光电检测技术与应用_郭培源_课后答案

光电检测技术与应用_郭培源_课后答案
光电检测技术与应用_郭培源_课后答案

光电检测技术与应用课后答案

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。

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核心,它主要有两个作用:一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、存储和控制。二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化,即根据信号和测量条件的变化,自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其它的电路参数。在选用合适的传感器之后,就要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。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。

5、如何判断干扰?如何避免干扰?

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。

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

1、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流?什么是亮电流?P11

2.2.1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。

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 结上加一个正电压。(2)光伏效应中,与光照相联系的是少数载流子的行为,因为少数载流子的寿命通常很短,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。

3、简述光热效应工作原理。热电检测器件有哪些特点?P15

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。

答:所谓光电效应是指,光辐射入射到光电材料上时,光电材料发射电子,或者其电

导率发生变化,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

束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率(或波长)表现出选择性。在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。

光热效应的实质是探测元件吸收光辐射能量后,并不直接引起内部电子状态的改变,

而是把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)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),而与入射光辐射的光谱成分无关。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?

损坏,即无论怎么调整电阻R,都不会使继电器吸合。

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

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?

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。

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,因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度的影响。

降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射,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?

8、简述发光二极管的发光原理及半导体激光器的工作原理。P44

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。

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)光电导器件在方波辐射的作用下,其上升时间大于下降时间。(F)

(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)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。(T)

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。

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?(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。

15、光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点?

(1)光生伏特器件有反向偏置电路,零偏置电路,自偏置电路。

(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。零偏置电路: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)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。

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: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。

17、写出硅光电二极管的全电流方程,说明各项的物理意义。

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)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。

20、为什么说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,并主要发生在P区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下,电子与空穴做相

对运动,即电子由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?P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。

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),与之相对应有一个波长,此波长即为峰值波长p 。在LED谱线的峰值两

侧处,存在两个光强等于峰值一半的点,分别对应p,它们之间的宽度即为半谱线宽度,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泵浦到较高能态上去,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;(3)有一个谐振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。

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。

26、举例说明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?答: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。其具体应用实例可参见教材6.5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。

27、为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1,而由发光二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比大于等于1?

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。

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

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)。

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。

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0~150μlm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。

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?

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。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?

答:对于光电检测系统来说,其噪声主要有三类:(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。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段上。因此,对于直接探测系统,提高输入信噪比的措施有:(1)利用信号调制及选频技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能窄的选频放大器或锁相放大器。(2)将器件制冷,减小热发射,降低产生-复合噪声。采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。(3)采用最佳条件下的偏置电路,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数。(参考)

答:当光检测器存在内增益(如:光电倍增管)时当很大时,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

1:试从工作原理和系统性能两个方面比较直接检测系统和光外差检测系统的特点。

答:工作原理上:①直接探测系统是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面上,光探测器响应的是光辐射强度而输出相应的电流和电压;②光外差检测是利用两

束频率不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:①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;②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。

2: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PIF/PS=?

6:如何实现干涉信号的方向判别与计数。

由于测量反射镜在测量过程中可能需要进行正、反两个方向的移动,或在测量过程中

由于各种干扰因素的影响,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量镜正反移动的总和,而不

是真正的被测长度。

测量系统的电路中必须设计有方向判别部分,把计数脉冲分为加、减两种脉冲。

当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲,则测量镜反向移动时所产生的脉冲为减

脉冲。这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计数,即可得出测量镜的真正位移量。7:试述多普勒测速原理。

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。

第七章:

1:用射线理论简述光纤的导波工作原理。

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,只有入射角小于的光才能在光纤中传输。

2:试述传光型和功能型光纤传感器的基本含义。

功能型传感器(即FF型光纤传感器、传感型光纤传感器。):是利用光纤本身的特性,把光纤作为敏感元件,即光纤与被测对象相互作用,使得光纤结构参数发生变化,使

其传光特性发生相关变化。

非功能型传感器(即NF型光纤传感器、传光型光纤传感器):是利用其他敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为光的传输介质。

3:什么是单模光纤?成为单模光纤的基本条件是什么?

