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1、南京理工大學光電檢測課后習題答案 第1章 1、舉例說明你說知道的檢測系統(tǒng)的工作原理。 （1）光電檢測技術在工業(yè)生產領域中的應用： 在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定位… （2）光電檢測技術在日常生活中的應用： 家用電器——數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦---紅外測距傳感器 自動感應燈：亮度檢測---光敏電阻 空調、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶 遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管 可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD 醫(yī)療衛(wèi)生——數(shù)字體溫計：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器 辦公商務——掃描儀：文檔掃描---線陣CCD 紅外傳輸數(shù)據(jù)

2、：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管 （3）光電檢測技術在軍事上的應用： 夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術 激光測距儀：可精確的定位目標 光電檢測技術應用實例簡介 點鈔機 （1）激光檢測—激光光源的應用 用一定波長的紅外激光照射第五版人民幣上的熒光字，會使熒光字產生一定波長的激光，通過對此激光的檢測可辨別鈔票的真假。由于仿制困難，故用于辨?zhèn)魏軠蚀_。 （2）紅外穿透檢測—紅外信號的檢測 紅外穿透的工作原理是利用人民幣的紙張比較堅固、密度較高以及用凹印技術印刷的油墨厚度較高，因而對紅外信號的吸收能力較強來辨別鈔票的真假。人民幣的紙質特征與假鈔的紙質特征有一定的差異，用紅外信號對鈔票進

3、行穿透檢測時，它們對紅外信號的吸收能力將會不同，利用這一原理，可以實現(xiàn)辨?zhèn)巍? （3）熒光反應的檢測—熒光信號的檢測 熒光檢測的工作原理是針對人民幣的紙質進行檢測。人民幣采用專用紙張制造（含85％以上的優(yōu)質棉花），假鈔通常采用經漂白處理后的普通紙進行制造，經漂白處理后的紙張在紫外線（波長為365nm的藍光）的照射下會出現(xiàn)熒光反應（在紫外線的激發(fā)下衍射出波長為420－460nm的藍光），人民幣則沒有熒光反應。所以，用紫外光源對運動鈔票進行照射并同時用硅光電池檢測鈔票的熒光反映，可判別鈔票真假。 （4）紙寬的檢測—紅外發(fā)光二極管及接收二極管的應用 主要是用于根據(jù)鈔票經過此紅外發(fā)光及接收二極

4、管所用的時間及電機的轉速來間接的計算出鈔票的寬度，并對機器的運行狀態(tài)進行判斷，比如有無卡紙等；同時也能根據(jù)鈔票的寬度判斷出其面值。 （5）喂鈔臺、接鈔臺傳感器—紅外對管的應用 在點鈔機的喂鈔臺和取鈔臺部分分別有一個作為有無鈔票的發(fā)射接收紅外對管，用來檢測是否有鈔票放入或取出。 2、如何實現(xiàn)非電量的測量？ 為實現(xiàn)非電量的電測量，首先要實現(xiàn)從非電量到電量的變換，這一變換是靠傳感器來實現(xiàn)的。傳感器接口電路是為了與傳感器配合將傳感器輸出信號轉換成低輸出電阻的電壓信號以方便后續(xù)電路的處理。一般說來，信號都需要進一步放大并濾除噪聲。放大后的信號經模擬/數(shù)字變換后得到數(shù)字信號，以便于微處理器或微

5、控制器。微處理器或微控制器是測控系統(tǒng)的核心，它主要有兩個作用：一是對數(shù)字信號進行進一步處理并將信號輸出顯示、存儲和控制。二是管理測控系統(tǒng)的各個部分以實現(xiàn)測控系統(tǒng)的智能化，即根據(jù)信號和測量條件的變化，自動地改變放大器的增益、濾波器的參數(shù)及其它的電路參數(shù)。在選用合適的傳感器之后，就要設計傳感器的接口電路。從電子學的角度來看，不同的傳感器具有不同的電特性和需要不同的驅動信號（也有的傳感器不需要驅動信號），為取得更高的精度和最佳的性能，需要設計傳感器接口電路。 3、影響檢測測量精度的主要因素有哪些，而其中哪幾個因素有時最基本而且需要特別注意的？ 測量器具本身存在的誤差。環(huán)境因素，如氣溫，氣壓，

6、干燥程度，震動，磁場等。人為因素，如視覺誤差等等。 還有使用測量器具時的方法不得當造成的誤差。 4、什么是噪聲和干擾？什么是有用信號？ 噪聲是來自元器件內部粒子；而干擾是指其他的有害信號，有系統(tǒng)外部的，也可以有內部的。 有用信號指傳遞用戶所需信息的信號，或是用來讓接收設備收到信號后產生一個預先設定的動作的信號。 從物理角度看，噪聲是由聲源作無規(guī)則和非周期性振動產生的聲音。噪聲為電子系統(tǒng)中任何不需要的信號。噪聲會導致信號質量下降以及精確測量方面的錯誤。噪聲包括固有噪聲及外部噪聲，這兩種基本類型的噪聲均會影響電子電路的性能。外部噪聲來自外部噪聲源，固有噪聲由電路元件本身生成，最常見的例

