光学电场传感器的研究_章超重点

微型电场传感器在工频电场测量中的应用研究仝杰;雷煜卿;刘国华;王鹤;金学明;杨鹏飞;彭春荣【摘要】该文基于高性能的MEMS电场敏感芯片研制出一种新型的工频电场测量系统.针对芯片调制被测电场后其输出信号的特征,采用正交相关检测原理提出一种可抑制背景干扰噪声的工频电场解调算法,设计出小型化、空间分辨力高的工频电场测量探头,并在基础上提出MEMS工频电场测量系统的系统级设计方案,成功实现了MEMS电场敏感芯片输出信号的无线采集、滤波、以及电场信号的高精度解调.高压输电线路下工频电场测量结果表明,MEMS工频电场测量系统与传统电场测量仪的测量结果具有良好的一致性.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2018(040)012【总页数】6页(P3036-3041)【关键词】电场传感器;工频电场;正交相关检测【作者】仝杰;雷煜卿;刘国华;王鹤;金学明;杨鹏飞;彭春荣【作者单位】中国电力科学研究院有限公司北京 100192;中国电力科学研究院有限公司北京 100192;北京智芯微电子科技有限公司电力芯片设计分析实验室北京100192;北京智芯微电子科技有限公司北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心北京 100192;北京智芯微电子科技有限公司电力芯片设计分析实验室北京 100192;北京智芯微电子科技有限公司北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心北京 100192;北京智芯微电子科技有限公司电力芯片设计分析实验室北京 100192;北京智芯微电子科技有限公司北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心北京 100192;北京中科飞龙传感技术有限责任公司北京100083;北京中科飞龙传感技术有限责任公司北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TP212.11 引言电场探测技术在电力行业中不可或缺，已经成为一种非常有效的科学研究和测量手段。

精确地测量电力设备周围空间电场及变化，对电力设备的设计制造和安全运行具有非常重要的意义。

光的极化与偏振光作为一种电磁波，在传播过程中有着特定的振动方向和方式，我们称之为光的极化与偏振现象。

在本文中，我们将探讨光的极化现象背后的原理及其在实际应用中的重要性。

一、光的极化原理光的极化是指光波电场振动方向的特性。

通常，光的电场矢量可以在垂直于光传播方向的平面内进行振动，我们将这个平面定义为光的偏振面。

而光的极化方式则取决于电场矢量的振动方向，可以分为线性极化、圆偏振和椭圆偏振三种。

1. 线性极化：线性极化是指电场矢量沿着同一直线上的振动，可以是垂直于偏振面的竖直方向或者平行于偏振面的水平方向。

线性极化光可以用于光学器件的传感、通信等领域，如偏振片、偏振镜等。

2. 圆偏振：圆偏振是指电场矢量在一个平面内以圆形轨迹旋转，可以分为顺时针和逆时针两种方向。

圆偏振光常用于光学显微镜、光学旋光仪等领域。

3. 椭圆偏振：椭圆偏振是指电场矢量在一个平面内沿着椭圆轨迹振动。

椭圆偏振光可以通过改变振动方向和振幅来实现对光的调控，广泛应用于激光技术、光学测量等领域。

二、光的极化的应用光的极化现象在许多领域都有着重要的应用价值。

以下是其中几个典型的应用：1. 光学显微镜：在光学显微镜中，通过使用偏振器和偏光镜，可以使只有特定偏振方向的光通过样本，增强图像的对比度，减少背景噪声，从而获得更清晰的显微图像。

这种技术在生物学、医学等领域中得到广泛应用。

2. 光通信：光通信是一种使用光信号传输信息的技术，其中光的极化起着至关重要的作用。

通过控制光的极化方向，可以实现光信号的编码和解码，提高传输效率和安全性。

3. 光学传感器：光学传感器利用光的特性来测量或检测物理或化学量。

例如，通过测量偏振状态的改变，可以用于检测材料应力、压力、温度等参数变化，广泛应用于工程、环境监测等领域。

4. 激光技术：激光是通过电磁辐射产生一种具有高强度、相干性和直线传播特性的光束。

激光的极化特性对于很多激光设备和应用至关重要，如激光加工、激光雷达等。

《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。

8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。

光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。

光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。

8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。

答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。

它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。

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。

8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。

答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。

因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。

光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。

8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。

8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。

8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。

8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。

8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。

答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。

应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。

8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。

光电传感器应用技术答案【篇一：传感器课后答案】是传感器？传感器定义为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，通常由敏感元件和转换元件组成。

