第二章-光纤传感器测量的理论基础1复习进程
光电光纤传感器原理应用培训资料
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国际上，如欧姆龙光纤传感器其光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件， 光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。 优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点： 须用特殊光纤，成本高。 非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输 介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受 被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。灵 敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。欧姆龙光纤传感器是最近几年出现的新 技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速 度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电 磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。
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1、因反射体中使用了棱镜，所以与通用的反射型光控传感器器 相比，其检测性能更高、更可靠 2 、与分离式光控传感器相比，电路连接更简单容易。 3、 子母扣嵌入式的设计，安装更为简单 4、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传 感器； 5、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等） 的器件；
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3原理
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使 待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化， 称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成 测量。
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4分类
根据光纤在传感器中的作用可以分为：一类是功能型 （Functional Fiber，缩写为FF)传感器，又称为传感型传感器； 另一类是非功能型（Non Functional Fiber缩写为NFF)，又称为 传光型传感器； 根据光受被测对象的调制形式可以分为：强度调制型、偏振 态制型、相位制型、频率制型； 根据光是否发生干涉可分为：干涉型和非干涉型； 根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为：分布 式和点分式； 。
光纤传感器ppt讲解可修改文字
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
传感器原理与应用复习范围
绪论一、传感器：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等），按照一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
二、传感技术：是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三要素的最佳结合。
三、传感器的组成：传感器一般有敏感元件、转换原件和测量电路三部分组成，有事还需要加辅助电源。
四、传感器分类：1.按输入量分类如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。
2.按测量原理分类现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。
如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。
3.按结构型和物性型分类所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这种传感器目前应用的最为普遍。
物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。
五、传感器的发展趋向1.传感器的固态化，2、传感器的集成化和多功能化3.传感器的图像化4.传感器的智能化第1章传感器的一般特性§1-1 传感器的静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。
传感器静态特性的主要指标有以下几点：一、线性度(非线性误差)在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度。
二、灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。
线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。
光纤传感复习题答案
光纤传感复习题答案1. 光纤传感技术的原理是什么？答案：光纤传感技术是利用光纤作为传感介质，通过测量光在光纤中传播时的光强、相位、偏振、波长等参数的变化来实现对温度、压力、应变、振动、化学成分等物理量或化学量的测量。
2. 光纤传感器有哪些主要类型？答案：光纤传感器的主要类型包括干涉型光纤传感器、光栅型光纤传感器、光纤陀螺、光纤电流传感器和光纤温度传感器等。