7、子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲等。干擾分3部分，干擾源、耦合通道和敏感對象。在不同空間和時間尺度上偶然發(fā)生，不可預知。 5、如何判斷干擾？如何避免干擾？ 常見的信號的干擾有：（1）器件工作的噪聲干擾，比如說數(shù)字電路正負邏輯的轉換導致的電磁場干擾，電搜索壓電流變化產生的電磁場干擾。（2）高頻信號噪聲干擾（串擾和回損），因為高頻電路能產生強電磁場，產生感應信號。（3）電源噪聲干擾，現(xiàn)在大部分電源系統(tǒng)采用的都是開關電源，開關電路的高頻開關動作會導致嚴重的高頻噪聲。（4）地線噪聲干擾，都知道只要是線就會存在電阻，當一條地線上掛有多個設備時，而且工作電流較大時，小電阻也會產生電位差，從而影響

8、設備。總之干擾無處不在，在設計電路或畫PCB時可以考慮從3點處理，即屏蔽干擾源、切斷耦合通道、保護敏感對象。 6、電子計數(shù)器如何實現(xiàn)既能測量頻率又能測量周期？為什么要通過測量周期的方法來測量低頻信號的頻率？ 采用多周期同步測量技術，這種測量方法實際上是對信號周期進行測量，信號的頻率是經過倒數(shù)運算求出來的。因而，從測頻的角度，上述測量方法也稱為倒數(shù)計數(shù)器法。 數(shù)字頻率計測量頻率的原理：石英振蕩器1MHz標準脈沖信號，經過分頻器分頻為1Hz周期1s的尖波信號接到控制門的控制端，被測信號通過放大整形變?yōu)檎氩饷}沖信號，接到控制器的信號端；第一個秒信號觸發(fā)控制門打開，尖脈沖通過控制門，第二

9、個秒信號到來后控制門關閉，脈沖計數(shù)器記錄兩個秒信號間隔時間內通過控制門的尖脈沖個數(shù)就等于被測信號的頻率值。數(shù)字頻率計測量周期的原理：采用上述方法測量低頻信號時可能產生較大的誤差，因為第一個秒信號到來的時間是隨機的，計數(shù)器從開啟到關閉可能多記一個或少記一個數(shù)；因此，為了保證低頻信號測量的精度，可以用周期測量法：即用被測信號脈沖去控制門電路的開啟，讓標準時間通過控制門，進入計數(shù)器進行計數(shù)，這樣計數(shù)器的值就等于一個被測電壓的周期內有幾個標準時間脈沖通過，相當于一個周期等于幾個時間單位。這就是為什么要通過測量周期來測定低頻型號的頻率搜索的原因。 8、試敘述光電檢測系統(tǒng)的組成及特點。P6 組成：

10、 （1）光學變換 時域變換：調制振幅、頻率、相位、脈寬 空域變換：光學掃描 光學參量調制：光強、波長、相位、偏振 形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處理的光學信息。 （2）光電變換 光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大 將信息變?yōu)槟軌蝌寗与娐诽幚硐到y(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）。 （3）電路處理 放大、濾波、調制、解調、A/D、D/A、微機與接口、控制。 第2章 1、簡述光電效應的工作原理。什么是暗電流？什么是亮電流？P11 2.2.1 暗電流指的是在無光照時，由外電壓作用下P-N結內流過的單向電流。 光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）。無光照時，阻值很大，電流（暗電

11、流）很??；光照時，光生載流子迅速增加，阻值急劇減少，在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成亮電流。 2、簡述光生伏特效應的工作原理。為什么光伏效應器件比光電導效應器件有更快的響應速度？ 答：（1）光生伏特效應的工作基礎是內光電效應.當用適當波長的光照射PN結時，由于內建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當于PN結上加一個正電壓。（2）光伏效應中，與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，因為少數(shù)載流子的壽命通常很短，所以以光伏效應為基礎的檢測器件比以光電導效應為基礎的檢測器件有更快的響應速度。 3、簡述光熱效應工作原理。熱電檢測器件有哪些特點？P15

12、 4、比較光電效應和熱電效應在作用機理、性能及應用特點等方面的差異。 答：所謂光電效應是指，光輻射入射到光電材料上時，光電材料發(fā)射電子，或者其電導率發(fā)生變化，或者產生感生電動勢的現(xiàn)象。光電效應實質上是入射光輻射與物質中束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用所引起的。光電效應就對光波頻率（或波長）表現(xiàn)出選擇性。在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應速度一般比較快。按照是否發(fā)射電子，光電效應又分為內光電效應和外光電效應。具體有光電子發(fā)射效應、光電導效應、光生伏特效應、光子牽引效應和光電磁效應等。 光熱效應的實質是探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能

