光电检测考试笔记.docx
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光电检测考试笔记
1．光电检测器件和热电检测器件的比较。
答：
光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，响应波长有选择性，相应快；热电检测器件是将辐射能转换成热能，再将热能转换成电能的器件。
响应波长无选择性，相应慢。
2．简述光电池与光电二极管的区别。
答：
相同点：
均为光生伏特器件；
不同点：
光电二极管PN结面积小于光电池；
光电池无需偏压，光敏二极管一般在负偏压的情况下使用。
3．用图示的方法简述CCD的电荷转移过程。
4．简述光电检测电路设计依据及其设计要求。
答：
灵敏的光电转换能力
快速的动态响应能力
最佳的信号检测能力
长期工作的稳定性和可靠性
5．什么是二次调制，二次调制的具有哪些作用
6．对于扩散型PiN硅光敏二极管来说，i层主要起到了什么作用
答：
i层为高阻区，承受大部分外加电压，使耗尽区增大，展宽了光电转换的有效工作区域；提高了灵敏度；i层一般选择高电阻率的基体材料，提高了串联电阻，提高了击穿电压；提高了频率响应。
7．简述变像管和像增强管的工作原理及区别
工作原理：
都是光电阴极接收辐射，将光学图像转换为电子数密度图像，加有正高压的阳极起到了电子透镜的作用，使阴极发出的电子聚焦成像在荧光屏上，最终得到目标物的图像。
区别是：
变像管是将不可见图像转换为可见图像的器件，而像增强管是把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的光电成像器件。
8.探测器件在进行极为微弱的信号探测时，有时要放入液氮中使用，为什么
答：
载流子无规则的热运动造成的噪声称为热噪声。
当温度高于绝对零度时，导体或半导体中每一电子都携带着
的电量作随机运动，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。
其平均值为：
当
时，
而且，光电探测器件绝大多数都是半导体材料，受温度影响很大。
综上所述，当探测器件在对微弱的信号探测时，为了减少温度的影响，放入液氮中使用，是非常行之有效的办法。
9．简述光电池与光电二极管的相同点和区别。
相同点：
光敏二极管和光电池都是利用入射光照射到P-N结上产生光生伏特效应的器件；
不同点：
光电池结面积较大而光电二极管的结面积较小，光电池不需要加偏置电压而光电二极管需要通过施加负偏压提高灵敏度。
10.简述光电检测电路的组成及各部分的作用。
答：
光电检测电路由光电器件、输入电路和前置放大器组成。
光电器件把被测光信号转换成相应的电信号，而输入电路则是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大器的电路匹配。
光电器件输出的微弱电信号由前置放大器进行放大，前置放大器另一作用是匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。
11.以热敏电阻探测温度为例，分析热敏电阻典型桥路的输出电压变化
与热敏电阻温度变化
之间关系
电桥电路如图下所示，其中，
和
的其暗电阻分别为
和
，并且有
，
与
关系存在。
答：
当无外来辐射照射时，调节补偿电阻
，使电桥平衡。
此时
，电桥输出
。
当有辐射作用于热敏电阻
上时，升温
引起电阻的变化为
，此时平衡被破坏，开路输出电压为：
又由给出的已知条件，上式可以化简为：
可见输出电压与
成比例，并与负载电阻
有关。
11、光电导体的灵敏度大小取决于哪些因素为什么要把光敏电阻的形状制成蛇形在微弱的光照下，光电导和光强之间是什么样的关系
答:
光电导体的灵敏度可以用光电增益Ｇ表示：
。
光电导体的非平衡载流子寿命越快，迁移率越大，电极间距越小灵敏度越高。
（2分）
做成蛇形使电极间距ｌ变小，提高了光敏电阻的灵敏度。
（2分）
微弱的光照下，光电导和光强之间是直线性光电导关系。
（1分）
12、简述像点轴外偏移检测的像偏移法测位移的工作原理.