3. 光纤传感器在哪些领域有应用？答案：光纤传感器在通信、医疗、环境监测、石油化工、航空航天、土木工程、电力系统等领域有广泛的应用。
4. 光纤传感器相比传统传感器有哪些优势？答案：光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、灵敏度高、可实现远距离传输、耐腐蚀、耐高温等优势。
5. 光纤布拉格光栅（FBG）传感器的工作原理是什么？答案：光纤布拉格光栅传感器的工作原理是利用光纤中周期性的折射率变化形成的光栅，当光栅的周期与入射光波长相匹配时，会发生反射，形成特定的反射波长。
当光纤受到温度、应变等外界因素的影响时，光栅的周期会发生变化，导致反射波长发生偏移，通过测量反射波长的偏移量，可以确定外界因素的变化。
6. 光纤陀螺是如何实现角速度测量的？答案：光纤陀螺利用Sagnac效应，即当光纤环在旋转时，沿顺时针和逆时针方向传播的光波会发生相位差，通过测量这种相位差，可以计算出光纤环的旋转速度，即角速度。
7. 光纤电流传感器的测量原理是什么？答案：光纤电流传感器的测量原理是利用法拉第磁光效应，即当磁场通过光纤时，光纤中的光波会发生偏振旋转，旋转角度与磁场强度成正比。
通过测量光波的偏振旋转角度，可以确定电流产生的磁场强度，进而计算出电流的大小。
8. 光纤温度传感器的测量原理是什么？答案：光纤温度传感器的测量原理是利用光纤材料的折射率随温度变化的特性，当光纤受到温度变化时，其折射率会发生变化，导致光波在光纤中的传播速度和相位发生变化，通过测量这些变化，可以确定温度的变化。
光纤传感器基本原理1
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。
(2)温度应变效应
若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和 长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
(3)反射系数型
光波在入射界面上的光强分配由菲涅尔公式描述，界面强度 反射系数由菲涅尔反射公式给出
由反射系数的菲涅尔公式知道， 当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角 入射到n1、n3介质的界面上时，若n3 介质由于压力或温度的变化引起n3的 微小改变，相应会引起反射系数的变 化，从而导致反射光强的改变，利用 这一原理可以设计出压力或温度传感 器。
二、强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起 光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对 待测量的测量，其原理如下图所示。
Pi Pi
P0 P0
强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度 调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸 收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度 调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
(1)光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定 时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温 度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因 此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可 确定温度的变化。
(2)渐逝波耦合型
通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时．能量就 可以忽略不计了。如果采用一种办法使渐逝场能以较大的振幅穿 过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量 就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
光电检测技术复习
第四章 光电导器件
• 工作原理 • 主要特性参数 • 偏置电路和噪声 • 特点与应用
工作原理
• 基于内光电效应（光电导效应） • 暗电流、亮电流、光电流及三者的关系
IP
U L
A
U L
q( nn
p p
)A
qUN L2
(
n
p
)
主要特性参数
• 光电灵敏度 g p Sg E
• 用负载电阻实现电流电压转换
• 用运算放大器实现电流电压转换
光电倍增管的应用
– 负电子亲合势及其特点
光电管与光电倍增管
• 光电管
– 玻壳、光电阴极和阳极组成，真空型和充气型
• 光电倍增管
– 基于外光电效应和二次电子发射效应 – 结构上与光电管的区别：电子光学系统和倍增
级
光电倍增管
• 工作原理 • 典型参数
阴极K
D2
D4
D1
D3
D5
U1 U2 U3
U4 U5
U6
A阳极 μA
I p I0 (e kT 1)
硅光电池
• 特性参数
– 光照特性——开路时、短路时、有限负载时
线性区
IL
Uoc1 Uoc2 Uoc3 Uoc4
Isc1 Isc2
Isc3
E1
U
E2
E3 E4
RL2
Isc4
RL1
硅光电二极管和三极管
• 一般在反向偏压下工作
I
E=0
U
E1
E2 光导工作区
qU
IL I p I0( e kT 1) IP I0 IP SEE
光纤传感技术与应用复习提纲
《光纤传感技术与应用》复习提纲第一章光纤传感器1．1．1 光纤传感器的定义及分类传像光纤的作用传感器光振幅相位光纤传感器的基本原理偏振态波长温度压力光纤传感器可以测量的物理量磁场、电场位移转动用方框图表示光纤传感原理示意图（图1-1-1 光纤传感原理示意图）传感型：利用外界因素改变光纤中光的强度（振幅）、相位、偏振态或波长（频率），从而对外界因素进行讲师和数据传输的，称为传感型（功功能型光纤传感器。