13、變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結果又使探測元件與溫度有關的電學性質或其他物理性質發(fā)生變化。原則上，光熱效應對光波頻率（或波長）沒有選擇性，因而物質溫度的變化僅決定于光功率（或其變化率），而與入射光輻射的光譜成分無關。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應的響應速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。光熱效應包括熱釋電效應、溫差電效應和測熱輻射計效應等 第3章 1、試說明為什么本征光電導器件在越微弱的輻射作用下，時間響應越長，靈敏度越高。 2、對于同一種型號的光敏電阻來講，在不同光照度和不同環(huán)境溫度下，其光電導靈敏度與時間常數(shù)是否相同？為什么

14、？如果照度相同而溫度不同時情況又會如何？ 3、為什么結型光電器件在正向偏置時，沒有明顯的光電效應？它必須在哪種偏置狀態(tài)？為什么？ 答：因為p-n結在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級在增加，所以有光照時，光電效應不明顯。p-n結必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應產生，這是因為p-n結在反偏電壓下產生的電流要飽和，所以光照增加時，得到的光生電流就會明顯增加。 4、在如圖3-70所示的照明燈控制電路中，將題3所給的CdS光敏電阻用作光電傳感器 5、光電導器件響應時間（頻率特性）受哪些因素限制？光伏器件與光電導器件工作頻率哪個高？實際使用時如何改善其工作

15、頻率響應？ 響應時間主要受光電導器件中載流子的平均壽命有關，減小，則頻率響應提高；其次，光電導器件的響應時間與運用狀態(tài)也有光，例如，光照強度和溫度的變化，因為它們都影響載流子的壽命。光伏特器件的工作頻率高于光電導器件。要改善光伏器件的頻率響應，主要是減小響應時間，所以采取的措施主要有：①減小負載電阻；②減小光伏特器件中的結電容，即減小光伏器件的受光面積；③適當增加工作電壓。 6、硅光電池的開路電壓為什么隨著溫度的升高而下降？影響光電倍增管工作的環(huán)境因素有哪些？如何減少這些因素的影響？ 溫度升高時，半導體的導電性將發(fā)生一定的變化，即少數(shù)載流子濃度隨著溫度的升高而指數(shù)式增大，相對來說多數(shù)載流

16、子所占據(jù)的比例即越來越小，這就使得多數(shù)載流子往對方擴散的作用減弱，從而起阻擋作用的p-n結勢壘高度也就降低。從Fermi能級的變化上來理解：溫度越高，半導體Fermi能級就越靠近禁帶中央（即趨于本征化），則兩邊半導體的Fermi能級之差也就越小，所以p-n結勢壘高度也就越低，也就是開壓降低。 光電倍增管的響應度受多方面的因素影響，比如：偏置電壓的高低、環(huán)境光和溫度變化等多方面因素的影響。無光時光電倍增管對光的響應度更趨于平穩(wěn)，使實驗數(shù)據(jù)也更具有可靠性。因此，無光環(huán)境是決定光電倍增管對微弱光信號的檢測能力的重要因素之一。光電倍增管工作時由于陰極材料發(fā)熱，這樣對光電倍增管的響應度產生較大的影響，

17、因此不穩(wěn)定的工作溫度對光電倍增管的響應度也會帶來不同程度的影響。降低光電倍增管的使用環(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射,從而降低暗電流。另外,光電倍增管的靈敏度也會受到溫度的影響。 7、分析光電信號輸出電路工作原理。試以光電導器件為例，說明為什么光電檢測器件的工作波長越長，工作溫度就越低？ 8、簡述發(fā)光二極管的發(fā)光原理及半導體激光器的工作原理。P44 它們的結構簡單說就是三明治的夾心結構，中間的夾心是有源區(qū)。 二者的結構上是相似的，但是LED沒有諧振腔，LD有諧振腔。 LD工作原理是基于受激輻射、LED是基于自發(fā)輻射。 LD發(fā)射功率較高、光譜較窄、直接調制帶寬較寬，而LED發(fā)射功率較小、光

18、譜較寬、直接調制帶寬較窄。 9、試判別下列結論，正確的在括號里填寫T，錯誤的則填寫F: （1）光電導器件在方波輻射的作用下，其上升時間大于下降時間。 （ F ） （2）光敏電阻的阻值與環(huán)境溫度有關，溫度升高時光敏電阻的阻值也隨之升高。 （ T ） （3）光敏電阻的是由于被光照后所產生的光生電子與空穴的復合需要很長時間，而且，隨著復合的進行，光生電子與空穴的濃度與復合幾率不斷減小，使得光敏電阻恢復被照前的阻值需要很長時間。 （ T ） 10、

