光纤传感器与无线传感网络在工业物联网中的集成应用试题及答案

光纤传感器与无线传感网络在工业物联网中的集成应用试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种光纤传感器通过波长调制实现物理量测量？A.强度调制型光纤传感器B.相位调制型光纤传感器C.布拉格光栅（FBG）光纤传感器D.偏振调制型光纤传感器2.工业物联网中，无线传感网络（WSN）与光纤传感器集成的核心目标是：A.降低硬件成本B.实现多维度、多场景数据采集与传输C.简化网络拓扑结构D.减少数据处理节点3.以下无线通信技术中，最适合工业物联网长距离、低功耗场景的是：A.ZigBee（2.4GHz）B.蓝牙（Bluetooth）C.LoRa（Sub1GHz）D.WiFi（5GHz）4.光纤传感器在工业环境中的主要优势是：A.抗电磁干扰能力强B.传输速率高C.无需供电D.成本低于传统电子传感器5.工业物联网中，无线传感网络的“时间同步”主要用于解决：A.数据冲突问题B.节点能耗均衡问题C.多源数据融合的时间一致性问题D.网络覆盖范围扩展问题6.FBG传感器的中心波长漂移量与应变的关系可表示为Δλ=λ₀(1P_e)ε，其中P_e为有效弹光系数，典型值约为：A.0.22B.0.5C.0.8D.1.07.无线传感网络中，“跳频技术”主要用于应对：A.节点故障B.路径损耗C.同频干扰D.时钟偏移8.工业物联网集成系统中，边缘计算节点的主要功能是：A.实现广域网数据传输B.对原始数据进行预处理与特征提取C.存储全量历史数据D.执行复杂的全局优化算法9.以下哪种场景最不适合光纤传感器与无线传感网络的集成应用？A.高压输电线路温度监测B.化工反应釜内部压力监测C.车间机械臂振动监测D.办公室温湿度监控10.工业物联网中，TSN（时间敏感网络）协议的核心作用是：A.提高无线传输速率B.保障关键数据的低延迟与确定性传输C.降低节点功耗D.实现多协议兼容二、多项选择题（每题3分，共15分，错选、漏选均不得分）1.光纤传感器与无线传感网络集成时，需解决的关键技术问题包括：A.多源数据（光信号、无线信号）的协议转换B.光纤传感器的分布式组网与寻址C.无线节点的低功耗设计D.工业环境下的抗电磁干扰与信号衰减2.以下属于光纤传感器类型的有：A.马赫曾德尔干涉型传感器B.法布里珀罗腔型传感器C.电阻应变片传感器D.布拉格光栅（FBG）传感器3.工业物联网无线传感网络的拓扑结构通常包括：A.星型拓扑B.树状拓扑C.网状（Mesh）拓扑D.环形拓扑4.光纤传感器在工业设备健康监测中的典型应用包括：A.齿轮箱齿面磨损检测B.电机绕组温度分布测量C.管道裂纹扩展监测D.车间照明亮度调节5.无线传感网络中，延长节点续航的常用方法有：A.采用低功耗芯片（如CC2530）B.设计高效的MAC层协议（如SMAC）C.增加电池容量D.利用能量收集技术（如振动发电、太阳能）三、填空题（每空2分，共20分）1.光纤传感器的基本工作原理是通过被测物理量（如温度、应变）调制光纤的______、______、波长或偏振态等参数，再通过解调获取被测信息。2.无线传感网络的三层体系架构包括______层、网络层和应用层。3.工业物联网中，光纤传感器与无线节点的集成通常采用“______+无线中继”的模式，其中光纤负责______数据传输，无线负责______覆盖。4.FBG传感器的解调方法主要有______解调法（如可调谐FP滤波器）和______解调法（如光谱仪）。5.无线传感网络中，RSSI（接收信号强度指示）可用于______定位，而TOA（到达时间）可用于______定位。四、简答题（共30分）1.（封闭型，6分）简述布拉格光栅（FBG）传感器的工作原理，并说明其温度与应变交叉敏感问题的解决方法。2.（封闭型，6分）对比ZigBee与LoRa两种无线通信技术在工业物联网中的适用性，从传输距离、功耗、抗干扰能力三方面分析。3.（开放型，8分）工业物联网中，光纤传感器与无线传感网络集成后，如何提升系统的可靠性？请结合工业环境特点（如电磁干扰、高温、振动）提出3项具体措施。4.（开放型，10分）某工厂需监测50台大型电机的轴承温度（范围40℃~120℃，精度±1℃）和振动加速度（范围0~50m/s²，精度±0.1m/s²），请设计一套基于光纤传感器与无线传感网络的集成监测系统方案，要求说明传感器选型、网络拓扑、数据传输与处理流程。五、应用题（共25分）1.（分析类，8分）某化工企业管道监测系统中，部署了10个FBG应变传感器（单传感器量程±5000με，精度±2με）和20个无线温度传感器（量程50℃~200℃，精度±0.5℃）。无线传感网络采用LoRa技术，节点发射功率20dBm，接收灵敏度137dBm，工作频率470MHz。