特点是传感合一（信息获取和传输都在光纤中完成。
光纤传感器分类传光型：利用其他敏感元件测得物理量，由光纤进行数据传输。
特点是充分利用现有传感器，便于推广应用。
散射型干涉型（相位型）按传感原理分类：偏振型微弯型荧光型1．1．2 光纤传感器的特点（1）抗电磁干扰、绝缘、耐腐蚀；适用于强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境下使用。
（2）灵敏度高；长光纤可以灵敏地探测光波的干涉，适用于测量水声、加速度、位移、温度、磁场。
（3）重量轻、体积小、形状可变；（4）测量对像广泛；力学、物理、核物理、航空、航天。
（5）对被测介质影响小；（6）便于复用，便于成网；（7）成本低1．2 振幅调制传感型光纤传感器（1）什么是：利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的光纤传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。
改变微弯状态改变耦合条件（2）用来改变光纤中光强的办法改变吸收特性改变折射率分布1．2．1 光纤微弯传感器原理：利用微弯损耗的变化，来探测外界物理量的变化。
微弯损耗：多模光纤微弯时，部分芯模能量转化为包层模能量。
通过测量芯模能量或包层能量的变化来测量位移或振动等参量。
光纤微弯传感器原理图1．2．2 光纤受抑全内反射传感器一、透射式原理：全内反射缺点：需要精密的机械调整和固定装置，不利于现场环境使用。
透射式光纤受抑全内反射传感器简图二、反射式原理：也可以利用外界介质折射率变化，改变临界全反射条件，使反射光强变弱，从而测量外界物理量变化。
3.7.13.7传感器测量原理光纤传感器
频率
9
9
3.7 光纤传感器---布里渊散射光 光时域反射技术（OTDR）
光纤的弯折、断裂导致反射光增强，根据信号获取时间和距离的关系， 即可对异常点位进行定位分析
2023/12/28
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10
3.7 光纤传感器---BOTDR传感原理
BOTDR传感原理
BOTDR是Brillouin Optical Time Domain Reflectometer 的缩写 中文名：布里渊光时域反射技术
传
频移-应变系数 0.04998 MHz/10-6
定点拉伸
感
频移-温度系数
1.775 MHz/℃
恒温水浴槽标定
性
影响区长度
42 cm
能
25
3.7 光纤传感器-传感光缆应用现状
分布式定点光缆 采用独特内定点设计，实现空间非连续非均匀应变分段测量，配合分 布式光纤传感技术使用。具有极好的机械性能和抗拉抗压性能，能与岩土 体、混凝土等结构很好耦合。施工便捷，同时能抵御各种恶劣工况环境。
3、20测23/试12距/2离8
19
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3.7 光纤传感器-分布式监测
20
3.7 光纤传感器-国内外研究和应用现状
国际上：已成为一些发达国家如日本、瑞士、加拿大、 美国、韩国、法国、英国等国的研究热点和重大科研课 题，特别是日本，岩土体变形分布式监测已成为日本 JSPS和建设省的重大课题
国内：始于本课题组在南京大学985工程项目、国家杰 出青年科学基金和国家教育部重点项目的支持下于2000 年开始的；近五年来，国内一些科研单位也相继开展了 这方面的研究工作，如中国地质调查局、中国地质科学 院岩溶地质研究所、国电公司大坝安全监察中心
传感器技术复习提纲
传感器复习提纲第0章绪论【没有大题】1．什么是传感器？（传感器定义）国家标准定义：能感受规定的被测量（包括物理量,化学量、生物量等）并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？1.敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量）并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量（包括电量）的其他元件。
2.转换元件：它能将物理量直接转换为有确定关系的电量的元件。
3.测量电路：把转换元件输出的电信号变为便于处理显示，记录控制的可用电信号的电路。
4.辅助电源：供给转换能量。
3．了解传感器的分类方法。
1.按基本效应分：物理型、化学型、生物型2.按传感机器分：结构型、物性型3.按能量关系分：能量转换型（自源型）能量控制型（外源型）4.按作用原理分：应变式，电容式，压电式，热电式5.按功能性质分：力敏，热敏，磁敏，气敏6.按功能材料分：固态（半导体，半导瓷，电介质）光纤，膜，超导等7.按输入量：位移，压力、温度、流量、气体8、按输出量：模拟式、数字量4．传感器的基本要求。
1、足够的容量2、灵敏度高、精度适当3、响应速度快，工作稳定、可靠性好4、适用性和适应性强5.使用经济第1章传感器技术基础【没有大题】1 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些?说明它们的含义。
1.线性度：表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。
2.回差：反映传感器正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度的指标。
3.重复性：衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线一致性程度的指标4.灵敏度：传感器输出量增量与输入量增量之比。
5.分辨力：传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量6.阈值:能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。
