习 题
12-1 光纤传感器通常由哪几部分组成？
解答：光纤探头，光耦合器，调制解调器，转换电路
12-2 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？
解答：在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输时基于光的全内反射。光纤的折射率n1略大于包层的折射率n2,光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。
12-3 什么是功能型光纤传感器？试举例说明。
解答：功能型光纤传感器不仅作为光传播的媒介而且还充当敏感元件，将被测量转换成光信号的变化量。因为光纤既是电光材料又是磁光材料，所以可以利用克尔效应、法拉第效应等，制成测量强电流、高电压等传感器；其次可利用光纤的传输特性把输入量变为调制的光信号。因为表征光波特性的参量，如振幅(光强)、相位和偏振态会随着光纤的环境(如应变、压力、温度、电场、射线等)而改变，故利用这些特性便可实现传感测量。
12-4 光纤的主要特性有哪些？
解答：频带极宽：拥有极宽的频带范围，以GB位作为度量； 抗干扰性强：由于光纤中传输的是光束，光束是不会受外界电磁干扰影响； 保密性强：由于传输的是光束，所以本身不会向外幅射信号，有效地防止了窃听；传输速度快：光纤是至今为止传输速度最快的传输介质，能轻松达到1000Mbps；传输距离长：它的主减极小，在较大的范围内是一个常数，在许多情况下几乎可以忽略不计的，在这方面比电缆优越很多。
12-5 光纤数值孔径NA的物理意义是什么？对NA取值大小有什么要求？
解答：物理意义：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2?C的光椎角内，光纤才能导光。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。
12-6 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反射时入射光的最大入
射角θc的值。 解答：数值孔径NA?sin?C?1n0n1?n2 ，n1=1.46，n2?1.45，n0?1
22带入公式：sin?C=0.17 ，得到最大入射角为：?C?9.822
12-7 简述受抑全内反射光纤压力传感器的工作原理
解答：受抑全内反射光纤压力传感器，是典型的利用改变光纤轴向相对位置对光强进行调制的光纤传感器，。传感器由两根光纤组成，一根固定，另一根可随被测量变化垂直移动。两根光纤的相对端面是抛光面，并与光纤轴线成一足够大的角度θ，以便使光纤中传播的所有模式的光产生全内反射。当两根光纤充分靠近(中间仅有几个波长距离的薄层空气)，一部分光将透射进入空气层尔后进入输出光纤。这种现象称为受抑全内反射现象，它类似于量子力学中的“隧道效应”或“势垒穿透”。
12-8 根据图12-22和图12-23，说明半导体光吸收型光纤温度传感器的工作原理。
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图12-15半导体的禁带宽度 图12-16 半导体的光投射特性曲线
解答：由半导体物理知道，半导体的禁带宽度Eg随温度T增加近似线性地减小，如图12-22所示。因此半导体的本征吸收侧波长λg（λg=ch/Eg，式中c为光速，h为普朗克常数）随温度增加而向长波长方向移动。半导体的光透射特性如图12-23所示，图中T1 解答：在光纤多普勒血流速度传感器中，激光器产生频率为f0的光经分束器分成两束。其中被声光调制器（布拉格盒）调制成（f0-f1）的一束光射入探测器中；另一束频率f0为的光经光纤入射到血液中。由于血液里的红血球以速度v运动，根据光学多普勒效应，其反射光的频率为fs(fs=f0±Δf)。它与（f0-f1）的光在光电探测器中混频后形成（f1±Δf)的振荡信号，经频谱分析仪处理，可测量出Δf，带入式fs?f??1???v?es??c?中，即可得到血流速度v。信号光频率fs可能大于f0，也可能小于f0，取决于血流运动的方向。 12-10 简述偏振态调制光纤电流传感器的工作原理 解答：从普通物理学知道，当某些介质中传播的线偏振光受到沿光传播方向的磁场的作用时，线偏振光的偏振面会发生旋转，这一现象就是所谓磁光效应，通常称为法拉第旋转效应。偏振态调制型光纤传感器就是基于这一效应的具体应用。其中最典型的应用一例子是检测高压输电线电流的光纤电流传感器。偏振态调制型光纤电流传感器如图12-10所示，在高压输电线上绕有单模光纤。激光器发出的光束经起偏器变成线偏振光，通过显微物镜耦合进光纤。光纤中传播的线偏振光在高压输电线形成的磁场作用下，使偏 振面发生旋转。旋转的角度θ与磁场强度H及磁场中光纤的长度L成正比，即，??VHL 式中：V为菲尔德（Verdet）常数。载流长导线在离轴线距离为r处的空间磁场的磁场强度H，可以用安培环路定律计算得到H?I2? r 式中：I为载流导线通过的电流。 图12-10 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图 习 题 13-1 图像传感器的基本特点是什么？图像传感器有何用途？ 解答：（1）特点：光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、存储、传输、处理，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外光、x射线、红外光、微光和电子轰击等，广泛用于图像识别和传送，例如摄像系统、扫描仪、复印机、机器人的眼睛等。 （2）用途：固态图像传感器按其结构可分为3种：一种是电荷耦合器件（charge-Coupled Devices，简称 CCD）；第2种是MOS型图像传感器，又称自扫描光电二极管阵列（Self Scanned Phohodiode Array，简称SSPA）；第3种是电荷注入器件（charge Injection Device，简称CID）。目前前两者用得最多，CCD型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好；MOS型图像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单。 13-2 试介绍MOS光敏单元的工作原理 解答：CCD是按照一定规律排列的MOS电容器阵列组成的位移寄存器，CCD单元结构是MOS电容器。