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1、南京理工大学光电检测习题解答第1章1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理 。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 点钞机会使荧光字产生一定波长的激光，

2、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。用红外信号对钞票进行穿透检的真假。 人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异，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。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。并对机器的运行状发光及接收二极管所用的时

3、间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，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。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。2、如何实现非电量的测量？为实现非电量的电测量， 首先要实现从非电量到电量的变换， 这一变换是靠传感器来实现的。传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟数字变换后得到数字信号， 以便于微处理器或微控制器。 微处理器或微控制器是测控系统的设计传感器的接口电路。 从电子学的角度来看， 不同的传感器具有不同的电特性和需要

4、不同的驱动信号（也有的传感器不需要驱动信号） ，为取得更高的精度和最佳的性能，需要设计传感器接口电路。3、影响检测测量精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素有时最基本而且需要特别注意的？测量器具本身存在的误差。 环境因素， 如气温， 气压， 干燥程度， 震动， 磁场等。 人为因素，如视觉误差等等。 还有使用测量器具时的方法不得当造成的误差。4、什么是噪声和干扰？什么是有用信号？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。噪声为电子系统中任何噪声包括固有噪声

5、及外从物理角度看， 噪声是由声源作无规则和非周期性振动产生的声音。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 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。5、如何判断干扰？如何避免干扰？比如说数字电路正负逻辑的转换导致的电常见的信号的干扰有： （ 1）器件工作的噪声干扰，4）地线噪声干扰，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。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

6、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。6、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期？为什么要通过测量周期的方法来测量 低频信号的频率？ 采用多周期同步测量技术， 这种测量方法实际上是对信号周期进行测量， 信号的频率是经过 倒数运算求出来的。因而，从测频的角度，上述测量方法也称为倒数计数器法。数字频率计测量频率的原理：石英振荡器 1MHz标准脉冲信号，经过分频器分频为 1Hz周期 1s 的尖波信号接到控制门的控制端，被测信号通过放大整形变为正半波尖脉冲信号，接到 控制器的信号端； 第一个秒信号触发控制门打开， 尖脉冲通

7、过控制门， 第二个秒信号到来后 控制门关闭， 脉冲计数器记录两个秒信号间隔时间内通过控制门的尖脉冲个数就等于被测信 号的频率值。 数字频率计测量周期的原理： 采用上述方法测量低频信号时可能产生较大的误 差，因为第一个秒信号到来的时间是随机的， 计数器从开启到关闭可能多记一个或少记一个 数；因此， 为了保证低频信号测量的精度，可以用周期测量法：即用被测信号脉冲去控制门 电路的开启， 让标准时间通过控制门， 进入计数器进行计数， 这样计数器的值就等于一个被 测电压的周期内有几个标准时间脉冲通过， 相当于一个周期等于几个时间单位。 这就是为什 么要通过测量周期来测定低频型号的频率搜索的原因。8、试叙

8、述光电检测系统的组成及特点。 P6 组成：1）光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。2）光电变换 光电 /热电器件（传感器） 、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）3）电路处理放大、滤波、调制、解调、 A/D、D/A、微机与接口、控制。第2章P11 2.2.11、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？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

9、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。2、简述光生伏特效应的工作原理。为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速 度？答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应 .当用适当波长的光照射 PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一个正很短，所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。4、比较光电效应和热电效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。生变化， 或者产生感生电动势的现象。 光电效应实质上是入射光辐射与物质中

10、束缚于晶格的光子直接与电子相互作用的情况下， 其响应速度一般比较快。 按照是否发射电子， 光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光电磁效应等。吸收的光能变为晶格的热运动能量， 引起探测元件温度上升， 温度上升的结果又使探测元件 与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长），而与入射光辐射的光谱没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化率） 成分无关。 因为温度升高是热积累的作用， 所以光热效应的响应速度一般比较慢， 而且容易 受环境温度变化的影响。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测

11、热辐射计效应等第3章1、试说明为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时间响应越长，灵敏度越高。2、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何？ 3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为 什么？ 答：因为 p-n 结在外加正向偏压时， 即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有 光照时，光电效应不明显。 p-n 结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是 因为 p-n 结在反偏电压下产生的电流要饱和， 所以光照增加时， 得到的光生电流就会明显

