光纤传感器的特点有哪些.docx

1. 光纤传感器的特点有哪些，并就某种应用领域举例说明利用了光纤传感器的哪些优点。(1)传感器探头尺寸小，易于在狭小空间实现对被测量的检测；(2)由于依靠光子而不是电子来感受和传输信号，所以传感器电绝缘、防燃、防爆、抗电磁干扰、安全性好；(3)由于光纤本身多由石英制成，可耐酸碱腐蚀、可在高温、高压环境下使用；(4)光子在光纤中的传输损耗低，并可以柔性弯曲，适合远距离在线检测；(5)光纤传感器灵敏度高、信号频带宽；(6)光纤传感器种类繁多、可根据不同的使用场合和要求，选用不同种类的结构形式和检测方法。精密机械测量（测量内螺纹、内孔径）：光纤传感器探头尺寸小，易于在狭窄的空间中检测2. 画图说明光纤光栅的结构、特性以及其在电流测量和倾斜角度测量时的原理。一宽谱光源入射进入光纤，经过光纤光栅会有的光反射，其他光透射。反射的中心波长，跟光栅周期、纤芯的有效折射率n有关。因此，当外界引起光纤光栅温度、应力改变时，会导致反射的中心波长的变化。中心波长移动量与温度、应变的关系 因此得到表达式l 电流传感器方案l 倾斜角度传感器方案3. 画图并说明光纤耦合器与光纤环形器在功能上有什么区别。耦合器：将输入信号分成两路或者更多路输出，或者将两路或更多路输入信号合并成一路输出。光信号在每条支路分配的比例可以不相同。方向性：光从端口入射，只能从另一端口射；双向性：光从哪边端口入射都可以。环形器：偏振现象。作为一个单行道使光通过一系列的端口，进入端口1的光必须到端口2，进入端口2的光必须到端口3，以此类推。 4. 画图并说明光纤耦合器与光开关在功能上有什么区别。光开关：（3个）将某一光纤通道的光信号切断或开通；将光信号从某一光纤通道转移到另一光纤通道；在同一光纤通道中，将某一波长的光信号转换为另一波长的光信号。5. 画图并说明光纤耦合器与波分复用器和解波分复用器在功能上的区别。在发送端采用波分复用器将不同波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输，在另一端用解波分复用器将不同波长承载不同信号的分开6. 光纤传感系统中使用的光源有哪些（至少列出5种），并分别说明其各自的特点。 白炽光源： 采用某种宽带光源滤波谱滤波 LED： 20nm的短想干长度 DFB： 高速调制下有单纵膜光输出，动态单纵膜光激光器 光纤激光器： 掺稀土的光纤，外部泵浦时，由可调节激光行为 He-Ne： 频率稳定性允许数米的光程差7. 画图说明反射式强度调制型光纤位移传感器的工作原理，画图说明这种传感器的位移测量特性曲线，并说明特性曲线中，当位移太小时，存在测量死区的原因。光源发出的光经过发送光纤照射到反射面，反射光进入接收光纤，由光电探测器接受。反射面与光纤端面的间距发生变化时，反射进入接收光纤的光强发生变化。在其他条件不变，探测器接受到光功率取决于距离。阴影1为漫反射损耗部分，漫反射角大于接受光纤的接收角，反射光不能被接收光纤接受；阴影2为漫反射有效部分，漫反射角小于接收角，反射光对接受光有贡献。8. 光纤干涉仪与普通光学干涉仪相比的优点有哪些，列举出四种光纤干涉仪的结构？优点：容易垂直；可以通过增加光纤长度增加光程，提高灵敏度；封闭式光路不受外界干扰；测量的动态范围大。l 迈克尔逊干涉仪 马赫曾德干涉仪l 萨格纳克干涉仪 法布里珀罗 9. 画图说明什么叫迟滞（回程误差）、重复性？迟滞：在输入量作满量程变化时，对于同一输入量，传感器的正(增大)反(减小)行程过程中输出输入曲线的不重合程度的指标较迟滞。重复性：传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。 灵敏度：输出变化量与相应输入变化量之比。分辨力：传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量10. 测量误差：利用任何检测工具所得到的测量结果与它的客观真值往往并不是一致的，这个矛盾在数值上的表现即为误差。定义：测量误差=测量结果真值。确定真值4：理论真值、统计真值、相对真值、计量学约定真值随机误差：在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，测量误差的绝对值和正负号以不可预知的方式变化的误差。