当将光束照射到被测物体时．用成像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过三角测量关系可以计算出物面的轴向偏移。
激光器发出的光线，经汇聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上。
物体移动或其表面的变化入射点沿光轴方向移动。
入射点处的散射光径接收透镜入射到（CCD或PSD）光电探测器上。
被测表面偏移
时，照明光点从
移到
，相应像点从
偏移到
，则
。
只要测出像点的横向偏移量A，即可计算出待测的物面轴向偏移
。
13.雪崩光敏二极管和光电倍增管的异同
答：
光电倍增管由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极、阳极组成，光入射到光电阴极产生电子发射，发射的电子在电场和电子光学系统的作用会聚加速到倍增极上，经N级倍增后，电子被放大N次，最后最阳极收集。
外形较大，多用于快速、精密微光测量的场合。
（3分）雪崩光电二极管与光电倍增管不同，是基于内增益机理，当所加的反向偏压足够大时，在结区产生一个很高的电场，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。
14.帧转移型面阵CCD的组成及工作过程
答：
该器件由相同像素数量的成像部分、存储部分和读出寄存器三个基本部分组成。
（2分）场正程期间（）图像的二维信号电荷被积累在成像区；场逆程期间（）通过加在成像区和存储区电极上的时钟脉冲使成像区的整场信号电荷快速转移到存储区；下一个场正程期间，成像区积累光生电荷生成下一场电像，存储区所存的上一场图像信号电荷在时钟脉冲作用下，在行逆程期间（12微秒）将一行光生电荷送进读出寄存器，从而使存储区内各行光生电荷向读出寄存器方向进一次；在行正程期间，在读出寄存器脉冲的驱动下，使一行信号电荷向输出结构依次转移，经输出极输出。
15.简单画出光电成像系统的原理方框图
16.在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点当辐射增强，该特点有何变化
答：
.微弱辐射作用下，输出光电流与输入辐射通量具有线性关系；辐射增强，呈抛物线光电导
17.画图说明用4象限光生伏特器件检测均匀光斑中心二维偏移量的检测方法。
器件的主要特点是什么画图说明激光三角法测量中PSD的作用。
PSD对入射到光敏面上的光位置敏感，对光斑的形状没有严格要求，光敏面无需分割
可以连续测量光斑在光敏面上的位置变化。
图像传感器与CCD图像传感器的主要区别是什么
答：
CCD以电荷耦合为基本特征，围绕信号的产生、存储、转移和读取来工作，以行为单位对信号进行读取。
CMOS的信号读取方式相对灵活，既可以以移位寄存器的形式以行为单位读取信号，也可以只输出某一行或某一列的信号，还可以输出某些点的信号。
20.说明热释电摄像管中斩光器的作用。
当斩光器的微电机出现不转或转速变慢故障时，会发生什么现象
答:
斩光器的主要作用是将恒定的辐射变为交变辐射作用在热释电器件上，当输入辐射恒定，而斩光器微电机不转或
转速变慢时，输出信号为零或很小。
21.单元光电信号的二值化处理方法有哪些，其各自有何特点
固定阈值法：
当输入光电信号高于固定电位Uth时，比较器输出高电平，即为1；否则输出低电平。
该电路简单可靠，但受光源的不稳定影响较大，需要稳定光源。
浮动阈值法：
阈值电压为从光源分得一部分光加到光电二极管上，光电二极管在适当偏压下输出与光源的发光度成线性变化的电压信号，以此信号作阈值，即可得到随发光强度浮动的阈值Uth。
将Uth加到比较器的反向输入端，将检测信号的输出加到电压比较器的同向输入端，在输出端得到的信号为随发光强度浮动的二值化信号，当被测信号高于阈值时输出高电平。
浮动阈值法避免了光电检测系统的精度受光源的稳定性的影响。
22.激光扫描系统的组成及测量原理
系统组成：
激光器、扫描阵镜、
透镜、物镜、接收器件