1.2传感器的共性是什么？传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。

1.3传感器由哪几部分组成的？由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。

1.4传感器如何进行分类？（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。

（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。

（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。

（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。

（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。

（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。

1.5传感器技术的发展趋势有哪些？（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理第2章传感器的基本特性2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是指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。

主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。

2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。

常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。

物理必修三第九章知识点梳理物理必修三的第九章是重要的一章，涉及到从电磁原理到光学原理的许多内容。

本章的主要讨论的重点是电磁场的物理和物理原理。

本章小结涉及到以下几个知识点：首先要搞清楚电磁场的定义及其属性。

电磁场是一个场，其中的能量由局部的电场和磁场组成。

电场是一种由电流或静电场产生的变量量，磁场是由磁通量产生的变量量。

电磁场可以产生推力作用，是一种有趣的能量场，能影响到电荷的运动方式。

其次是电磁场的产生机理，对于电磁场的产生机理有以下理论：一是电荷的移动，通电的导体中的电荷的移动会产生电磁场，既能影响到电荷运动，又能影响到周围物体。

二是电磁感应现象，电磁感应现象是指电磁场产生时，可以改变电偶极子的磁场强度，产生电磁感应电动势。

三是高频电磁波，高频电磁波是指超过一定频率的电磁波，它具有较强的透射能力，可以用来传播信息。

第三要掌握电磁场的定律，电磁场的定律可以描述电磁场的基本特征。

其中最为重要的是电动势定律、磁动势定律、电磁感应定律、牛顿-曼定律等。

电动势定律是指电场中电子的受力关系，磁动势定律是指电磁场中磁通量的受力关系，电磁感应定律是指电磁场的变化对其他物体的影响，而牛顿-曼定律是指电荷受到电磁场的作用下，会有一个力，该力可以把电子从一个区域向另一个区域转移。

同时要了解电磁场的用途，电磁场是能量传递的重要方式，已经广泛应用于日常生活中，如电辐射、磁性材料及电磁共振等。

电辐射是一种电磁波，它可以传播信息、同步电路，用来接收讯号或数据，并进行交流。

磁性材料也可以用来磁性传输，比如吸铁石的磁性将电流转换为磁通量，同时用来实现电磁铁的动力拉力。

电磁共振是指电荷受到电磁场的作用，可以产生共振现象，比如电磁阀可以由电磁场控制，进行开关控制。

最后要搞清楚光学原理，光学原理是由隐士纳兹等人在19世纪提出的，认为光是一种由电场和磁场产生的波，其实质是电磁场的振动，可以把热能转换为电场和磁场能量，也可以把电场和磁场能量转化为可见光。