19、簡述光電耦合器件的工作原理？P51 光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構成電—光和光—電的轉換器件。 11、利用光敏電阻等器件設計樓梯內的節(jié)能燈控制電路及測量應用中的自動增益控制電路。 12、試分析圖3-72（a），（b）所示的放大電路中，光敏電阻Rp的作用。 答：（a）無光照時，Rp阻值很大，即同相反饋支路的反饋電阻很大，輸出電壓高。光強增加↑，使得Rp↓，使得同相反饋支路阻值減小，輸出電壓下降。 （b）無光照時，Rp阻值很大，輸入近似開路，輸出電壓低。光強增加↑，使得Rp↓，使得輸入信號進

20、入，輸出信號增大。 13、為什么在光照度增大到一定程度后，硅光電池的開路電壓不再隨入射照度的增大而增大？硅光電池的最大開路電壓為多少？為什么硅光電池的有載輸出電壓總小于相同照度下的開路電壓？ 14、硅光電池的內阻與哪些因素有關？在什么條件下硅光電池的輸出功率最大？ （1）極電容，串接電阻，串接電阻越小越好。 （2）顯然，存在著最佳負載電阻Ropt，在最佳負載電阻情況下負載可以獲得最大的輸出功率Pmax。 15、光生伏特器件有幾種偏置電路?各有什么特點? (1)光生伏特器件有反向偏置電路，零偏置電路，自偏置電路。 (2)特點：自偏置電路的特點是光生伏特器件在自偏置電路

21、中具有輸出功率，且當負載為最佳負載電阻時具有最大的輸出功率，但是自偏置電路的輸出電流或輸出電壓與入射輻射間的線性關系很差，因此在測量電路中好少采用自偏置電路。反向偏置電路：光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結勢壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運動，使光生伏特器件的線性范圍加寬，因此反向偏置電路被廣泛應用到大范圍的線性光電檢測與光電變換中。零偏置電路：光生伏特器件在零伏偏置下，輸出的短路電流Isc與入射輻射量（如照度）或線性關系變化，因此零伏偏置電路是理想的電流放大電路。 16、試比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線，說明它們的差異。 答：比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線可

22、知：當沒有光輻射時，二者的伏安特性曲線是一樣的；當有光輻射時，則硅光電二極管的全電流為負值，特性曲線向下平移，且向下平移的程度隨輻照度的不同而變化。但是硅整流二極管的伏安特性曲線不受光照的影響。此外，正常工作狀態(tài)下，硅光電二極管兩端所加正向電壓必須小于0.7V，否則不能產生光電效應。該值通常為負，即處于反偏狀態(tài)；硅整流二極管兩端所加偏壓須為正，且要大于開啟電壓Uth值。 17、寫出硅光電二極管的全電流方程，說明各項的物理意義。 18、 19、影響光生伏特器件頻率響應特性的主要因素有哪些? 為什么PN結型硅光電二極管的最高工作頻率小于等于107Hz？怎樣提高硅光電二極管的頻率響應?

23、 (1)影響光生伏特器件頻率響應的主要因素有三點：1）在PN結區(qū)內產生的光生載流子渡越結區(qū)的時間τdr，即漂移時間；2）在PN結區(qū)外產生的光生載流子擴散到PN結區(qū)內所需的時間τp，即擴散時間；3）由PN結電容Cj、管芯電阻Ri及負載電阻RL構成的RC延遲時間τRC。 (2) 對于PN結型硅光電二極管，光生載流子的擴散時間τp是限制硅光電二極管頻率響應的主要因素。由于光生載流子的擴散運動很慢，因此擴散時間τp很長，約為100ns，則其最高工作頻率小于等于107Hz。 (3)1）減小PN結面積；2）增加勢壘區(qū)寬度，提高材料體電阻率和增加結深；3）適當增加工作電壓；4）盡量減少結構造成的分布

24、電容；5）增加PN結深，減小串聯(lián)電阻；6）設計選用最佳負載阻值。 20、為什么說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結的P區(qū)？這與電子、空穴的遷移率有關嗎？ 答：對于PN結注入發(fā)光的發(fā)光二極管，當PN結處于平衡位置時，存在一定的勢壘區(qū)。當加正向偏壓時，PN結區(qū)勢壘降低，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復合發(fā)光，并主要發(fā)生在P區(qū)。這是因為發(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子與空穴做相對運動，即電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴向N區(qū)運動。但由于電子的遷移率?N比空穴的遷移率?P高20倍左右，電子很快從N區(qū)遷移到P區(qū)，因而復合發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)。 21、為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓下才能發(fā)光？反向偏置的