7.稳定性：传感器在相当长时间内保持其性能的能力8.漂移：在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的，不需要的变化9.静态误差：指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。
光纤传感器基本原理
多功能化
光纤传感器将更多地实现多功能的集成和使用， 以满足不断变化的应用需求和环境要求。
小型化
光纤传感器将越来越小型化，更方便实现在狭 小空间内的布置和使用，并且可以减少生产成 本和环境占用。
气象观测
光纤传感器可用于测量大气温度、 湿度、气压等气象参数，为天气 预报和气候研究提供重要数据。
光纤传感器的优势和局限性
1
优势
光纤传感器具有快速响应、高精确度、抗
局限性
2
干扰、安全可靠等优点，可以应用于复杂 的环境和电磁干扰场合。
光纤传感器也存在着灵敏度不足、温度漂
移、成本较高等局限性，还需要在实际应
• 布里渊光纤传感器 • 光纤干涉型传感器 • 光纤微扰型传感器 • 光纤拉曼散射传感器
光纤传感器的制造和安装
光纤的制备工艺
光纤传感器的安装方法
光纤传感器的制造是基于光纤的 制备工艺。通常包括预制棒制备、 拉拔成型、光纤涂覆等多个步骤。
光纤传感器的安装需要考虑传感 区域的位置、光源和检测器的安 装、信号处理器的连接等多个问 题。不同类型的光纤传感器安装 方法略有不同。
信号处理器
光纤传感器的信号处理器用于处理光纤中探测 到的光信号，并将其转化成电信号进行处理， 最终输出测量结果。
光源和光检测器
光纤传感器的光源和光检测器可以是激光器、 发光二极管、光电二极管等，主要用于探测光 纤中光信号的强度和相位变化。
工作模式
光纤传感器的工作模式包括反射型、透射型、 微扰型、直接式等。每种模式都有其特点和适 用范围。
光纤传感器具有快速响应、 高精确度、高灵敏度和免 于干扰等优点。它的应用 领域非常广泛，在能源、 交通、环保、医学等方面 有着重要的作用。
光纤传感器
光纤传感器
1 光纤传感器基础
1.2
2 光调制与解调技术
4.4
3 光纤传感器实例
2
光纤传感器
第一节 光纤传感器基础
➢ 光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS） 与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能 力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结 构简单、以及与光纤传输线路相容等。
光纤传感器
2.1 强度调制与解调
光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载 波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的 方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检 测。
解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测 量精度的要求。
13
光纤传感器
几种常用的光强调制技术
1.微弯效应
微弯损耗强度调制器的 原理如图。当垂直于光 纤轴线的应力使光纤发 生弯曲时，传输光有一 部分会泄漏到包层中去。
光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能 型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称 FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(NonFunction Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传 感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为 敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是 利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作 为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近 场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。
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光纤传感器
六.光纤传感器的发展趋势
光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基 础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其 光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这 方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统 传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有 必要说明光纤传感器的可能发展趋势： ① 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传 感器的主要研究对象。 ② 集成化光纤传感器。 ③ 多功能全光纤控制系统。 ④ 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监 测系统。 ⑤ 开辟新领域。
光纤传感复习题[试题]
![光纤传感复习题[试题]](https://img.taocdn.com/s3/m/4d5c737ea88271fe910ef12d2af90242a895ab3c.png)