光电检测技术课程作业及答案(打印版)

思考题及其答案 习题01 一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在(0.38m μ)围的电磁辐射称 μ)到(0.78m 为光辐射。 2、在光学中,用来定量地描述辐射能强度的量有两类,一类是(辐射度学量),另一类是(光度学量)。 3、光具有波粒二象性,既是(电磁波),又是(光子流)。光的传播过程中主要表现为(波动性),但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的(粒子性)。 二、概念题 1、视见函数:国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果,用平均值的方法,确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度,称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。 2、辐射通量:辐射通量又称辐射功率,是辐射能的时间变化率,单位为瓦(1W=1J/s),是单位时间发射、传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度:由辐射表面定向发射的的辐射强度,除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米) 。 4、辐射强度:辐射强度定义为从一个点光源发出的,在单位时间、给定方向上单位立体角所辐射出的能量,单位为W/sr(瓦每球面度)。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么? 答:辐射照度和辐射出射度的单位相同,其区别仅在于前者是描述辐射接

收面所接收的辐射特性,而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律,两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍?答: 2 22 4444R I R I dA d E R dA d E R I I ===∴=ππφπφφπφ=的球面上的辐射照度为半径为又=的总辐射通量为在理想情况下,点光源设点光源的辐射强度为 ()1 2222222221 122 12 11001001010E E L I E L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴= = 又的距离为第二个探测器到点光源, 源的距离为设第一个探测器到点光 习题02 一、填空题 1、物体按导电能力分(绝缘体)(半导体)(导体)。 2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是(具有能向电子提供能量的外力作用)、(电子跃入的那个能级必须是空的)。 3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关:一是在能带中(能态的分布),二是这些能态中(每一个能态可能被电子占据的概率)。 4、半导体对光的吸收有(本征吸收)(杂质吸收)(自由载流子吸收)(激子吸收)(晶格吸收)。半导体对光的吸收主要是(本征吸收)。 二、概念题 1、禁带、导带、价带:

光电技术习题

第一章习题 1、解释概念: 辐射出射度,辐射强度,辐射亮度Le ,照度,稳定腔和非稳定腔 2、教材1.1题和1.3题。 3、如图所示,设点源的辐射强度为I,它与被照面上x点处面积元dA的距离为l,dA的法线与l的夹角为q。求点源在被照面dA上产生的辐射照度。 4、已知波长l=400nm光的光视效率Vl= 0.0004 ,该波长上1W的光功率可以产生的光通量为多少? 5、假设人体辐射符合黑体辐射规律,人体的温度为310K,求其峰值辐射波长和辐射出射度。 6、简述题: 维恩位移定律;普朗克定律(公式);斯忒藩-玻尔兹曼定律; 7、什么是朗伯辐射体(或余弦辐射体)?朗伯辐射体的Le与Me有什么样的关系? 8、什么是光视效能?什么是光视效率?在哪个波长光视效能最大?该波长的光视效能和光视效率各是多少? 9、简述激光产生的条件、激光器的主要组成及各部分的作用是什么? 10、何谓激光的纵模和横模?基模激光束有什么特点? 11、固体激光器主要采用哪种泵浦方式?举几个固体激光器例子。气体激光器主要采用哪种泵浦方式?举几个气体激光器例子。 12、半导体激光器主要有哪些特性? 第二章习题 1、解释概念:大气窗口、电光效应、半波电压、声光效应、法拉第效应、弱导光纤; 2、简述大气对光辐射的衰减因素和主要吸收气体。在红外波段有哪几个窗口?位于哪些波段? 3、何为大气湍流效应,大气湍流对光电探测系统有什么影响? 4、请设计一个电光光开关(详细组成),并说明其工作原理。 5、简述拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射产生的条件及其特点。 6、简述引起光纤衰减的原因。光纤的衰减特性用什么指标来衡量?它是如何定义的?石英光纤衰减最小的波长是多少? 7、光纤的折射率分布主要有那两种?平方律折射率分布光纤有什么特点?阶跃光纤单模传输的条件是什么? 8、什么是光纤色散?色散对光纤通信系统有什么影响?简述产生光纤色散的原因有哪些。 9、光纤色散、带宽和脉冲展宽之间有什么关系?对光纤传输容量有什么影响? 10、什么是非线性光学?简述产生非线性光学现象的条件。试举几个非线性光学现象例子。 11、简述非线性光学中的光学倍频和混频技术。 12、简述在实际光学倍频和混频应用中,为了获得较高的转换效率要考虑的条件。 13、某阶跃光纤,纤芯半径a=20mm,如果n1=1.48,n2=1.46。当入射光波长为1.31mm 时, (计算光纤的规一化频率。(若要使光纤单模传输,则纤芯半径应如何选择? 第三章习题