25、發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？ 答：由于LED的發(fā)光機理是非平衡載流子即電子與空穴的擴散運動導致復合發(fā)光，因此要求有非平衡載流子的相對運動，使電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴由P區(qū)向N區(qū)運動。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結內部的漂移運動占主要優(yōu)勢，而這種少子運動的結果是電子與空穴的復合幾率小，而且表現(xiàn)在數(shù)量上也是很微弱的，不足以使LED發(fā)光。因此，要使LED發(fā)光，必須加正向偏壓。 22、發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義？ 發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質及發(fā)光中心的結構決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關。無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光

26、輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長即為峰值波長。在LED譜線的峰值兩側處，存在兩個光強等于峰值一半的點，分別對應，，它們之間的寬度即為半譜線寬度，也稱半功率寬度，它是一個反映LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內。 23、產生激光的三個必要條件是什么？ 答：產生激光的三個必要條件是：（1）必須將處于低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，為此需要泵浦源；（2）要有大量的粒子數(shù)反轉，使受激輻射足以口服損耗；（3）有一個諧振腔為出射光子提供正反饋及高的增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。 24、半導體激光器有什么特點？LD與LED發(fā)光機理的根本區(qū)別

27、是什么？為什么LD光的相干性要好于LED光？ 答：半導體激光器體積小，重量輕，效率高，壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦。其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可以與之單片集成，并且還可用高達GHz的頻率直接進行電流調制以獲得高速調制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，它廣泛應用于光通信、光學測量、自動控制等方面。LD的發(fā)光機理是激光工作物質的受激輻射，而LED發(fā)光的機理是非平衡載流子的復合發(fā)光。由于LD的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的時間和空間相干性。 25、為什么需要將發(fā)光二極管與光電二極管封裝在一起構成光電耦合器件？光電耦合器件的主要特性有哪些？ 答：將發(fā)光器件與

28、光電接收器件組合成一體，制成的具有信號傳輸功能的器件，即為光電耦合器件。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。同時，它在信號傳輸速度、體積、抗干擾性等方面都具有傳統(tǒng)器件所無法比擬的優(yōu)勢。因此，在實際應用中它具有許多優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)自動檢測、自動控制、電信號的傳輸和處理及計算機系統(tǒng)等方面。光電耦合器件的主要特性有：（1）具有電隔離的功能；（2）信號傳輸具有單向性；（3）具有抗電磁干擾和噪聲的能力；（4）響應速度快；（5）實用性強；（6）既具有耦合特性又具有隔離特性。 26、舉例說明光電耦合器件可以用在哪些方面？為什么計算機系統(tǒng)常采用光電耦合器件？ 答：光電耦合器

29、件目前在自動控制、遙控遙測、航空技術、電子計算機和其它光電、電子技術中得到了廣泛的應用。其具體應用實例可參見教材6.5小節(jié)所述。在計算機主體運算部分與輸入、輸出之間，用光電耦合器件作為接口部件，將會大大提高傳輸中的信噪比。 27、為什么由發(fā)光二極管與光電二極管構成的光電耦合器件的電流傳輸比小于1，而由發(fā)光二極管與光電三極管構成的光電耦合器件的電流傳輸比大于等于1？ 28、 29、 30、簡述半導體激光器的工作原理。它有哪些特點？ 原理：半導體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件： （1）要產生足夠的 粒子數(shù)反轉分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于

30、處于低能態(tài)的粒子數(shù)； （2）有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產生激光震蕩； （3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。 半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產生光的輻射放大，輸出激光。 特點：體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等。 31、 32、熱輻射檢測器通常分為哪兩個階段？哪個階段能夠產生熱電效應？ 第一階段：器件吸收光輻射能量而使自身溫度發(fā)生變化， 第二階段：器件依賴某種溫度敏感特性把輻射引起的

31、溫度變化轉化為相應的電信號，而達到 光輻射探測目的， 第二階段能夠產生熱電效應 33、 34、簡述熱電偶工作原理？熱電檢測器為什么只能檢測變幅射信號？ 熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect）。 35、為什么半導體材料常具有負溫度系數(shù)？ 熱敏電阻是指電阻值隨溫度變化而變化的敏感元件。在工作溫度范圍內,電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度

32、系數(shù)(NTC)熱敏電 熱敏電阻器阻器。負溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。 第四章 1:總結不同類型光電檢測器確定靜態(tài)工作點的方法主要有圖解計算法和解析計算法。 答：不同類型光電檢測器確定靜態(tài)工作點的方法主要有圖解計算法和解析計算法。 2：如圖所示電路中，設電源電壓源為Ub=9V，光敏二極管的伏安特性曲線如圖b所示。光 敏二極管上的光通量在0~