纳米材料在光学传感器中的应用光学传感器是一种能够转化光信号为电信号以便测量物理量的传感器。

纳米材料作为一种新型材料，具有其独特的性质，已经广泛应用于光学传感器领域。

本文将详细介绍纳米材料在光学传感器中的应用，并探讨其优势和未来发展。

首先，纳米材料在光学传感器中的最主要应用之一是其对光的吸收、散射和透射的调控。

由于纳米材料具有较高的比表面积和量子尺寸效应，它们能够有效地操纵光的行为，如改变光的强度、频率和极化状态。

这使得纳米材料在光学传感器中可以用于增强光的灵敏性、选择性和响应速度。

例如，纳米颗粒可以用作增加光信号强度的增强剂，从而提高传感器的灵敏度。

同时，纳米材料的表面可以修饰成具有特定响应性的结构，从而使传感器能够选择性地检测特定目标。

最后，纳米材料的快速响应速度能够使传感器具备快速检测和响应的特点。

其次，纳米材料在光学传感器中的另一个应用是其在增强荧光和拉曼散射等荧光和光谱技术中的应用。

由于纳米材料具有较高的荧光强度和拉曼散射效应，它们能够提高传感器的信号强度和分辨率，并减少检测限。

因此，纳米材料广泛应用于光学传感器中的荧光探针、生物传感器和光谱传感器等领域。

例如，纳米颗粒可以被修饰成具有特定功能的探针，用于检测环境中的目标分子或细胞。

同时，纳米颗粒还可以用作标记物，用于追踪和定位特定细胞或生物分子。

此外，纳米材料还在光学传感器中应用于表面增强拉曼散射（SERS）和局域场增强光谱（LSPR）等技术中。

SERS是一种利用在金属纳米结构表面产生的局域电磁场增强拉曼散射信号的技术，可以提高分子的拉曼信号强度，并且具有高灵敏度和高选择性的特点。

纳米材料，尤其是金属纳米颗粒，具有较高的局域电磁场增强效应，因此被广泛应用于SERS技术中。

类似地，LSPR技术也利用纳米结构的局域电磁场增强效应，实现对物质的高灵敏度和快速响应的检测。

这些纳米结构可以通过调整其形状、大小和材料组成来实现对特定物质的选择性检测。

一、选择题1．电磁学的成就极大地推动了人类社会的进步。

下列说法正确的是（）A．甲图是某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式充电的原理图，无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”B．在乙图中，开关由闭合变为断开，则断开瞬间触头C马上离开触点C．在丙图中，钳形电流表是利用电磁感应原理制成的，它的优点是不需要切断导线，就可以方便地测出通过导线中交变电流的大小D．丁是电容式话筒的电路原理图，声波的振动会在电路中产生恒定的电流2．如图所示的电路可将声音信号转换为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接。

若振动膜a周期性振动，则（）A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变B．a振动过程中，a、b板所带电荷量不变C．a振动过程中，灵敏电流计中始终有方向不变的电流D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大3．位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑片P，通过电压表显示的数据，来反映物体M位移的大小x。

假设电压表是理想电表，物体M不动时，滑片P位于滑动变阻器正中间位置，则下列说法正确的是（）A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化C．物体M不动时，电路中没有电流D．物体M不动时，电压表没有示数4．下列关于传感器说法中不正确的是（）A．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它将压力大小转化为可变电阻，进而转化为电压信号B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断D．光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量5．图甲表示某压敏电阻的阻值R随所受压力变化的情况。