12、增 加。4、在如图3-70所示的照明灯控制电路中，将题 3所给的CdS光敏电阻用作光电传感器5、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？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： 减小负载电阻； 减小光伏特器件中的结电容， 即减小光伏器件的受光面积；适当增加工作电压。6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升高而下降？影响光电倍增管工作的环境因素有

13、哪些？如何减少这些因素的影响？ 温度升高时， 半导体的导电性将发生一定的变化， 即少数载流子浓度随着温度的升高而指数 式增大， 相对来说多数载流子所占据的比例即越来越小， 这就使得多数载流子往对方扩散的 作用减弱， 从而起阻挡作用的 p-n 结势垒高度也就降低。 从 Fermi 能级的变化上来理解： 温 度越高，半导体 Fermi 能级就越靠近禁带中央（即趋于本征化） ，则两边半导体的 Fermi 能 级之差也就越小，所以 p-n 结势垒高度也就越低，也就是开压降低。光电倍增管的响应度受多方面的因素影响， 比如：偏置电压的高低、 环境光和温度变化等多 方面因素的影响。 无光时光电倍增管对光的响

14、应度更趋于平稳， 使实验数据也更具有可靠性。因此，无光环境是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要因素之一。光电倍增管工因此不稳定的工作温作时由于阴极材料发热， 这样对光电倍增管的响应度产生较大的影响，少热电子发射 , 从而降低暗电流。另外 , 光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。7、分析光电信号输出电路工作原理。试以光电导器件为例，说明为什么光电检测器件的工 作波长越长，工作温度就越低？P448、简述发光二极管的发光原理及半导体激光器的工作原理。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。调制带宽较窄。9、试判别下列结论，正确的在括号里填写 T,错误的则填写 F:1）光电

15、导器件在方波辐射的作用下，其上升时间大于下降时间。2）光敏电阻的阻值与环境温度有关， 温度升高时光敏电阻的阻值也随之升高。 （ T ） （ 3）而且， 随着复合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， 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。10、简述光电耦合器件的工作原理？ P51 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。11、利用光敏电阻等器件设计楼梯内的节能灯控制电路及测量应用中的自动增益控制电路。12、试分析图3

16、-72（a），（b）所示的放大电路中，光敏电阻 Rp的作用。答：(a)无光照时，Rp阻值很大，即同相反馈支路的反馈电阻很大，输出电压高。光强增 加f,使得RpJ,使得同相反馈支路阻值减小，输出电压下降。RpJ,使得(b)无光照时，Rp阻值很大，输入近似开路，输出电压低。光强增加f,使得 输入信号进入,输出信号增大。13、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？14、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？2)显然,存在着最佳负载电阻1)极电容

17、,串接电阻,串接电阻越小越好。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。(2) 特点：自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率,且当负载为最 佳负载电阻时具有最大的输出功率, 但是自偏置电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的 线性关系很差, 因此在测量电路中好少采用自偏置电路。 反向偏置电路： 光生伏特器件在反 向偏置状态, PN 结势垒区加宽,有利于光生载流子的漂移运动,使光生伏特器件的线性范零偏置电路：围加宽,因此反向偏置电路被广泛应用到大范围的线性光电检测与光电变换中。光生伏特器件在零伏偏置下, 输出的短路电流 Isc 与入射辐射量 (如照度)

18、或线性关系变化, 因此零伏偏置电路是理想的电流放大电路。16、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。当没有光辐射时, 二者的伏安答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知： 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,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。17、写出硅光电二极管的全电流方程，说

19、明各项的物理意义。18、19、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1 ）在PN结区内产生的光生载流子渡越（1） 影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点： 结区的时间T dr,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T P,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T RC（2）对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间T P是限制硅光电二极管频率响应最高工作频率小于等于 107Hz。用最佳负载阻值。20、为什么说

20、发光二极管的发光区在 PN结的P区？这与电子、空穴的迁移率有关吗?答：对于PN结注入发光的发光二极管，当 PN结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。当加正向偏压时， PN 结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主由N区向P区运动，而空穴向 N区运动。但由于电子的迁移率 ？N比空穴的迁移率？卩高20倍左右，电子很快从 N区迁移到P区，因而复合发光主要发生在 P区。21、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？答：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

21、空穴由P区向N区运动。在不LED发光。因此,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 要使LED发光，必须加正向偏压。22、发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？ 发光二极管的发光光谱由材料的种类、 性质及发光中心的结构决定， 而与器件的几何形状和封装方式无关。无论什么材料制成的 LED,都有一个相对光强度最强处（光输出最大） ，与度，也称半功率宽度，它是一个反映 LED单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性越 好，发光功率集中于半谱线宽度内。23、产生激光的三个必要条件是什么？ 答：产生激光的三个必要条件是： （1）必须将处于低能态的电子激发或