33、150μlm變化。若光通量在此范圍內做正弦變化，要是輸出交變電壓的幅值為3V，求所需的負載電阻RL,并作出負載線。 3：已知某Si光電二極管的靈敏度為0.5μA/μW，結間電導G=0.01μs（微西），轉折電壓U0=10V,入射光功率從p"=15μW變到P‘=25μW，偏壓Ub=50V。求最大輸出功率時的最佳負載RL、輸出電流ΔL、輸出電壓ΔU和輸出功率PL。 5：光電倍增管偏置電路如圖4-22所示。光電倍增管的陰極積分靈敏度SK=30μA/lm，陽極積分靈敏度SA=10A/lm，陽極暗電流Id=4μA，輸入電路是電阻R=105Ω和電容C0=0.1μF的并聯(lián)，陰極面積為80mm2，要

34、求信號電流IL=10-4A，計算陽極噪聲電流，負載電阻上的噪聲電壓和信噪比。  第五章 1：直接檢測系統(tǒng)的基本原理是什么？為什么說直接檢測又稱為包絡檢測？ 所謂光電直接檢測是將待測光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應于光輻射強度（幅度）而輸出相應的電流或電壓信號。 光檢測器輸出的電流為： 式中：第一項為直流項。若光檢測器輸出端有隔直流電容，則輸出光電流只包含第二項，這就是包絡檢測的意思。 2：對直接檢測系統(tǒng)來說，如何提高輸入信噪比？ 答：對于光電檢測系統(tǒng)來說，其噪聲主要有三類：（1）光子噪聲包括：A.信號輻射產生的噪聲；B.背景輻射產生的噪聲。（2）探

35、測器噪聲包括：熱噪聲；散粒噪聲；產生—復合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲。 （3）信號放大及處理電路噪聲 在實際的光電探測器中，由于光電轉換機理不同，各種噪聲的作用大小亦各不相同。若綜合上述各種噪聲源，其功率譜分布可用下圖表示。由圖可見：在頻率很低時，1/f噪聲起主導作用；當頻率達到中間范圍頻率時，產生——復合噪聲比較顯著；當頻率較高，甚至于截至頻率時，只有白噪聲占主導地位，其它噪聲影響很小。很明顯，探測器應當工作在1/f噪聲小、產生-復合噪聲為主要噪聲的頻段上。 因此，對于直接探測系統(tǒng)，提高輸入信噪比的措施有：（1）利用信號調制及選頻技術可抑制噪聲的引入 白噪聲的大小與電路的頻帶寬度成正比，因此

36、放大器應采用帶寬盡可能窄的選頻放大器或鎖相放大器。 （2）將器件制冷，減小熱發(fā)射，降低產生-復合噪聲。 采用半導體制冷、杜瓦瓶液態(tài)氣體制冷或專用制冷機制冷。（3）采用最佳條件下的偏置電路，使信噪比（S/N）最大 3：什么是直接檢測系統(tǒng)的量子極限？說明其物理意義。 答：當入射信號光波所引起的散粒噪聲為主要噪聲，其他噪聲可忽略時，此時信噪比為： 該式為直接檢測理論上的極限信噪比。也稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限。量子極限檢測為檢測的理想狀態(tài)。 4：試根據(jù)信噪比分析具有內增益光電檢測器的直接測量系統(tǒng)為什么存在一個最佳倍增系數(shù)。（參考） 答：當光檢測器存在內增益（如：光電倍增管

37、）時 當 很大時，熱噪聲可忽略。若光電倍增管加致冷、屏蔽等措施以減小暗電流和背景噪聲，則可達到散粒噪聲極限。在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力高于光電導器件，采用有內增益的檢測器是直接檢測系統(tǒng)可能趨近檢測極限的唯一途徑。 5：對于點檢測光電系統(tǒng)，怎樣提高系統(tǒng)的作用距離？  第六章 1：試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個方面比較直接檢測系統(tǒng)和光外差檢測系統(tǒng)的特點。 答:工作原理上： ①直接探測系統(tǒng)是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探測器光敏面上，光探測器響應的是光輻射強度而輸出相應的電流和電壓； ②光外差檢測是利用兩束頻率不同的相干光在滿足波前匹配條件下，在光電探測

38、器上進行光學混頻，探測器輸出的信號是兩光波頻差的拍頻信號，該信號包含有調制信號的振幅、頻率和相位特征。 系統(tǒng)性能上： ①直接探測系統(tǒng)檢測方法簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，但是不能改善輸入信噪比，不適宜檢測微弱信號； ②光外差檢測系統(tǒng)復雜，對光外差兩輸入信號有嚴格的空間條件和頻率條件，但檢測距離遠，檢測精度高，靈敏度高，是天然檢測微弱信號的方法。 2: 有一光子探測器運用于相干探測。假設入射到光混頻器上的本振光功率PL=10mW，光混頻器的量子效率η=0.5，入射的信號光波長λ=1μm，負載電阻RL=50Ω，試求該光外差探測系統(tǒng)的轉換增益PIF/PS=? 3: 試述實現(xiàn)外差檢測必須滿足的條件。