把这个压敏电阻与秤台、电池、电流表组合起来（图乙），用压敏电阻作为承重的载体，把电流表的刻度改为相应的质量刻度，就得到了一个简易电子秤。

光的电场强度光的电场强度是光学领域中一个重要的概念，它描述了光波中电场的强度和方向。

在本文中，我们将深入探讨光的电场强度的基本概念、特性和应用。

光的电场强度指的是光波中电场场矢量的强度。

光波是一种电磁波，由电场和磁场交替变化而产生。

在光学中，我们通常关注光波的电场分量。

电场强度的大小决定了光的亮度，而方向则决定了光的偏振状态。

光的电场强度可以用矢量来表示，具有大小和方向两个属性。

光的电场强度具有以下几个重要特性。

首先，光的电场强度是与时间和空间有关的。

光波中的电场随着时间和空间的变化而变化，这决定了光波的传播和干涉现象。

其次，光的电场强度是一个复数，包含了振幅和相位两个信息。

振幅决定了光的亮度，而相位则决定了光的相对偏移。

最后，光的电场强度遵循波动方程，可以通过数学模型来描述和分析。

光的电场强度在许多领域有广泛的应用。

首先，在光学通信中，光的电场强度用于传输信息。

通过调制光的电场强度，我们可以实现光纤通信和光传感器等应用。

其次，在光谱学中，光的电场强度可以用于分析物质的组成和结构。

通过测量光的电场强度随波长的变化，我们可以获得物质的光谱特征。

此外，在光学显微镜和激光技术中，光的电场强度可以用于观察和操控微观结构。

光的电场强度的研究对于理解光的本质和应用具有重要意义。

通过深入研究光的电场强度的特性和行为，我们可以更好地理解光的传播规律和干涉现象。

同时，光的电场强度也为光学技术的发展提供了理论基础和实验依据。

光的电场强度是光学领域中一个重要的概念，描述了光波中电场的强度和方向。

它具有时间和空间的依赖性，是一个复数，遵循波动方程。

光的电场强度在光学通信、光谱学和光学显微镜等领域有广泛的应用。

通过研究光的电场强度，我们可以深入了解光的本质和应用，推动光学技术的发展。

第２７卷第９期　２００６年９月　半导体学报　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ　ＶＯｌ＿２７　ＮＯ．９　

Ｓｅｐ．，２００６　

两种热驱动结构在微型电场传感器中的应用＊　叶　超　陈贤祥　彭春荣　陶　虎　夏善红　（１中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京　１０００８０）　（２中国科学院研究生院，北京　１０００３９）　

摘要：设计并制备出两种新型电热驱动微型静电场传感器．一种利用了ｖ型梁阵列作为驱动结构，另一种引入了　位移放大机构．针对传感器的弱电流输出信号，建立了基于锁相放大器的测试系统对两种传感器的输出信号进行　检测．测试结果表明，两种传感器都具有线性的输出特性，且带有位移放大机构的电场传感器具有更高的灵敏度．　

关键词：热驱动结构；Ｖ型梁阵列；位移放大机构；电场传感器　ＥＥＡＣＣ：２５６０　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５３．４１７７（２００６）０９．１６７２．０４　

１　引言　电场测量在气象研究、航空航天、电力系统等领　域有着广泛的应用＿１￣３］．现有电场传感器主要分为　光学式电场传感器＿４　和电荷感应式电场传感器．　电荷感应式电场传感器包括双球式电场传感器ｌ＿６］、　火箭式电场传感器ｌ＿７］、场磨式电场传感器Ｌ　和基于　微加工技术的微型电场传感器．与常规的电荷感应　式电场传感器相比，基于微加工技术的微型电场传　感器具有明显的优势：质量小，更有利于对高空或外　太空进行测量；体积微小，能用于测量电场分布的细　节；另外将微型电场传感器与其他传感器如温度传　感器、压力传感器、湿度传感器等集成在一起也相对　容易．因此基于微加工技术的微型电场传感器有着　广阔的应用前景．目前基于微加工技术的微型电场　传感器主要包括静电驱动电场传感器ｌ＿９　、压电驱　动电场传感器＿１　以及热驱动电场传感器＿１　．与静电　驱动相比，压电驱动和电热驱动方式具有更低的驱　动电压．　相比以前的热驱动电场传感器，本文改进了设计　方案，采用了Ｖ型梁阵列作为驱动结构，这种阵列结　构可以在较低的驱动电压下产生较大的驱动力，另　外，其中一种传感器还引入了位移放大机构，这种放　大机构的引入，显著地提高了传感器的灵敏度．　２传感器工作原理　２．１电荷感应原理　电场传感器工作基于导体在电场中感应电荷的　＊国家自然科学基金资助项目（批准号：９０２０７００６）　’通信作者．Ｅｍａｉｌ：ｓｈｘｉａ＠ｍａｉｌ．ｉｅ．ａｃ．ｃｎ　２００６．０１—１７收到，２００６．０２．１４定稿　原理，如图１所示．传感器的屏蔽电极与正负感应电　极均为导电的多晶硅材料，当屏蔽电极向右振动，正　感应电极会部分暴露于外电场之中，正感应电极上　的感应电荷会增加．同时屏蔽电极会遮挡负感应电　极的部分面积，负感应电极上的感应电荷会减少，当　屏蔽电极周期性振动时，正负感应电极上就会产生　大小相同，方向相反的感应电流，利用差分检测电　路，就可以检测出感应电流的大小，从而实现外电场　的探测．