23.光栅莫尔条纹的产生原理及在位移测量中的作用和特点
两个光栅以一定角度相互重叠，产生的明暗交错的条纹就是光栅莫尔条纹。
光栅莫尔条纹具有位移放大作用、位移对应关系和误差平均效应。
24.光电导效应、光生伏特效应和光电发射效应有什么区别
25.简述光电倍增管的工作原理
26.为什么说受激辐射和分布反转是激光产生的必要条件
27.图示分析三相CCD的电荷耦合过程
28.分析如何使用微分法进行光电信号的二值化处理，并给出原理框图
【分析】
1.简述差动法双通道测量系统的工作原理，分析双通道测量系统比单通道测量系统相比有什么优点。
答：
差动法双通道测量系统工作原理：
光源发出的光借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道和测量通道并行传送，在基准通道放置具有已知透过率的标准样品，出射光经检测器件１接收作为参考信号，在测量通道放置待测样品，出射光经检测器件２接收并与参考信号比较处理，从而得到测量结果。
与单通道相比，双通道测量系统能够消除由于光源波动和温度变化带来的影响。
2.分析比较增量式编码器与绝对是编码器的异同点。
（１）增量式编码器图案均匀，光信号脉冲一样，可把任意位置作为基准点，从该点起将位移或转角按一定的量化单位检测，计量脉冲数即可折算成位移或转角。
零点可以任意予置，测量范围仅受计数器容量限制而与光学器件无关。
没有确定的测量点，断电则丢失当前位置，噪声的影响造成计数误差会逐渐积累，无法输出绝对位置信息。
（2分）
（２）绝对式编码器图案不均匀，光信号脉冲不一样，它是在可运动的光学元件的各位置坐标上刻制出表示相应坐标的代码形式的绝对地址，在元件运动过程中读取这些代码实现实时测量坐标的变化。
坐标固定，与测量前的状态无关，不需要运动时的位置重合；抗干扰能力强，无误差累积；切断电源信号消失，但通电后能恢复原状态；信号并行传送，不需要方向判别和可逆计数等。
可将任意位置取作零点时需进行一定的运算。
（3分）
3.分析热释电探测器的工作原理，并进一步说明为什么热释电探测器件要工作在居里温度以下
工作原理：
用交变的入射辐射照射热释电晶体，使得晶体的温度、晶体的自发计划以及由此因此的面束缚电荷均随入射辐射的频率变化而变化，如果频率较大，体内电荷来不及中和，结果就使得晶体在与极轴垂直的两端面间出现开路交流电压。
如果接上相应负载，就会在负载的两端产生交流信号电压。
（3分）
热释电器件的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度降低，升高到一定温度，自发极化就突然消失，这个温度称为“居里温度”。
在居里点以下，极化强度是温度的函数，热释电探测器件就是利用这点制造出的热敏类探测器。
即热释电探测器件要工作在居里温度以下。
4.火炮身管直线度测量系统主要由哪些部分组成分析如何进行身管内膛直线度的测量。
火炮身管直线度测量系统主要由激光器、光束准直系统和光电接收及处理电路组成。
激光器可采用氦氖激光器，激光器、接收器选用四象限光电池，固定在靶标上，两者分别放置于炮口和炮尾。
将激光束的强度中心作为直线基准，调整使其对准四象限光电池的检测中心，移动靶标，探测器件输出信号，信号处理后输入到记录器上记录不直度曲线。
7.如下图电路所示，简要说明如何使用光敏电阻实现路灯自动点熄控制
光敏电阻在光照强（白天）的时候电阻小、电路中电流变大，能驱动继电器，关闭路灯，在光照弱（晚上）的时候电阻大电路中电流变小，不能驱动继电器，继电器就会接通另一开关，从而打开路灯。
8.设计一直线度检测系统，画出简图，并叙述其工作原理。
9.使用相位法进行距离的测量，画出简图，并说明系统测距原理。
【设计】
六、设计题
1.某造纸厂生产的纸张为宽1米的长条状，需要切成长2米/张，根据下图裁纸机和浮动阈值二值化电路，试设计一个光电检测系统来实现，阐述其原理并画出系统示意图。
（a）浮动阈值二值化电路（b）裁纸机
答：
