH0BERLRLUH0?KH0I0B?
RL?Rout0RL?Rout0(RL?Rout0)(RT0?Rin0) 设RT 的温度系数?，霍尔元件内阻温度系数为?，灵敏度温度系数为?，
则温度升高?T后，负载电阻上的电压为
U?KH0(1???T)BERL?
RL?Rout0(1???T)RT0(1???T)?Rin0(1???T)要实现温度补偿，应使U?U0，即 KH0(1???T)BEKH0BERLRL???RL?Rout0(1???T)RT0(1???T)?Rin0(1???T)RL?Rout0RT0?Rin0消去二阶小量（即含?或??的项），解得
2RT0??(???)(RL?Rout)??RoutRin0
(???)(RL?Rout0)??Rout为了获得最大的输出功率，可使RL?Rout，则
2??3?RT0??Rin0
2??2???
8-1 光电效应有哪几种？相对应的光电器件各有哪些？ 【答】
1、光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。 2、光电器件
（1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 （2）基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
（3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。
8-2 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？ 【答】
1、光敏电阻的工作原理
其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。 2、光敏二极管的工作原理
在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。
当有光照射到光敏二极管的PN结时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-
空穴对，它们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过PN结，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时，光敏二极管的反向电阻下降。 若入射光的强度增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也响应增大，即光电流与光照度成正比。
如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。 3、光敏晶体管的工作原理
大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。
当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。 4、光电池的工作原理
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。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。
若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。 8-3 光电耦合器件分为哪两类？各有什么用途？ 【答】
光电耦合器件分为两类：一类是用于实现电隔离的光电耦合器（又称光电耦合器），另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关（又称光电断续器）。 8-5 如何理解电荷耦合器件有“电子自扫描”作用？ 【答】
面阵CCD包括x、y两个方向用于摄取平面图像，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。
8-6
光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？
【答】
1、光在光纤内的全内反射进行传输的，实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。 2、为满足光在光纤内的全内反射， 光入射到光纤端面的入射角θi应满足
?122??i??c?arcsin??nn1?n2???0?一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为
?i??c?arcsinn12?n228-7 光纤数值孔径NA的物理意义是什么？对NA取值大小有什么意义？ 【答】
1、数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θc的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。
2、光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。
8-8 当光纤的n1=1.46，n2=1.45，如光纤外部介质的n0=1，求光在光纤内产生全内反射时入射光的最大入射角?c的值？ 【解】
根据光纤数值孔径NA的定义
NA?sin?c?入射临界角?c为
1n12?n22?1.462?1.452?0.1706n0?c?arcsinNA?arc0.1706?9.80
故，得该种光纤最大入射角为9.80 ，即入射光线必须在与该光纤轴线夹角小于9.80 时才能传播。
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