39、 答： 1）要求參于混頻的信號光和本振光應是理想相干的單頻單模光，要有穩(wěn)定的振蕩頻率和相位。 2）在光混頻器上信號光與本振光要求偏振方向一致。 3）信號光與本振光要求空間波前匹配，即要求空間調準（準直、共軸），波面吻合垂直入射于光混頻表面。二光束入射角偏斜θ應滿足關系θ＜λ0/L, 其中λ0是本振光波長，L是光電探測器光敏面尺寸。 4: 求光零差相干檢測在輸出負載Rl端的峰值信號功率 5試述激光干涉測長的基本原理。 答：如圖所示是雙縱模雙頻激光干涉儀的原理示意圖。 6:如何實現(xiàn)干涉信號的方向判別與計數(shù)。 由于測量反射鏡在測量過程中可能需要進行正、反兩個方向的移動，

40、或在測量過程中由于各種干擾因素的影響，可能使測量鏡在正向移動過程中產生一些偶然的反射移動。 （正、反方向移動均使干涉信號產生明、暗的變化） 若測量系統(tǒng)中沒有判向能力，則由光電檢測器接收信號后，由計數(shù)器所顯示的計數(shù)值是測量鏡正反移動的總和，而不是真正的被測長度。 測量系統(tǒng)的電路中必須設計有方向判別部分，把計數(shù)脈沖分為加、減兩種脈沖。 當測量鏡正向移動時所產生的脈沖為加脈沖，則測量鏡反向移動時所產生的脈沖為減脈沖。這兩種脈沖送入可逆計數(shù)器進行可逆計數(shù)，即可得出測量鏡的真正位移量。 7：試述多普勒測速原理。 當光（激光）照射運動物體或流體時，其反射光或散射光將產生多普勒頻

41、移，用它（即反射光或散射光）與本振光進行混頻可測得物體或流體的速度。  第七章： 1：用射線理論簡述光纖的導波工作原理。 NA定義為光纖的“數(shù)值孔徑”，為衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。 在光纖端面，只有入射角小于的光才能在光纖中傳輸。 2：試述傳光型和功能型光纖傳感器的基本含義。 功能型傳感器（即FF型光纖傳感器、傳感型光纖傳感器。）：是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，即光纖與被測對象相互作用，使得光纖結構參數(shù)發(fā)生變化，使其傳光特性發(fā)生相關變化。 非功能型傳感器（即NF型光纖傳感器、傳光型光纖傳感器）：是利用其他敏感元件感受被測量的變化，

42、光纖僅作為光的傳輸介質。 3：什么是單模光纖？成為單模光纖的基本條件是什么？ 單模光纖只能傳輸一種模式，纖芯直徑僅幾個微米，接近波長。單模光纖的有點是沒有模式散射，可利用波導色散抵消材料色散，以得到零色散。同時，信息容量極大，可進行理論預測，可利用光的相位等。但缺點是，芯徑很小，因而使用不變。 4：舉例說明光纖中光波的各種調制技術。 光調制分為：強度調制、相位調制、偏振調制、 頻率調制和光譜調制等。 5：分光式光纖傳感器有哪些特點？ 分布式光纖傳感器：是將傳感光纖沿場排布，并采用獨特的檢測技術，對沿光纖傳輸路徑上場的空間分布和隨時間變化的信息進行測量或監(jiān)控。 分布式光纖傳感器能

43、同時測量空間多個點的環(huán)境參數(shù)，甚至能測量空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)。 6：構成分布式光纖傳感器的主要技術有哪些？ 一、反射法：即利用光纖在外部擾動作用下產生的瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等效應進行測量的方法。 二、波長掃描（WLS）法：用白光照射保偏光纖，運用快速付里葉算法來確定模式耦合系數(shù)的分布，當高雙折射保偏光纖受到外部擾動作用時，會引起相位匹配的模式耦合，即光由一種模式轉換為另一種模式（即波長）。由于本征模以不同的速度在光纖中傳播，所以從兩個本征模的相對幅度的大小可以得到被測參數(shù)的信息。 三、干涉法：利用干涉儀把被測量對干涉光路中光波的相位調制進行解調，從而得到被測量信息。

44、  第九章 1：試列表比較所介紹的幾種微弱信號檢測系統(tǒng)的特點與應用場合。為什么說微弱信號檢測基本要素是以時間為代價來換取高靈敏度的測量。 答：1 鎖相放大器 特點：①要求對入射光進行斬光調制，適用于調幅光信號的檢測； ②為極窄帶高增益放大器； ③是交流信號---直流信號變換器。相敏輸出正比于輸入信號的幅度和它與參考電壓的相位差。 ④可以補償光檢測器中的背景輻射噪聲和前置放大器的固有噪聲。信噪比改善可高達1000倍。 2 取樣積分器 3 光子計數(shù)器 特點：①只適合于極弱光（ ）的測量，不能測量包含許多光子的短脈沖強度； ②不論是連續(xù)的、斬光的、脈