光源发出的光被分束镜分为两路，一路经履带边缘透过被光电检测器件接收变成电压信号Ui，成为浮动阈值电路的输入端，另一路直接进入阈值电路的光电转换器件转换成阈值电压。
当纸进入接收器视场时，光电器件输出光电流减小，引起输出电压的跳变，此时输出信号Uo为低电平，裁纸刀下落，纸切断后，器件又恢复照亮时的状态，输出信号Uo为高电平，裁纸刀抬起，如此反复，实现自动裁剪。
2.利用激光扫描测量法设计回转体直径检测系统，画出典型激光扫描检测系统原理图，说明检测原理、使用的器件和测量数学模型。
3.试说明脉冲法激光测距仪和相位法激光测距仪的测距原理，并选用适当的方法精确测量出两座建筑物之间的距离Ｌ，要求△Ｌ≈±５ｃｍ，绘制相应的原理框图，并简述其工作原理。
答：
4.根据实验课内容，试设计基于CCD器件的钢棒直径测量系统
5.运用所学知识，设计一套激光监听装置，要求在10米外用激光器照射房间玻璃，监听房间内谈话内容。
激光监听与声源定位系统是利用激光获得室内被监听对象内容及位置信息。
本文提出一种基于四象限探测器的设计方案，其工作原理为声源的振动引起玻璃表面的受迫振动，准直的激光光束经玻璃反射后产生载有声源振动信息的反射光，利用四象限探测器（QD）各象限的光积分关系分析反射光斑中心位置信息，并处理即可还原声音信息，可有效地消除背景光的干扰。
声波经过空气传播至窗户、水杯等玻璃物体时，会产生声压于玻璃表面，引起玻璃振动。
玻璃表面的反应只和直接作用在上面的局部声压成正比[5]。
因此利用激光束照射到玻璃表面时，受声波振动影响的玻璃会调制反射激
光。
激光监听与声源定位系统能够实现两个功能，对被监测的房间室内的还原，以及对声源位置的定位。
声音信息还原部分实质上是一台激光监听仪，它主要由激光器及其光机结构，四象限探测器及其驱动控制处理电路组成。
定位功能由三台激光监听仪和到达时差法定位模块两部分共同实现。
系统原理结构如图所示。
系统原理结构图
1、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。
（13分）
3、CCD测细丝直径d
3、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，为什么要把光敏电阻制造成蛇形
答：
在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。
因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即tdr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。
说明汽车光电式车速传感器的工作原理
LED
1.答：
汽车的光电式车速传感器的工作原料：
当遮光板不能遮断光速时，放光二极管的光射带光敏三极管上，光敏三极管的集电极中有电流通过，该管导通，这时三极管也导通，因此在S1端子上就有5V电压输出。
脉冲频率取决于车速，子车速为60km/h时，仪表绕性驱动轴的转速为637r/min，仪表软轴每转一圈，传感器就有20个脉冲输出。
说明汽车光电式转向盘转角传感器的设计原理
输出信号A
刷出信号B
5.答：
设计转向盘传感器时，将两个信号发送器通、断变换的相位角错开90度。
汽车直线行驶时，信号A处于通断状态（高电平）的中间位置，转向时，根据信号A下降沿外信B的状态;即可判断出转向的方向，信号A由断状态变为同状态（低电压）时，如果信号B为通状态，则为左转向；如果信号B为断状态，则为右转向。
根据下图的外差检测试验装置，说明其工作原理
CO1激光器
答：
这是外差检测的实验装置，光源是进过稳频的CO2激光器。
由分束镜把入射光分成两路：
一路经过反射的作为本振光波，其频率为fL；另一路经过偏心轮反射，并由透镜聚焦到可变光澜上作为信号光束。
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移，其频率为fs。
可变光澜用来限制两光束射向光电检测器的空间方向。