其中，金属为MOS结构的电极，称为“栅极”，半导体作为衬底电极，在两电极间有一层氧化物绝缘体，构成电容，但它具有一般电容没有的耦合电荷的能力。 13-3 CCD的电荷转移原理是什么？ 解答：设想在驱动脉冲的作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距为15μm~20μm。若两个相邻MOS光敏元所加的栅压分别为VG1 图13-3 电子转移示意图 13-4 简述CCD的工作原理。 解答：由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。 下面以图13-4的三相三位N沟CCD器件为例说明CCD的工作原理，其中，Ip（图中未画出）为输入电极，IG（图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，OP为输出极，Φ1、Φ2、Φ3为3个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为中，Φ1→Φ2→Φ3→Φ1，且3个脉冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。Φ1驱动1、4电极，Φ2驱动2、5电极，Φ3驱动3、6电极。 图13-4 三相三位N沟CCD器件的结构、驱动和转移示意图 t1时刻：Φ1=l，Φ2=Φ3=0；l、4势阱最深，2、5和3、6势阱为0。 t2时刻：Φ1=l/2，Φ2=1，Φ3=0；1、4势阱变为1/2，2、5势阱变为l，1、4势阱中的电子会向2、5势阱中移动。 t3时刻：Φ1=0，Φ2=2，Φ3=0；Φ1电极下的电子全部转移至Φ2电极下的2、5势阱中。 t4时刻：Φ1=0，Φ2=l／2，Φ3=1；Φ2电极下2、5势阱中的电子向Φ3电极下的3、6势阱中转移。 t5时刻：Φ1=0，Φ2=0，Φ3=1，Φ2电极下的电子全部转移至Φ3电极下的3、6势阱中。 如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷包直接输出。由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输 区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。 13-5 试对面阵CCD图像传感器进行分类，并介绍他们各自有何特点。 解答：1）、行传输。由行选址电路、感光区、输出寄存器组成。特点：有效光敏面积大、转移速度快、转移效率高。 2）、帧传输。由感光区、暂存器和输出寄存器三部分组成。特点：单元密度高、电极简单。 3）、行间传输。特点：感光单元面积小 ，密度高，图像清晰。但单元结构复杂。 13-6 CCD图像传感器有哪些主要性能参数？ 解答：调制传递函数；输出饱和特性；暗输出特性；灵敏度；光谱影响及背面照光；弥散；残像；等效噪声曝光量；动态范围；输出均匀特性。 13-7 为什么要求CCD器件的电荷转移效率要很高？ 解答：因为CCD中的每个电荷在传送过程中都有进行成百上千次的转移，因此要求转移效率必须达到99.99%~99.999%，以保证总转移效率在90%以上。CCD器件总效率太低时，就失去了实用价值，所以转移效率一定时，就限制了转移次数或器件的最长位数，故要求CCD器件的电荷转移效率要很高。 13-8 举例说明CCD图像传感器的应用。 解答：1）、计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。2）、光学信息处理：光学字符识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。 3）、生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。 4）、军事应用：导航、跟踪、侦查。 13-9 CMOS图像传感器的主要特点是什么？适用于什么场合？ 解答：CMOS技术可以将图像传感器阵列、驱动电路、信号处理电路、控制电路、模拟-数字转换器、改进的界面完全集成在一起，能够满足低成本、高性能、高集成度、灵巧的单芯片数字成像系统的应用需要。 习 题 14-1 什么是“大气窗口”？它对检测系统有什么意义？ 解答：红外线在通过大气层时有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术的应用特别重要，一般的红外探测仪都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 14-2 举例并说明红外传感器的工作原理。 解答：（1）热探测器。工作原理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 （2）光子探测器。工作原理：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象。 14-3 简述热成像仪的工作原理。 解答：红外摄像管是将被测物体辐射出的红外线，通过镜头接收，转换成电信号，经过电子信号处理系统放大处理后转成视频，在屏幕上显示出热像。热释电靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆以一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经光学系统成像在热释电靶上时，靶面吸收红外辐射，温度升高并释放出电荷。靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，而靶面各点的温度变化又与靶面的辐照度成正比。因此，靶面各点的热释电量与靶面的辐照度成正比。当电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，送视频放大器放大，再送到显像控制系统，在显像系统的屏幕上便可见到与物体红外辐射相对应的热像图。 14-4 简述焊接缺陷无损检测的工作原理。 解答：图14-4为两块焊接的金属板，其中图(a)焊接区无缺陷，图(b)焊接区有一气孔。若将一交流电压加在焊接区的两端，在焊口上会有交流电流通过，焊口将产生一定的热量，热量的大小正比于材料的电阻率和电流密度的平方。在没有缺陷的焊接区内，电流分布是均匀的，各处产生的热量大致相等，焊接区的表面温度分布是均匀的。而存在缺陷的焊接区，由于缺陷(气孔)的电阻很大，使这一区域损耗增加，温度升高。应用红外测温设备即可清楚地测量出热点，由此可断定热点下面存在着焊接缺陷。