光电检测技术试题.docx

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光电检测技术试题

光电检测技术

[填空题]

1光电效应包括（）、（）。

参考答案：

内光电效应；外光电效应

[填空题]

2可见光波长范围（）。

参考答案：

380~780nm

[填空题]

3描述辐射强度的量：

（）、（）。

参考答案：

光度学量；辐射度学量

[填空题]

4物体根据导电性能分为（）、（）、（）。

参考答案：

导体；半导体；绝缘体

[填空题]

5载流子在PN结中运动方式有（）、（）。

参考答案：

扩散；漂移

[填空题]

6光电池种类有：

（）、（）。

参考答案：

太阳能光电池；测量光电池

[填空题]

7光敏三极管的两个过程：

（）、（）。

参考答案：

光电转换；电流放大

[填空题]

8光电倍增管的组成：

（）、（）、（）。

参考答案：

阴极K；倍增极D；阳极A

[填空题]

9光热辐射检测器件包括（）、（）、（）。

参考答案：

热敏电阻；热电偶检测器件；热释电器件

[填空题]

10直接检测系统和光外差检测系统的基本特性：

直接检测系统（）；光外差检测特性（）

参考答案：

信噪比、通项带宽度、检测距离、视角；获得信息全部、转换增益高、良好流没特性、信噪比损失小、最小可检测功率

[填空题]

11光删副是由（）和（）组成。

参考答案：

主光栅；指示光栅

[填空题]

12光电效应

参考答案：

当物质受到光照射后，材料的电学性质（电导率改变，发射电子，产生感应电动势）发生变化的现象称为光电效应。

[填空题]

13导带

参考答案：

导带是半导体最外面（能量最高）的一个能带，是由自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。

[填空题]

14热电检测器件

参考答案：

由于入射光与物质相互作用的热效应而制成内光电检测器件。

[填空题]

15光电位置敏感器（PSD）

参考答案：

对位置的变化进行检测的器件。

[填空题]

16辐射热计效应

参考答案：

入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象。

[填空题]

17比较光电效应和光热效应的作用机理，性能及应用特点等方面的差异。

参考答案：

（1）作用机理：

①光电效应：

光照射到物体表面，使材料电学性质发生变化（电导率改变、发射电子、产生感应电动势）。

②光热效应：

光照使温度升高而引起性质改变。

（2）性能：

①光电效应直接把光子能量转变为光电子能量。

②光热效应将光能转变为晶格振动的热能。

（3）应用特点：

①光电对光波波长有选择性，响应速度快。

②光热无选择性，响应慢。

[填空题]

18外光电效应和内光电效应的区别是什么？

参考答案：

（1）外光电效应是指受到光照射后发射电子的现象

（2）内光电效应指收到光照射后，物质内部的电子能量状态改变，不发射电子

[填空题]

19辐射出射度和辐射照度的区别是什么？

参考答案：

（1）辐射出射度：

辐射体单体面的辐射通量或功率，是向外发射的辐射特性

（2）辐射照度：

投射到单位面积上的辐射通量，是接受的辐射特性

[填空题]

20简述光电检测系统的噪声。

参考答案：

噪声主要有三类：

（1）光子噪声包括：

A.信号辐射产生的噪声；

B.背景辐射产生的噪声。

（2）探测器噪声包括：

热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声；1/f噪声；温度噪声。

（3）信号放大及处理电路噪声在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。

[填空题]

21简述光电直接检测系统的组成及各部分的特点。

参考答案：

光发射机：

发射光信号；

光学信道：

光信息的传递；

光接收机：

接受光信息。

光源→强度调制器→光学天线→光学信道→接受天线及光电检测器→光电信号处理→回收的信息。

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[填空题]

22光电直流检测为什么又叫包络检测？

参考答案：

所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。

式中：

第一项为直流项。

若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，就是包络检测的意思。

[填空题]

23简述光外差检测系统的量子极限。

参考答案：

光外差检测系统电路中由于系统噪声的存在，使得入射光的信号变噪声限定。

[填空题]