45、沖的光信號都可以使用，能取得良好的信噪比； ③可直接提供數(shù)字輸出。 設輸入信號為 ，經積分器 次積累后所得到的輸出電壓為： 輸出信號平均功率為： 噪聲電壓 是隨機量，則 也為隨機量，但 的數(shù)學期望 噪聲平均功率為： 通過積累后獲得的功率信噪比為： 經過 次積累后，功率信噪比可提高 倍。信號噪聲幅值比（SNIR）為： 可見，取點測量次數(shù)越大，信噪比改善越明顯，但需要的積累時間也越長。微弱信號檢測都是以犧牲時間為代價的。 2：以鎖相放大器為例，說明去除噪音改善檢測信噪比的機理。 答：設輸

46、入到乘法器的輸入信號和參考信號分別為： 乘法器的輸出為： 為差頻成分；為和頻成分。經低通濾波得到窄帶的差頻信號，輸出為： 在輸出信號中只是那些與參考電壓同頻率的分量才使差頻為0，即 ，輸出直流信號，即： 在輸入信號中，只有被測信號本身由于和參考信號有同頻鎖相關系而得到最大的直流輸出。其他噪聲和干擾信號或者由于頻率使得 （交流、被后低通濾除）、或 ，被相敏檢波器截止。 噪聲中那些與參考信號同頻率（即 ）、同相位（即 ）的噪聲分量也能夠輸出相應的直流信號與被測信號相疊加，但這一部分噪聲占白噪聲的極小部分。

47、 鎖相放大器能以極高的信噪比由噪聲中提取出信號。 3：說明取樣放大器的去噪原理和工作過程。 答：原理：是利用周期性信號的重復特性，在每個周期的同一個位處多次采集波形上某點的數(shù)值，算術平均值與該點處的瞬時值成比例，于是各周期內取樣平均信號也為待測信號的波形。而噪聲多次重復的統(tǒng)計平均值為0。 多周期同相位取值平均，可大大提高信噪比、再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波形。 1、周期信號的取樣：滿足取樣定理（在這里要注意對取樣定理的理解） 2、 取樣信號的積累平均 4：什么叫光子計數(shù)技術？試說明光子計數(shù)系統(tǒng)可分為幾種類型，說明各種類型的工作原理。 答：光子計數(shù)器是利用光電倍增管能檢測單個光子能量

48、的功能，通過光電子計數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號。 光子計數(shù)器分為三種類型：基本型、輻射源補償型和背景補償型。 5：電子開關有哪些應用方式？試簡述他們的應用特點。 答：光電開關分為主動型光電開關和被動型光電開關。 1、 透射分離型主動開關 2反射型主動開關：當發(fā)光管發(fā)出的光遇到障礙時，在距離足夠近時，由障礙物反射回來的光被接收管接收而使開關運作?？捎糜谖恢脗鞲?、汽車的緊急制動等。 3光電耦合器: 若發(fā)光管接在低壓電路中，光電接收管接于高壓電路中，則可實現(xiàn)由低壓電路控制高壓電路。 4編碼技術型主動開關: 發(fā)光管發(fā)出頻率確定的光脈沖；快門打開期間，計數(shù)器計數(shù)此期間光電的脈沖數(shù)（ N

49、），即可計算出快門的時間（ ） 5被動開關: 利用自然光源的特性對光電開關提供信號。因此，被動開關的接收器常用（熱電器件、紅外光敏電阻、紅外光電二極管等）。常用于自動開門或報警系統(tǒng)的控制。 6:電子轉速計在進行正反向轉速測量時，如何進行判向？給出一種設計方案。 7：試根據(jù)光電遙控框圖，說明光電遙控原理。 原理：發(fā)射出一束較寬的光束，所發(fā)的光束里含有控制功能的編碼信號。 8：試述條形碼識別原理，條形碼識別一般要經過哪幾個環(huán)節(jié)？ 答：原理：利用計算機“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的寬窄條紋來表示數(shù)字或字符。條形碼系統(tǒng)由條形碼符號、符號載體、打印設備和掃描閱讀設備組成。 環(huán)節(jié)：1要求建立一個光學系統(tǒng)。2要求一個接受系統(tǒng)能夠采集到光點運動時打在條形碼條符上反射回來的反射光，同時，要求這一接受系統(tǒng)對反射光具有一定的敏感系統(tǒng)。3要求一個電子電路將接受到的光信號不失真的轉換為電脈沖。 9：針對基于調制盤的紅外方位監(jiān)測系統(tǒng)，試設計出仍一種調制圖案。