系统误差：在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，测量误差的绝对值和正负号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差。粗大误差：由于测量者的疏忽大意，或环境条件的突然变化而引起的。一般只出现在实验数据的个别值中，并非全部实验数据中都存在。莱以特准则（判断粗大误差算法）：设某测量列，假设测量数据中只含有随机误差，且服从正态分布，其残余误差落在以外的概率小于。如果测量值出现在范围以外，那么就有理由判定它含有粗大误差，即当测量数据的残差绝对值时，认为该测得值是坏值，含有粗大误差，应予以剔除。11. 测量不确定度：根据性质和估算方法不同，分为A类和B类。A类： 被测量能用统计方法估算出来的不确定度分量B类： 不能用统计方法估算的所有不确定度分量12. 总不确定度表示测量结果：P=0.683 0.954 0.997 1 2 313. 有效数字：一个数据，从第一个非“0”的数字开始，到（包括）最后一位唯一不可靠的数字为止，都是有效数字14. 电阻应变效应：金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也将发生变化电阻丝阻值由电阻丝的长度、截面积、电阻率参数决定15. 电阻丝灵敏度系数电阻丝受力后几何尺寸变化 材料的电阻率相对变化组成与电阻丝材质的关系？金属S0以前者为主；半导体材料S0由后者决定。16. 温度对应力传感器的输出电阻有何影响？ 温度变化时，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化；试件材料和敏感栅材料线二者膨胀系数不一致时，环境温度变化会使敏感栅产生附加变形，其电阻值也会改变1。如何对应力传感器进行温度补偿3？桥路补偿法：通过贴片和接桥方法消除温度的影响。应变片自补偿：在电阻应变片的敏感栅材料和制造工艺上采取措施，使温度变化引起的输出电阻变化为0。热敏电阻法：利用热敏电阻的特性，选择合适的分流电阻，达到温度补偿的目的17. 电阻应变式传感器在设计过程中，应该考虑哪些问题4？弹性元件的结构和尺寸设计；弹性元件材料的选择及热处理；应变计与粘合剂的选择；应变计的粘贴于防护工艺。18. 常用应变式传感器的工作原理。l 应变式力传感器：测力传感器中有一个弹性元件，把被测力的变化转换成应变量的变化。弹性元件上粘贴应变片，把应变量的变化转换成应变片电阻的变化。l 应变式加速度传感器：质量块固定在悬臂梁的一端，梁的上下表面粘贴应变片，测量时将传感器的壳体与被测对象刚性连接，在一定的频率范围内，质量块产生的加速度与被测加速度相等，作用于悬臂梁上的惯性力亦与被测加速度成正比。l 应变式扭矩传感器：应变片按45度方向粘贴在圆柱外表面上，通常贴四片组成全桥。但是由于传动轴是转动的，不能直接从应变片引出信号，可采用电刷式集流环、水银槽式集流环将应变信号由旋转轴引到静止的导线和仪器上。19. 电容式传感器的工作原理。电容式传感器实质上是一个可变参数的电容器。两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量：；任一参数发生变化，电容量C随之变化；交流电路中，电容量C的变化改变了容抗Xc，从而使输出电流或电压发生变化。20. 常见电容式传感器及其工作原理。l 变极距式：动极板因被测量变化而上下移动，改变了两极板间的间距，从而引起电容量的变化。l 变面积式：动极板因被测量变化而左右移动，改变了两极板间的相互覆盖面积，从而引起电容量变化l 变介电常数式：大多用于测量电介质的厚度、位移、液位；又介电常数会随温度、湿度的变化而变化，因此也可以测量温度、湿度。21. 不同电容传感器的灵敏度及误差分析。 22. 差动结构的优点：灵敏度提高一倍，线性度误差大大减小。23. 描述常见电感式传感器工作原理（自感式、差动变压器式、电涡流、压磁式传感器）。l 自感式：实质是带铁心的线圈。原理：机械量变化引起线圈磁回路磁阻变化，导致自感量变化。l 差动变压器式：基于电磁感应互感现象：当一次绕组通入交流电后，在相距较近的二次绕组中会有感应电动势输出，感应电动势的大小与绕组之间的互感成正比。