测试的技术部分课后答案

作业一 1、欲使测量结果具有普遍科学意义的条件是什么? 答:①用来做比较的标准必须是精确已知的,得到公认的; ②进行比较的测量系统必须是工作稳定的,经得起检验的。 2、非电量电测法的基本思想是什么? 答:基本思想:首先要将输入物理量转换为电量,然后再进行必要的调节、转换、运算,最后以适当的形式输出。 3、什么是国际单位制?其基本量及其单位是什么? 答:国际单位制是国际计量会议为了统一各国的计量单位而建立的统一国际单位制,简称SI,SI制由SI单位和SI单位的倍数单位组成。基本量为长度、质量、时间、电流强度、热力学温度、发光强度,其单位分别为米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔。 4、一般测量系统的组成分几个环节?分别说明其作用? 答:一般测量系统的组成分为传感器、信号调理和测量电路、指示仪器、记录仪器、数据处理仪器及打印机等外部设备。 传感器是整个测试系统实现测试与自动控制的首要关键环节,作用是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量; 中间变换(信号调理)与测量电路依测量任务的不同而有很大的伸缩性,在简单的测量中可完全省略,将传感器的输出直接进行显示或记录;信号的转换(放大、滤波、调制和解调); 显示和记录仪器的作用是将中间变换与测量电路出来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来;

数据处理仪器、打印机、绘图仪是上述测试系统的延伸部分,它们能对测试系统输出的信号作进一步处理,以便使所需的信号更为明确。 5、举例说明直接测量和间接测量的主要区别是什么? 答:无需经过函数关系的计算,直接通过测量仪器得到被测量值的测量为直接测量,可分为直接比较和间接比较两种。 直接将被测量和标准量进行比较的测量方法称为直接比较;利用仪器仪表把原始形态的待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化,并以人的感官所能接收的形式,在测量系统的输出端显示出来,弹簧测力。 间接测量是在直接测量的基础上,根据已知的函数关系,计算出所要测量的物理量的大小。利用位移传感器测速度。 6、确定性信号与非确定性信号分析法有何不同? 答:确定性信号是指可用确定的数学关系式来描述的信号,给定一个时间值就能得到一个确定的函数值。 非确定性信号具有随机特性,每次观测的结果都不相同,无法用精确的数学关系式或图表来描述,更不能准确预测未来结果,而只能用概率统计的方法来描述它的规律。 7、什么是信号的有效带宽?分析信号的有效带宽有何意义? 答:通常把信号值得重视的谐波的频率范围称为信号的频带宽度或信号的有效带宽。 意义:在选择测量仪器时,测量仪器的工作频率范围必须大于被测信号的宽度,否则将会引起信号失真,造成较大的测量误差,因此设计

光电检测技术作业答案

光电检测技术作业2 光电导灵敏度S g = 0.5X10 -6S/lx,1. 设某只CdS光敏电阻的最大功耗为30mW, =0 。试求当 CdS 光敏电阻上的偏置电压为 20V 时的极限照度。 暗电导 g 2. 在如图所示的照明灯控制电路中,将上题所给的CdS光敏电阻用作光电传感 器,若已知继电器绕组的电阻为 5 K ,继电器的吸合电流为2mA,电阻R 1K 。求为使继电器吸合所需要的照度。要使继电器在 3lx时吸合,问应如何调整电阻器R?

3. 在如图所示的电路中,已知R b 820 ,R e 3.3k ,U w 4V,光敏电 阻为R p ,当光照度为40lx时输出电压为6V,80lx时为9V。设该光敏电阻在30~100lx之间的 值不变。试求: (1)输出电压为8V时的照度。 (2)若R e增加到6k ,输出电压仍然为8V,求此时的照度。 (3)若光敏面上的照度为70lx,求R e 3.3k 与R e 6k 时输出的电压。(4)求该电路在输出电压为 8V时的电压灵敏度。

4. 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? 5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? 6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? 答:(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

