1、光电检测技术A卷及答案电子科技大学二零 零九 至二零 一零 学年第 一 学期期 末 考试 光电检测技术 课程考试题 A 卷 ( 120 分钟) 考试形式: 开卷 考试日期 2010 年 6月29 日课程成绩构成:平时 20 分, 期中 0 分, 实验 分, 期末 80 分一二三四五六七八九十合计复核人签名得分签名一、计算(共28分,共3题)1、如图1所示,是转速测量系统,已知圆盘的孔数为N,光电探测器输出的脉冲信号频率为f,求转轴的转速n(单位为r/min)。(8分)图1 转速测量系统1、转轴的转速为:2、已知本征硅材料禁带宽度Eg1.2eV,求该半导体材料的本征吸收长波限;已知某种光电器件的
2、本征吸收长波限为1.4m,求该材料的禁带宽度。(8分)3、设被测距离最大范围为10km,要求测距精度为1,而各测尺的测量精度为1,试给出测尺的个数以及各测尺的长度和频率。(12分)三、简答题(共46分)4、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造成蛇形?(8分)5、光电导器件的响应时间(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?(8分)6、试问图2 (a) 和图2(b)分别属哪一种类型偏置电路?为什么?分别写出输出电压U0的表达式。(10分)(a) (b)图2 光敏电阻偏置电路7、如果硅光电池的负载为RL,画
3、出它的等效电路图,写出流过负载RL的电流IL方程及Uoc、Isc的表达式,说明其含义(图中标出电流方向)。(10分)8、光伏探测器的工作模式分为哪几种?为什么(分类依据)?他们的主要区别?(10分) 三、论述题(共26分)9、为什么说光外差检测方式是具有天然检测微弱信号的能力?(12分)10、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理(同时画出原理图)及工作过程(必须写出浓度表达式)。(14分)一、计算题1、转轴的转速为:2、 则长波限为:1.03um,材料的禁带宽度为:0.887ev3、被测距离最大范围为:10KM,所以最大尺子的量程至少为:10KM,此尺子能精确测到:10KM110m。因为要求测距
4、精度为1cm,尺子的测量精度为1,所以最小量程的尺子为:1cm/110m纵上述,测量至少需要两把尺子:一个L0=10KM,其对应的工作频率为:15KHZ另一个L0=10m,其对应的工作频率为:1.5107HZ二、简答题1、在微弱辐射作用下,光电导材料的光电灵敏度是定值,输出光电流与入射光通量成正比,即保持线性关系。光敏电阻做成蛇形,一方面既可以保证有较大的受光面积,一方面减小电极之间的距离,从而既可以减小载流子的有效极间渡越时间,也有利于提高灵敏度。2、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,
5、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。3、都属于共射极电路,(1) (2)4、硅光电池的工作原理和等效电路为下图:(a)光电池工作原理图 (b)光电池等效电路图 (c)进一步简化 (4分)从图(b)中可以得到流过负载RL的电流方程为: (1)其中,SE为光电池的光电灵敏度,E为入射光照度,Is0是反向饱和电流,是光电池加反向偏压后出现的暗电流。 (2分)当i0时,RL(开路),此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开
6、路时两端的开路电压,以VOC表示,由式(1)解得: (2).。(4分)当IpIo时, 当RL0(即特性曲线与电流轴的交点)时所得的电流称为光电流短路电流,以Isc表示,所以IscIpSeE (3)。(4分)从式(2)和(3)可知,光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比,而开路电压Voc与光照度的对数成正比。 5、光伏探测器的工作模式分为光电导工作模式和光伏特工作模式,它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压的开路状态,PN结型光电器件产生光生伏特效应,这种工作原理成光伏工作模式。当外回路采用反偏电压,即外加P端为负,N端为正的电压时。无光照时的电阻很大,电流很小;有光照时,电阻变小,电流就
7、变大,而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表看,PN结光伏探测器与光敏电阻一样,同样也具有光电导工作模式,所以称为光导工作模式。主要区别:器件处于光伏工作模式时,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;在光电导模式下,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于恒流源。三、论述题1、在外差探测中,因为信号光和本征光的功率分别:,而中频电流输出对应的电功率为:,其中为光电探测器的负载电阻。所以, (1)这里的横线是对中频周期求平均。在直接探测中,探测器输出的电功率为: (2)从物理过程的观点看,直接探测是光功率包络变换的检波过程;而光频外差探测的光电转换过程不是检波,而是一种“转换”过程,即把以
8、为载频的光频信息转换到以为载频的中频电流上,这一“转换”是本机振荡光波的作用,它使光外差探测天然地具有一种转换增益。为了衡量这种转换增益的量值,我们以直接探测为基准加以描述。为此令 (3)把(1)和(2)式代入(3)中得到: 通常在实际应用中,因此M1, M的大小和的量值有关。例如假定,那么在不同的值下,M值将发生明显变化。列举数值如表1所示:表1 M的大小和的量值PS(w)10-310-410-510-610-710-810-910-1010-11M110102103104105106107108从表1的数值举例中看出,在强光信号下,外差探测并没有多少好处,在微弱光信号下,外差探测器表现出十
9、分高的转换增益。例如,在PS=10-1010-11w量级时,M107108,也就是说,外差探测的灵敏度比直接探测将高107108量级,所以我们可以说,光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。2、原理和工作过程:光源1发出的光经单色器2后成为单色光,该单色光的波长应选为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS分成两束,分别通过待测溶液S2和参比溶液S1,并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收,而待测溶液对该波长的光有较强的吸收,因此,探测器PD1接收到的光强度I1即为入射光强度I0,而探测器PD2接收到的光强度I2取决于待测溶液的浓度。系统输出电压为: 式中,C0为比例常数;为PD1上产生的光电流;为PD2上产生的光电流;K1、K2为PD1和PD2的灵敏度,、为到达PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致,则K1K2,故上式可变为: 由于在忽略反射和散射的情况下,I1=I2,故 可见,最后输出电压即为溶液的吸光度值,亦即反映了溶液的浓度。 (5分) (8分)忽略此处.
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