24具有增益光电检测器的直接测量系统为什么存在一个最佳倍增系数？

参考答案：

当光检测器存在内增益（如：

光电倍增管）时当2M很大时，热噪声可忽略。

若光电倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。

在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。

[填空题]

25何为莫尔条纹？

参考答案：

莫尔条纹：

若两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光栅）互相重叠，并使它们的栅线之间形成一个较小的夹角，当光栅对之间有一相对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。

[填空题]

26试叙述光电检测系统的组成及特点。

参考答案：

传感器→信号变换器→输出环节

传感器：

从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的电参数。

信号变换电路：

完成信号的转换、滤波和放大。

[填空题]

27简述光电效应的工作原理。

什么是暗电流？

什么是亮电流？

参考答案：

暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。

光敏电阻两端加电压（直流或交流）。

无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。

[填空题]

28简述光热效应工作原理。

热电检测器件有哪些特点？

参考答案：

某些物质在受到光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。

特点：

（1）响应波长无选择性。

（2）响应慢。

[填空题]

29简述发光二极管的发光原理及半导体激光器的工作原理。

参考答案：

它们的结构简单说就是三明治的夹心结构，中间的夹心是有源区。

二者的结构上是相似的，但是LED没有谐振腔，LD有谐振腔。

LD工作原理是基于受激辐射、LED是基于自发辐射。

LD发射功率较高、光谱较窄、直接调制带宽较宽，而LED发射功率较小、光谱较宽、直接调制带宽较窄。

[判断题]

30、光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。

参考答案：

错

[判断题]

31、光敏电阻的是由于被光照后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长时间，而且，随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断减小，使得光敏电阻恢复被照前的阻值需要很长时间。

参考答案：

对

[填空题]

32简述光电耦合器件的工作原理？

参考答案：

光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。

[填空题]

33为什么需要将发光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件？

光电耦合器件的主要特性有哪些？

参考答案：

将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，即为光电耦合器件。

由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。

同时，它在信号传输速度、体积、抗干扰性等方面都具有传统器件所无法比拟的优势。

因此，在实际应用中它具有许多优点，被广泛应用于工业自动检测、自动控制、电信号的传输和处理及计算机系统等方面。

光电耦合器件的主要特性有：

（1）具有电隔离的功能；

（2）信号传输具有单向性；

（3）具有抗电磁干扰和噪声的能力；

（4）响应速度快；

（5）实用性强；

（6）既具有耦合特性又具有隔离特性。

[填空题]

34简述前置放大器噪声系数达到最小值的条件。

参考答案：

故前置放大器噪声系数达到最小值的条件是源电阻等于放大器噪声电压与噪声电流的比值时，即

。

[填空题]

35比较脉冲激光测距和相位测距的技术特点。

参考答案：

脉冲激光测距：

由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。

相位测距：

通过测量从测距仪器发出的连续调制光在待测距离上往返所产生的相位移来计算待测距离。

[填空题]

36有一光子探测器运用于相干探测。

假设入射到光混频器上的本振光功率PL=10mW，光混频器的量子效率η=0.5，入射的信号光波长λ=1μm，负载电阻RL=50Ω，试求该光外差探测系统的转换增益Pc/Ps=？

参考答案：

[填空题]

37试述多普勒测速原理。

参考答案：

当光（激光）照射运动物体或流体时，其反射光或散射光将产生多普勒频移，用它（即反射光或散射光）与本振光进行混频可测得物体或流体的速度。

[填空题]

38用射线理论简述光纤的导波工作原理。

参考答案：

NA定义为光纤的“数值孔径”，为衡量光纤集光性能的主要参数。

在光纤端面，只有入射角小于θc的光才能在光纤中传输。

[填空题]

39什么是单模光纤？

成为单模光纤的基本条件是什么？

参考答案：

单模光纤只能传输一种模式，纤芯直径仅几个微米，接近波长。

单模光纤的优点是没有模式散射，可利用波导色散抵消材料色散，以得到零色散。

同时，信息容量极大，可进行理论预测，可利用光的相位等。

但缺点是，芯径很小，因而使用不便。

[填空题]

40举例说明光纤中光波的各种调制技术。

参考答案：

光调制分为：

强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和光谱调制等。

[填空题]