线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的干光，然后两束光垂直投射到检测器上。
、某生产线上需要设计一个产品尺寸自动光电检测分拣线，检测标准是：
对尺寸在一定范围内的产品视为合格品，超出该范围的产品视为不合格品。
请设计出满足上述功能要求的原理图，并对其结构、原理予以论述。
设计：
（自己选其中一种方案）
方案一：
原理：
利用光电传感器和继电器判别长度
缺陷：
物体移动速度的变化会影响检测结果的可靠性
方案二：
原理：
利用门电路检测物体的长度
不足：
继电器动作慢、体积大、寿命短
1、设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除光源的不稳定性因素的影响。
⑴绘出工作原理图。
⑵绘出原理框图。
⑶说明工作原理。
答：
⑴工作原理图
⑵原理框图
⑶说明工作原理：
①在装上被测样品4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。
②当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。
此时若移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平衡。
③光屏的移动由与之相连的指针机构9显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。
④这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。
2、主动红外报警电路如图所示，分析它的工作原理
答：
当光信号被阻挡时，光敏三极管处于截止状态，光敏三极管的集电极为高电平，即三极管基极为高电平，三极管饱和导通，三极管的集电极为低电平，驱动继电器J工作，使开关闭合，电路形成回路，晶闸管控制端有效，晶闸管导通，报警器正常工作。
S为复位键。
当有光信号时，光敏三极管处于导通状态，光敏三极管的集电极为低电平，即三极管基极为低电平，三极管截止，三极管的集电极为高电平，驱动继电器不工作，开关保持断开状态，晶闸管控制端无效，报警器不工作。
3、照明灯的光控原理图如图所示，分析工作原理。
答：
二极管D和电容C组成半波整流滤波电路，为光电控制电路提供直流电源；电阻R、光敏电阻和继电器绕组组成测光与控制电路；继电器常闭触头构成执行电路，它控制照明灯的开关。
光敏电阻在有强光照时（白天），电阻值降低，通过光敏电阻的电流增大，继电器工作，常闭触头断开，路灯熄灭。
当弱光照时，光敏电阻的电阻值很大，电路中的电流很小，而不足以驱动继电器工作，常闭触头保持，路灯点亮。
4
5、相机电子快门工作原理分析
答：
R1/RW1/RW2/R/C1/S组成电压比较器；R/RW2/C1/S组成充电电路，决定曝光时间；R2/D/M/T组成执行电路。
在初始状态，开关处于图中所示的位置，运放的反相输入端的电压高于同相输入端的电压，运放输出低电平，T截止，电磁铁不吸合，快门叶片闭合。
当按动快门的按钮S时，电容两端的电压不能突变，所以C两端的电压为零，运放的反相输入端的电压低于同相输入端的电压，运放输出高电平，T导通，电磁铁吸合，快门叶片打开，照相机开始曝光。
于此同时，电容C开始充电，运放反相输入端的电压开始上升，当电压上升至大于同相输入端电压时运放输出低电平，T截止，电磁铁失去吸合，快门叶片闭合，曝光结束。
6、设计一使用CCD面阵器件测量外径尺寸的光电检测系统，要求画出系统框图，并说明工作原理。
利用CCD进行工件尺寸测量的原理是根据工件成像轮廓覆盖的光敏单元的数量来计算工件尺寸数据。
如果在光学系统放大率为1/M的装置中，有：
式中：
L—工件尺寸；N—覆盖的光敏单元数；d—相邻光敏单元中心距离（±2d为图像末端两个光敏单元之间可能的最大误差）。
CCD测量系统由光学系统、图像传感器和微处理机等组成。
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