l 电涡流：当线圈通以高频电流时，会产生一交变磁场，处于该磁场中的金属板内部产生闭合的感应电流，称为涡流，涡流又产生一个反作用于线圈的交变磁场，从而使线圈的阻抗发生变化l 压磁式：基于铁磁材料的压磁效应将被测力引起磁导率的变化转化成电信号，当没外力作用时，不会产生感应电动势；当有外力作用时，受压方向磁导率下降，磁阻增大。力越大，通过测量线圈的磁通就越多。感应电动势随压力的变化而变化24. 什么是压电效应，石英晶体内部存在哪三种压电效应？某些晶体，沿着某一方向施加外力使之变形时，内部会产生电荷；外力去掉后，电荷也随之消失，这种现象称为正压电效应。反之，对晶体施加外电场时，晶体本身产生机械变形，这种现象称为逆压电效应。三种：纵向压电效应、横向压电效应、切向压电效应25. 磁电式传感器的线圈感应电动势取决于哪些参数，该类传感器有哪些常见结构？线圈匝数 穿过线圈的磁通变化率（磁场强度，磁阻，线圈与磁场的相对运动速度） 变磁通式 恒磁通式，26. 在热电偶回路中引入各种测量仪表、连接导线，会对热电势有何影响，为什么？没有影响：根据中间导体定律，热电偶回路中接入第三种材料导线，若第三种导线两端温度相同，热电势没有影响。同理，接入多种导体，若每种导体两端温度相等，热电势没有影响。27. 热电偶的冷端温度处理方法40度恒温法、热电势修正法、电桥补偿法、延伸导线法28. 请以三相CCD图像传感器为例，简述电荷在不同MOS光敏元间的转移过程。MOS光敏元电极分为三组：1、4由时钟脉冲1控制，2、5由2控制，3、6由3控制。t=t1：相处于高电平，1相处于高电平，2、3相处于低电平；电极1、4下面出现势阱，存入电荷。t=t2：2相处于高电平，电极2、5下面出现势阱，由于相邻电极间间隙小，1、2与4、5下面的势阱联通，形成大势阱。原来在1、4下的电荷向2、5下的势阱方向移动。接着，1电压下降，势阱相应变浅。t=t3：更多电荷转移到2、5下的势阱内t=t4：只有相处于高电平，信号电荷全部转移到2、5下的势阱内。依次下去，信号电荷可按事先设计的方向在时钟脉冲控制下从一端移到另一端。 29. CCD电荷的注入方式： 电注入、光注入CCD传感器：l 线阵CCD：用于获取线图像。可以直接接收一维光信号，但不能直接将二维图像转换为一维的电信号输出。为了得到整个二维图像的输出，就必须用扫描的方法来实现。l 面阵CCD：用于获取面图像。感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像评价CCD性能：灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围、暗电流、光电转换、转移效率和工作效率30. PSD相对于象限探测器的优点:对光斑的形状没有严格的要求，即输出信号与光的聚集无关，只与光的能量中心位置有关，测量方便。光敏面上无需分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，位置分辨率高。可同时检测位置和光强，可以用总光电流求得相应的入射光强。31. 智能材料定义：能感知环境条件，作出相应行动的材料，其行为与生命体的智能反应类似。七大功能：传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。32. 电流变液：介电微粒+绝缘液体 混合的复杂流体磁流变液：微米级磁性颗粒+载液+表面活性剂 稳定的悬浮液体磁性流体：纳米级铁氧体+Fe，Ni，Co金属及其合金或铁磁性氧化铁超细磁性颗粒借助表面活性剂高度，均匀弥散于载液中形成一种 稳定胶体溶液。33. 磁流变智能材料和磁性流体智能材料的区别：磁流变: 微米级颗粒组成的悬浮液体 磁性流体：纳米级颗粒组成的胶体溶液磁流变：磁流变效应，在固体与液态之间进行毫秒级快速可逆转换。磁流变液有较大的屈服应力。磁性流体：固液相混的二相流体，兼有液体的流动性和磁性材料的磁性。磁液的流变黏度随外加磁场增强而增高，阻尼作用也增大。34. 磁流变液稳定性的影响因素4：外磁场势能、重力场势能、偶极子对势能、表面分散剂。表面活性剂的作用：表面活性剂具有极性，附着于磁性微粒表面，防止磁性微粒因凝聚而沉淀，有利于稳定胶体溶液的形成;35. 