41举例说明你说知道的检测系统的工作原理。

参考答案：

（1）光电检测技术在工业生产领域中的应用：

在线检测：

零件尺寸、产品缺陷、装配定位…

（2）光电检测技术在日常生活中的应用：

家用电器——数码相机、数码摄像机：

自动对焦---红外测距传感器

自动感应灯：

亮度检测---光敏电阻

空调、冰箱、电饭煲：

温度检测---热敏电阻、热电偶

遥控接收：

红外检测---光敏二极管、光敏三极管

可视对讲、可视电话：

图像获取---面阵CCD

医疗卫生——数字体温计：

接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器

办公商务——扫描仪：

文档扫描---线阵CCD

红外传输数据：

红外检测---光敏二极管、光敏三极管

（3）光电检测技术在军事上的应用：

夜视瞄准机系统：

非冷却红外传感器技术

激光测距仪：

可精确的定位目标

光电检测技术应用实例简介：

点钞机

（1）激光检测—激光光源的应用：

用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。

由于仿制困难，故用于辨伪很准确。

（2）红外穿透检测—红外信号的检测：

红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高，因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。

人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异，用红外信号对钞票进行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，利用这一原理，可以实现辨伪。

（3）荧光反应的检测—荧光信号的检测：

荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检测。

人民币采用专用纸张制造（含85％以上的优质棉花），假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出现荧光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为420－460nm的蓝光），人民币则没有荧光反应。

所以，用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映，可判别钞票真假。

（4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用：

主要是用于根据钞票经过此红外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器的运行状态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。

（5）喂钞台、接钞台传感器—红外对管的应用：

在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。

[填空题]

42什么是噪声和干扰？

什么是有用信号？

参考答案：

噪声是来自元器件内部粒子；而干扰是指其他的有害信号，有系统外部的，也可以有内部的。

有用信号指传递用户所需信息的信号，或是用来让接收设备收到信号后产生一个预先设定的动作的信号。

从物理角度看，噪声是由声源作无规则和非周期性振动产生的声音。

噪声为电子系统中任何不需要的信号。

噪声会导致信号质量下降以及精确测量方面的错误。

噪声包括固有噪声及外部噪声，这两种基本类型的噪声均会影响电子电路的性能。

外部噪声来自外部噪声源，固有噪声由电路元件本身生成，最常见的例子包括宽带噪声、热噪声以及闪烁噪声等。

干扰分3部分，干扰源、耦合通道和敏感对象。

在不同空间和时间尺度上偶然发生，不可预知。

[填空题]

43如何判断干扰？

如何避免干扰？

参考答案：

常见的信号的干扰有：

（1）器件工作的噪声干扰，比如说数字电路正负逻辑的转换导致的电磁场干扰，电搜索压电流变化产生的电磁场干扰。

（2）高频信号噪声干扰（串扰和回损），因为高频电路能产生强电磁场，产生感应信号。

（3）电源噪声干扰，现在大部分电源系统采用的都是开关电源，开关电路的高频开关动作会导致严重的高频噪声。

（4）地线噪声干扰，都知道只要是线就会存在电阻，当一条地线上挂有多个设备时，而且工作电流较大时，小电阻也会产生电位差，从而影响设备。

总之干扰无处不在，在设计电路或画PCB时可以考虑从3点处理，即屏蔽干扰源、切断耦合通道、保护敏感对象。

[填空题]

44什么是暗电流？

什么是亮电流？

参考答案：

暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。

光敏电阻两端加电压（直流或交流）。

无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。

[填空题]

45如下图所示的照明灯控制电路中，用CdS光敏电阻用作光电传感器，光敏电阻最大功耗为300mW，光电导灵敏度Sg=0.5×10-6S/lx，暗电导g0=0，若已知继电器绕组的电阻为5kΩ，继电器的吸合电流为2mA，电阻R=1kΩ。

试求：

（1）为使继电器吸合所需要的照度

（2）要使继电器在照度为3lx时吸合，应如何调整电阻Ro。

参考答案：

[填空题]