假设环境路径损耗模型为PL(d)=PL₀+10nlog₁₀(d/d₀)，其中PL₀=40dB（d₀=1m），n=3（工业环境）。（1）计算LoRa节点的最大通信距离（结果保留2位小数）；（2）若需将通信距离扩展至2km，可采取哪些技术措施？2.（综合类，17分）某智能制造车间的机械臂需进行实时状态监测，集成系统出现以下故障：光纤振动传感器数据跳变（正常范围0~10m/s²，实测出现100m/s²尖峰）；无线温度传感器数据延迟超过2s（系统要求≤500ms）。（1）分析光纤传感器数据跳变的可能原因（至少3项）；（2）分析无线传感器数据延迟的可能原因（至少3项）；（3）提出针对性的解决方案。答案与解析一、单项选择题1.C（FBG通过波长调制，其他为强度、相位或偏振调制）2.B（集成核心是多维度数据采集与协同传输）3.C（LoRa支持长距离、低功耗，适合工业广域覆盖）4.A（光纤本质绝缘，抗电磁干扰是核心优势）5.C（时间同步确保多源数据时间戳一致，便于融合）6.A（有效弹光系数P_e典型值约0.22）7.C（跳频通过频率切换规避同频干扰）8.B（边缘计算负责本地数据预处理，减少云端负载）9.D（办公室环境对精度、抗干扰要求低，传统传感器更经济）10.B（TSN保障工业控制数据的确定性传输）二、多项选择题1.ABCD（集成需解决协议转换、光纤组网、低功耗、抗干扰等问题）2.ABD（电阻应变片属于传统电子传感器）3.ABC（工业WSN常用星型、树状、Mesh拓扑，环形较少）4.ABC（照明调节与设备健康监测无关）5.ABD（增加电池容量受体积限制，非“常用”方法）三、填空题1.强度；相位2.感知（或物理）3.光纤直连；短距离高精度；广域4.波长扫描；光谱分析5.测距；时差四、简答题1.FBG工作原理：FBG是光纤内部周期性折射率调制结构，仅反射特定波长（中心波长λ₀=2nΛ，n为纤芯折射率，Λ为光栅周期）。当外界温度或应变变化时，n和Λ改变，导致λ₀漂移，通过解调λ₀变化量可测量温度或应变。交叉敏感解决方法：采用双光栅法（一个光栅封装为应变敏感、另一个封装为温度补偿）；或结合其他传感器（如光纤温度传感器）同步测量，分离温度与应变影响。2.适用性对比：传输距离：LoRa（3~15km）远大于ZigBee（100~500m），适合广域工业场景（如厂区、管道）；ZigBee适合短距离（车间内设备集群）。功耗：LoRa（休眠电流<1μA，发射电流50~100mA）低于ZigBee（休眠电流~1μA，发射电流30~50mA），更适合低功耗长续航需求（如野外监测）。抗干扰能力：LoRa采用CSS调制，抗噪声和多径衰落强；ZigBee（2.4GHz）与WiFi、蓝牙同频，易受干扰，工业环境需避频或扩频。3.可靠性提升措施：抗电磁干扰：光纤传感器采用金属铠装保护，无线节点增加屏蔽罩，或使用抗干扰调制（如LoRa的CSS）；高温防护：光纤传感器选用耐高温涂覆层（如聚酰亚胺），无线节点采用工业级芯片（40℃~85℃）；冗余设计：关键监测点部署双传感器（光纤+无线备份），网络采用Mesh拓扑（多路径传输），避免单点故障。4.系统方案设计：传感器选型：温度监测选用光纤光栅温度传感器（精度±0.5℃，抗电磁干扰）；振动监测选用光纤珐珀（FP）振动传感器（频响1~10kHz，精度±0.05m/s²）。网络拓扑：采用“光纤汇聚+LoRa广域传输”结构：车间内光纤传感器通过波分复用（WDM）连接到汇接节点，汇接节点集成LoRa模块，将数据汇总后通过LoRa网关上传至工业云平台。数据流程：传感器实时采集温度、振动数据→汇接节点解调光信号并转换为数字量→LoRa模块打包数据（加入时间戳）→LoRa网关接收后通过4G/5G上传云平台→平台通过边缘计算模块进行异常检测（如温度超阈值、振动频率偏移），结果推送至监控终端。五、应用题1.（1）最大通信距离计算：自由空间路径损耗公式：PL(d)=PtPr=20dBm(137dBm)=157dB代入模型：157=40+10×3×log₁₀(d/1)→117=30log₁₀d→log₁₀d=3.9→d=10^3.9≈7943.28m≈7.94km（2）扩展距离措施：增加发射功率（如提升至27dBm，需符合法规）；采用高增益天线（如定向天线，提高有效辐射功率）；部署中继节点（通过多跳传输延长覆盖）；降低数据速率（LoRa支持多扩频因子，低速率可提升接收灵敏度）。2.（1）光纤传感器数据跳变原因：光纤链路故障（如弯曲损耗、连接器松动，导致光强突变）；解调设备噪声（如电路干扰、A/D转换误差）；外界强振动冲击（超出传感器量程，导致非线性响应）；光栅局部损伤（如高温或应力集中导致折射率调制不均匀）。（2）无线数据延迟原因：网络拥塞（节点同时发送数据，MAC层退避导致延迟）；路径损耗