核辐射：放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线的放射性现象。辐射：射线：带正电荷的高速粒子流辐射：射线：带负电荷的高速粒子流辐射：射线：不带电，是从原子核内部放射出来的以光速运动的光子流X辐射：X射线：原子核外的内层电子被激发而发射出来的电磁波能量。核辐射探测器件电离室：粒子、粒子，射线（封闭） 气体放电计数管：粒子、射线的强度闪烁计数器：有机粒子 无机射线36. MEMS（Micro-Electro Mechanical Systems）微机械电子系统MEMS基础技术4：设计技术、加工技术、测量技术、集成与控制技术37. 法拉第效应:线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转。38. 利用法拉第效应的光纤电流传感器的结构和传感原理；基于磁光效应：磁光材料置于被测电流所产生的磁场中，光源发出的光经光纤进入磁光材料。若光传播方向与磁场方向平行，由于磁光效应，偏振光的偏振方向发生旋转，旋转角取决于磁场强度。入射光旋角和母线电流I的关系： =VHL=VI2rL=VL2r设起偏器、检偏器的偏振化方向互成45o角，入射角光强为0，出射光强为则=120（1-sinVLr）光强的变化量反映了被测电流的大小，输出光信号通过另一光纤后，被光电转换电路转化成一个调幅电压信号，信号幅度变化包含了被测电流的幅值信息，再由解调电路把被测电流的信息从调幅信号中恢复出来.39. 湿敏传感器的主要参数6：感湿特性曲线、测湿量程、灵敏度、湿度温度系数、响应时间、湿滞回线和湿汾回差。气敏传感器的主要参数7：灵敏度、响应时间、选择性、稳定性、温度特性、湿度特性、电源电压特性40. MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿敏元件的结构陶瓷片两面烧结金电极，引出线与金电极烧结在一起，半导体外面安装一个镍铬丝加热清洗线圈1、4，湿敏元件安装在陶瓷基片上，电极2、3周围安装金短路环。41. 多孔氧化物湿敏传感器的结构和制备工艺铝制的基板、上电极和多孔Al2O3膜构成了一个平板电容。为了让水分子自由进入至多孔氧化物膜上电极厚度在保证有良好表面导电性的前提下越薄越好。为防止电极引线处布集水汽而造成器件失效， 1上电极 2多孔Al2O3膜区 3致密Al2O3膜区在多孔Al2O3膜外生成一层致密的Al2O3膜与之接触， 4金属铝基板5上电极引线 6下电极并在致密Al2O3膜上方的金膜处引出导线。 42. 气敏传感器的主要类型及其特性类型原理检测对象特点半导体方式若气体接触到加热的金属氧化物，电阻值就会增大或减小还原性气体，城市排放气体，丙烷气等灵敏度高稳定性好，构造与电路简单，使用方便，费用低，把气体体积分数转化为电量输出，寿命长接触燃烧方式可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使气敏元件的铂丝温度升高，电阻值变大燃烧气体输出的电量与气体体积分数成正比，结构简单，但寿命较短，灵敏度较低化学反应方式化学溶剂与气体的反应产生电流，颜色，导电率的增加CO,H2，CH4，SO2气体选择性好，但不能重复使用光干涉方式利用空气的折射率不同产生的干涉带来测量与空气折射率不同的气体，CO2等寿命长，但选择性差热传导方式根据热传导率差而放热的发热元件温度的降低进行检测与空气热传导率不同的气体，H2等结构简单，但灵敏度低，选择性差，红外线吸收散射方式由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量来测量CO,CO2， NOX等能定性测量，但装置大，价格高43. 烧结型电阻式半导体气敏元件的两种结构1,2,4,5,6,7,9,10-电极；3,11-烧结体；8-加热丝；12-陶瓷绝缘管内热式：管芯体积较小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作测量电极。旁热式:管芯在陶瓷管内放置高阻加热丝，磁管外涂加金电极，再金电极外涂气敏半导体 材料44. 超声波：质点振动在弹性介质内的传播形成机械波。频率高于20kHz的机械波。范围：20Khz500MHz45. 两