一、简答1.光纤作为传感器的优势有哪些？光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰。
光纤工作频带宽，动态范围大。
容易接受被测量场的加载，是一种优良的敏感元件。
光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好。
2.什么是光纤的损耗，损耗的机理是什么？光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会逐渐减少，这种现象称为光线的损耗。
损耗的机理：损耗主要包括吸收损耗和散射损耗两部分。
吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。
散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。
瑞利(Rayleigh )散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。
3.什么是光纤的色散，色散的分类有哪些？色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。
色散的种类：模间色散、材料色散、波导色散、偏振膜色散4.光纤技术的应用领域都有哪些？信息获取：信息传输：信息处理：其他应用：广告显示牌、激光手术刀、仪表照明、工艺装饰、电力输送、光纤面板医用内窥镜、潜望镜5.按照光受被测量调制形式的不同，光纤传感器可以分为哪些类型？(a) 强度调制型光纤传感器(b) 偏振调制型光纤传感器(c) 频率调制型光纤传感器(d) 相位调制型光纤传感器(e) 波长调制型光纤传感器(f)分布式光纤传感器（多点）6.光源有哪些主要类型，按照光纤在传感器中的作用可以把光纤传感器分为哪几类？光源类型：半导体激光二极管或称激光器(LD) 发光二极管或称发光管(LED) 分布反馈激光器(DFB - LD)(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器(c) 拾光型光纤传感器7.常见的光纤光栅有哪两类，分别的技术特点是什么？一般实际应用中，均按光纤光栅周期的长短分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅两大类。
周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。
传感器技术及其应用复习基础知识
第1章 传感器基础知识1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准对传感器的定义是：“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和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。
②传感器：能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。
③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。
④变送器：能输出标准信号的传感器关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
第二章:传感器特性 何谓传感器的静态特性，传感器的主要静态特性有哪些? 静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。
主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
(1) 线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
(2) 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。
其定义为输出量的增量Δy 与引起该增量的相应输入量增量Δx 之比。
它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S 值越大，表示传感器越灵敏.(3) 迟滞传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。
传感器原理复习总结
1.传感器的作用传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。
传感器所检测的信号品种极其繁多。
为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。
电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。
2.传感器（Transducer或Sensor）定义：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成”。
传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测器。
从定义中可看出传感器有两个功能：既敏感和变换。
3. 传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。
4.传感器的输出—输入关系特性就是传感器的基本特性。
传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态时（静态的输入信号）的输出—输入关系。
5衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。