46光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？

光伏器件与光电导器件工作频率哪个高？

实际使用时如何改善其工作频率响应？

参考答案：

响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命有关，减小，则频率响应提高；其次，光电导器件的响应时间与运用状态也有光，例如，光照强度和温度的变化，因为它们都影响载流子的寿命。

光伏特器件的工作频率高于光电导器件。

要改善光伏器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有：

①减小负载电阻；

②减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；

③适当增加工作电压。

[填空题]

47为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增大？

硅光电池的最大开路电压为多少？

为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下的开路电压？

参考答案：

[填空题]

48硅光电池的内阻与哪些因素有关？

在什么条件下硅光电池的输出功率最大？

参考答案：

（1）极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。

（2）显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax。

[填空题]

49试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。

参考答案：

比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：

当没有光辐射时，二者的伏安特性曲线是一样的；当有光辐射时，则硅光电二极管的全电流为负值，特性曲线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。

但是硅整流二极管的伏安特性曲线不受光照的影响。

此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端所加正向电压必须小于0.7V，否则不能产生光电效应。

该值通常为负，即处于反偏状态；硅整流二极管两端所加偏压须为正，且要大于开启电压Uth值。

[填空题]

50比较2CU型硅光电二极管和2DU型硅光电二极管的结构特点，说明引入环极的意义。

参考答案：

[填空题]

51影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？

为什么PN结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于107Hz？

怎样提高硅光电二极管的频率响应？

参考答案：

（1）影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点：

1）在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间τdr，即漂移时间；

2）在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需的时间τp，即扩散时间；

3）由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间τRC。

（2）对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间τp是限制硅光电二极管频率响应的主要因素。

由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间τp很长，约为100ns，则其最高工作频率小于等于107Hz。

（3）1）减小PN结面积；

2）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深；

3）适当增加工作电压；

4）尽量减少结构造成的分布电容

5）增加PN结深，减小串联电阻；

6）设计选用最佳负载阻值。

[填空题]

52为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？

反向偏置的发光二极管能发光吗？

参考答案：

由于LED的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因此要求有非平衡载流子的相对运动，使电子由N区向P区运动，而空穴由P区向N区运动。

在不加偏加或加反向偏压的情况下，PN结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足以使LED发光。

因此，要使LED发光，必须加正向偏压。

[填空题]

53半导体激光器有什么特点？

LD与LED发光机理的根本*区别是什么？

为什么LD光的相干性要好于LED光？

参考答案：

半导体激光器体积小，重量轻，效率高，寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦。

其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以与之单片集成，并且还可用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。

由于这些优点，它广泛应用于光通信、光学测量、自动控制等方面。

LD的发光机理是激光工作物质的受激辐射，而LED发光的机理是非平衡载流子的复合发光。

由于LD的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的时间和空间相干性。

[填空题]

54光电耦合器件可以用在哪些方面？

为什么计算机系统常采用光电耦合器件？

参考答案：

光电耦合器件目前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其它光电、电子技术中得到了广泛的应用。

在计算机主体运算部分与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大提高传输中的信噪比。

[填空题]

55用光电耦合器件构成或门、或非门逻辑电路（要求画出电路图）。

参考答案：

[填空题]

56光电耦合器件在电路中的信号传输作用与电容的隔直传交作用有什么不同？

参考答案：

[填空题]

57给出了用光电耦合器件隔离的一种高压稳定电路，说明其工作原理及对该光电耦合器的要点。

参考答案：

[填空题]

58简述热电偶工作原理？

参考答案：

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应（Seebeckeffect）。

[填空题]

59为什么半导体材料常具有负温度系数？

参考答案：

热敏电阻是指电阻值随温度变化而变化的敏感元件。

在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数（PTC）热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数（NTC）热敏电热敏电阻器阻器。

负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。

[填空题]

60如图所示电路中，设电源电压为Ub=9V，光敏二极管的伏安特性曲线如图b所示。

光敏二极管上的光通量在0~150μlm变化。

若光通量在此范围内做正弦变化，要使输出交变电压的幅值为3V，求所需的负载电阻RL，并作出负载线。

参考答案：