22、泵浦到较高能态上去，3）有一个谐振为此需要泵浦源； （2）要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗； 腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。24、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?答：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，

23、发射角小，因此 有很好的时间和空间相干性。25、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?答：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，在实际自动控制、电信号的传输和处理及计应用中它具有许多优点， 被广泛应用于工业自动检测、耦合特性又具有隔离特性。第二阶段：器件依赖某种温度敏感特性把辐射引起的温度变化转化为相应的电信号,而达到答：光电耦合器件目前在

24、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。其具体应用实例可参见教材小节所述。 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。2829、30、简述半导体激光器的工作原理。它有哪些特点?原理：半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件:(1)要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数;(2)有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡;(3)要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导

25、体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。32、热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应?第一阶段：器件吸收光辐射能量而使自身温度发生变化,光辐射探测目的, 第二阶段能够产生热电效应33、34、简述热电偶工作原理？热电检测器为什么只能检测变幅射信号?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，当两端存在温度梯贝克效应（Seebeck effect ）。35、为什么半导体材料常具有负温度系数?热敏电阻是指电阻值随温

26、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、氧化钻、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。第四章 1：总结不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。答：不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。2:如

27、图所示电路中，设电源电压源为 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 0-150卩Im变化。若光通量在此范围内做正弦变化，要是输出交变电 压的幅值为3V，求所需的负载电阻 RL,并作出负载线。RL、3:已知某Si光电二极管的灵敏度为卩 A/卩W结间电导G茯s （微西），转折电压U0=10V, 入射光功率从 p=15卩W变到P =25卩W偏压Ub=50V。求最大输出功率时的最佳负载 输出电流 L、输出电压 U和输出功率 PL。5:光电倍增管偏置电路如图 4-22所示。光电倍增管的阴极积分灵敏度 SK=30卩A/lm，阳极 积分灵敏度 SA=10A/lm，阳极暗电

28、流Id=4卩A，输入电路是电阻 R=105Q和电容 C0和F的并联，阴极面积为 80mm2要求信号电流IL=10-4A，计算阳极噪声电流，负载电阻上的噪声 电压和信噪比。第五章 1：直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又称为包络检测？光检测器响应于光辐射强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， 度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。光检测器输出的电流为： 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，这 就是包络检测的意思。2：对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？声；B.背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声包括：热噪声；散粒

29、噪声；产生一复合噪声;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。 若综合上述各种噪声源， 其功率谱分布可用下图表示。 由图可见： 在频率很低时， 1/f 噪声起主导作用； 当频率达到中间范围频率时，产生复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在 1/f 噪声小、产生 -复合噪声为主要噪声的频术可抑制噪声的引入 白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可使信噪比（S/N）最大3：什么是直接检测系统的量子极限？说明其物理

30、意义。答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声，其他噪声可忽略时，此时信噪比为：该式为直接检测理论上的极限信噪比。 也称为直接检测系统的量子极限。 量子极限检测为检测的理想状态 。4：试根据信噪比分析具有内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。5：对于点检测光电系统，怎样提高系统的作用距离？第六章同的相干光在满足波前匹配条件下， 在光电探测器上进行光学

31、混频， 探测器输出的信号是两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。系统性能上： 直接探测系统检测方法简单，易于实现，可靠性高，但是不能改善输入信噪比，不适宜检测微弱信号； 光外差检测系统复杂，对光外差两输入信号有严格的空间条件和频率条件，但检测距离远，检测精度高，灵敏度高，是天然检测微弱信号的方法。统的转换增益 PIF/PS=?3: 试述实现外差检测必须满足的条件。束入射角偏斜0应满足关系0V入 0/L,其中入0是本振光波长，L是光电探测器光敏面尺 寸。4: 求光零差相干检测在输出负载 Rl 端的峰值信号功率 5 试述激光干涉测长的基本原理。答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。6: 如何实现干涉信号的方向判别与计数。种干扰因素的影响，可能使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反射移动。正、反方向移动均使干涉信号产生明、暗的变化） 若测量系统中没有判向能力， 则由光电检测器接收信号后， 由计数器所显示的计数值是测