6线性误差(Linearity Error)线性误差是指在规定条件下（利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试）得出输出--输入特性曲线与拟合直线(fitting straight line)间最大偏差与满量程F·S—full span）输出值的百分比称为线性误差7灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量（增量）与输入变化量（增量）的比值，即K=输出变化量/输入变化量=ΔY/ΔX灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。
在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。
8. 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力9，是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测量无关的、不需要的变化。
漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。
10.准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。
11传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，输出对输入的响应特性12传感器的发展趋势1）开发新型传感器2）开发新材料3）新工艺的采用4）集成化、多功能化5）智能化第二章光电式传感器1.将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。
传感器原理与应用复习要点
第一章传感器的一般特性1.传感器技术的三要素。
传感器由哪3部分组成?2.传感器的静态特性有哪些指标?并理解其意义。
3.画出传感器的组成方框图,理解各部分的作用。
4.什么是传感器的精度等级?一个0.5级电压表的测量范围是0~100V,那么该仪表的最大绝对误差为多少伏?5.传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些?灵敏度、非线性度?第二章应变式传感器6.应变片有那些种类?金属丝式、金属箔式、半导体式。
7.什么是压阻效应?8.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。
应变片桥式传感器为什么应配差动放器?9.掌握电子称的基本原理框图,以及各部分的作用。
10.电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应?11.半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。
第三章电容式传感器12.电容式传感器按工作原理可分为哪3种?13.寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响?解决电缆电容影响的方法有那些?14.什么是电容电场的边缘效应?理解等位环的工作原理。
15.运算法电容传感器测量电路的原理及特点。
第四章电感式传感器16.了解差动变压器的用途及特点。
17.差动变压器的零点残余电压产生的原因?第五章压电式传感器18.什么是压电效应?什么是逆压电效应?常用压电材料有哪些?19.压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号?为什么?20.压电传感器的前置放大器电路形式主要有哪两种?理解电压放大器、电荷放大器的作用。
第六章数字式传感器21.光栅传感器的原理。
采用什么技术可测量小于栅距的位移量?22.振弦式传感器的工作原理。
第七章热电式传感器23.热电偶的热电势由那几部分组成?24.热电偶的三定律的理解。
25.掌握热电偶的热电效应。
26.热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。
27.铂电阻采用三线制接线方式的原理和特点?28.采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的工作原理。
29.集成温度传感器AD590的主要特点。
光纤传感器基础
光纤的“传”与“感”
涂覆层 包层 纤芯
护套
光纤是用光透射率高的电介质
(如石英、玻璃、塑料等)构成
的光通路。它由折射率n1较大 的纤芯和折射率n2较小的包层 构成双层同心圆柱结构。
光是如何在光纤里传输的？ 光纤如何感知外界因素的变化？
主要内容
光纤传光原理 光纤传感器的定义 光纤传感器的分类
光是一种电磁波，光的电矢量E：
E Asin(t )
其中，A——电场E的振幅矢量；ω ——光波的振动频率；
φ——光相位，t——光的传播时间。
可调制的被测量：
光的强度、偏振态、频率、相位。
光纤传感器的原理
外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频 率、相位、偏振态等)变化，光纤传感器的原理就是 利用光纤的各种效应，通过强度、波长、频率、相 位和偏振态等调制，实现对外界被测参数的“传” 和“感”的功能。
光纤传光原理
光纤传光原理
在介质(纤芯)内产生连 续向前的全反射，直至 由终端面射出。
光纤传光原理
光纤传光原理
光由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实 现全反射的临界角(始端最大入射角)
空气 n0 2θc0
包层 n2 纤芯 n1
数值孔径NA——
衡量光纤集光性能的主要 参数。
光纤传感器的定义
将被测参量转换为 光信号参数的变化
光纤传感器的分类
光纤传 感器一 般分为 两大类
1、功能型传感器 2、非功能传感器
利用光纤本身特性，把光纤作 为敏感元件，所以也称传感型 光纤传感器。
利用其他敏感元件感受被测 量的变化，光纤仅作为光的 传输介质，所以也称传光型 光纤传感器。
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本章内容
2.1 光的本质 2.2 光的电磁特性 2.3 光的量子特性 2.4 光的干涉 2.5 光源非理想对干涉的影响 2.6 光程 2.7 光的衍射
惠菲原理
本章内容
2.1 光的本质 2.2 光的电磁特性 2.3 光的量子特性 2.4 光的干涉 2.5 光源非理想对干涉的影响 2.6 光程 2.7 光的衍射
(5)双缝间距变小,条纹间距变大;
(6)单缝沿x方向移动,条纹间距不变而整体移动
.
杨氏实验的光强分布
由波的干涉知
I I 1 I 2 2I 1 I 2c o,s
当δ杨=氏d 实则sin验θ 中= I±E k1λ4 0I 时=0Ec , I20=o 2 42 Is 0 ;所以( I1 = 2I(22=d kIs0i1)n2) I0 I
解:白光波长在390～750nm范围。明纹条件为
dsin θ＝土kλ
在θ＝0处，各种波长的光波程差均为零；所以各种波 长的零级条纹在屏x=0处重叠，形成中央白色明纹。
各种波长的同一级次的明纹，由于波长不同而角位 置不同，因而彼此错开，并产生不同级次的条纹的重叠。 在重叠的区域内，靠近中央明纹的两侧，观察到的是由 各种色光形成的彩色条纹，再远处则各色光重叠的结果 形成一片白色，看不到条纹。
惠菲原理
光具有波粒二象性
光不仅是一种电磁波，而且是一种粒子，是由光量子（光 子）组成，是以速度c运动的光子流。
能量、动量和质量
频率、波长和偏振
惠菲原理
光子的能量E
Ehf J
式中，h为普朗克常数， f 为光频。
光子的质量m
Emc2
从而得光子的运动质量为
m
E c2
hf c2
惠菲原理
光子的动量p
pmchc2f•chcf
最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫 光。
最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫 光。
k红（ k1)紫
k 紫 1.08 红 紫
因k取整，所以k=1. 故，从紫到红排列清晰可见光谱只有正负各一级。
本章内容
2.1 光的本质 2.2 光的电磁特性 2.3 光的量子特性 2.4 光的干涉 2.5 光源非理想对干涉的影响 2.6 光程 2.7 光的衍射
I 4I1I1 I2
Imin
-4 -2 0 2 4
-4 -2 0 2 4
衬比度差 (V < 1)
衬比度好 (V = 1)
决定衬比度的因素：
振幅比，光源的单色性，光源的宽度
干涉条纹可反映光的全部信息（强度，相位）
衍射图样
例: 用白光作光源观察双缝干涉。设缝间距为d，试 求能观察到的清晰可见光谱的级次。
光的干涉
光波在空间某点相遇叠加后，合光强发生了 强度重新分布，出现了亮暗相间的条纹，这种现 象称为光波的干涉。
光干涉的必要条件
相干光
惠菲原理
普通独立光源产生干涉现象的方法
(1) 分波面法 (2) 分振幅法
分波面与分振幅
杨氏双缝实验
惠菲原理
杨(T.Young)在1801年首先发 现光的干涉现象，并首次测 量了光波的波长。
一、光的非单色性
1、理想的单色光
2、实际光束：波列 准单色光
I I0
E(t)波e列x长piL(=0t)c,2t
2
E(t)0,其 它 时 间
I0
2
0
0
:谱线宽度
准单色光：在某个中心波长（频率）附近有
r2
x
d
0
D
d >> ，D >> d （d 10 -4m， D1m）
波程差：r2r1dsindtgdD x
相位差： 2π
r1 P ·x x
d
r2
0
x
x0
x
d
x D
I 2π
D
明纹： 2kπ, k0,1,2,
k, xk kD d
暗纹： (2k1 )π ， k0,1 ,2, (2 k 1 )2,x (2 k 1 ) (2 k 1 )2 D d
杨氏双缝实验——第一个 判定光性质的关键性实验
线光源 分波振面法获得相干光
杨氏双缝实验结果
（1）当平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明纹，向两 侧分布明暗相间的条纹；
（2）单色光条纹间距 x。
k=2 1 0 1
（3）对于复色光，
明条纹有色散，内侧紫，外侧红；
光束
杨氏双缝实验原理分析
单色光入射
r1 P ·x
条纹间距：
x
D d
x
一级明纹 零级明纹k=0 一级暗纹
D
x明 k d
D
x暗(2k1) 2d
一级暗纹
x暗D 2d
k=0,1,2,3... (k0)
杨氏双缝实验条纹特点
(1) 一系列平行的明暗相间的条纹； (2) 不太大时条纹等间距； (3) 中间级次低； k=0 为中央明纹;
(4) x 白光入射应为彩色条纹;
c2.997 1980 m 4 /s
惠菲原理
电磁波
真空中，光波波长 0 ，光频率f 和光速c的关系为
c 0 f
在折射率为n的介质中，
v c n
v c 0
f nf n
本章内容
2.1 光的 2.5 光源非理想对干涉的影响 2.6 光程 2.7 光的衍射
光子的偏振态
光子具有两个独立的偏振态，对应于光波场振幅矢量的 两个独立偏振方向。
本章内容
2.1 光的本质 2.2 光的电磁特性 2.3 光的量子特性 2.4 光的干涉 2.5 光源非理想对干涉的影响 2.6 光程 2.7 光的衍射
惠菲原理
光的叠加原理
多个光波在空间一点相遇时，会发生波的叠加， 相遇点处的合振动是各个波单独产生的振动的矢量 和。即各个波独立地产生作用，不会因为其他波的 存在而受到影响，保持自身原有的波动特性。
惠菲原理
1864年，麦克斯韦在经典电磁理论基础上， 把光学现象和电磁现象联系起来，指出光是 一种电磁波，即光频范围内的电磁波。
光波
惠菲原理
电磁波
电磁波在介质中的传播速度v取决于介质的介电常数 和 磁导率 ，关系式为：
v 1
当电磁波在真空中传播时，速度为c
c 1 00
在真空中，=8.8542×10-12C2/N·m2, =4π×10-7N·s2/C2,得
光强曲线
4I0
-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x -2 x -1 0
x1
x2
x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
红光入射的杨氏双缝干涉照片 白光入射的杨氏双缝干涉照片
条纹衬比度（对比度，反衬度，contrast）
V Imax Imin Imax Imin
I I1 I2 Imax