光电检测技术

光电检测技术总结 经过一学期的光电检测技术课程的学习,我们大致上了解了光电检测技术有许多方面的知识,按照传感器、转换电路、检测装置划分排列。接下来我们来仔细探讨一下究竟有什么值得我们学习的。 首先是光电技术的定义。何为光电技术?光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础,通过对被检测物体的光辐射,经光电检测器接收光辐射并转换为电信号,由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息,或进入计算机处理,最终显示输出所需要的检测物理参数。其中检测和测量有一些不同的地方:检测:通过一定的物理方式,分辨出被测参量并归属到某一范围带,以此来判别被测参数是否合格或是否存在。测量:将被测的未知量与同性质的标准量比较,确定被测量对标准量的倍数,并通过数字表示出这个倍数的过程。而光电检测技术的应用存在在生活中的每一个部分。比如人的视觉功能,人眼是一个直径为23mm的近似球体,眼球前方横径为11mm的透明角膜具有屈光作用,角膜后的虹膜中央有称为瞳孔的圆孔,它可以扩大或缩小以调节进入眼球的光亮。虹膜后的水晶体相当于光学系统中的透镜,其直径为9mm。在眼球的后方有视网膜,这是光学细胞和杆状细胞,它们和视网膜上的其他细胞组成的微小感光单元。这些感光单元接收光刺激后转化为神经冲动,经视神经传导到大脑的高级视觉中枢,从而产生亮度和彩色的感觉,同时也形成有关物体状和大小的判断。因此,人眼是一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器。正好光学仪器是人眼的视觉扩展,通过利用光辐射的各种现象和特性,摄取信息实现控制的有力工具,它是人类视觉参与下才能工作的。光学仪器一共在人类视觉上做出了以下的扩展:1、时间上扩展,可以通过摄像机记录过去的样子;2、空间上的扩展,通过地球卫星观看世界个地的样貌;3、识别能力的扩展,通过放大镜和显微镜我们能够观测到人眼看不见的细微东西。 光电检测系统由哪些东西组成?典型的光电仪器包括了精密机械、光学系统、光电信号传感器、电信号处理器和运算控制计算机以及输出显示设备等环节。各种环节分别实现各自的职能,组成光、机、电的综合系统。一个典型的光电检测系统的组成由辐射源开始,依次为传输媒质、检测目标、光学系统、光点检测器件、信息处理、输出设备。其中辐射源通过传输媒质由对象空间进入到光电系统。

光电检测技术考试试卷

光电检测技术期中考试试卷 2014 一.选择题(20分) 1.对于费米能级,以下说法不正确的是( ) A 一个平衡的系统只能有唯一一个费米能级 B 电子占据率为0.5时所对应的能级 C p 型半导体材料费米能级靠近价带顶 D n 型半导体材料费米能级靠近价带顶 2.负电子亲和势阴极和正电子亲和势比较有重要差别,参与发射的的电子( ) A 不是冷电子,而是热电子 B 不是热电子,而是冷电子 C 既是冷电子,又是热电子 D 既不是冷电子,也不是热电子 3.下列器件按照响应速度由快到慢的顺序,正确的是( ) A PIN 光电二极管 PN 结光电二极管 光电三极管 光敏电阻 B PIN 光电二极管 光敏电阻PN 结光电二极管 光电三极管 C 光电三极管 PIN 光电二极管 光敏电阻PN 结光电二极管 D PN 结光电二极管 光电三极管 PIN 光电二极管 光敏电阻 4.下列探测器的光-电响应时间,由少数载流子的寿命决定: ( ) A 光电导探测器 B 光电二极管 C 光电倍增管 D 光电倍增管 5.对于光敏电阻,下列说法不正确的是( ) A 弱光照下,光电流与照度之间具有良好的线性关系 B 光敏面做成蛇形,有利于提高灵敏度 C 光敏电阻光谱特性的峰值波长,低温时向短波方向移动 D 光敏电阻具有前历效应 6.下列光源中哪一种光源,可作为光电探测器在可见光区的积分灵敏度测量标准光源:( ) A 氘灯 B 低压汞灯 C 色温2856K 的白炽灯 D 色温500K 的黑体辐射器 7.当黑体的温度升高时,其峰值光谱辐射出射度所对应的波长的移动方向为( ) A.向短波方向移动 B.向长波方向移动 C.不移动 D.均有可能 8.表中列出了几种国外硅APD 的特性参数 根据表中数据,要探测830nm 的弱光信号,最为合适的器件是 ( ) A C30817E B C30916E C C30902E D C30902S 9.已知甲、乙两厂生产的光电器件在色温2856K 标准钨丝灯下标定出的灵敏度分别为uW uA S e /5=, lm A o S v /4.=,则甲乙两厂中光电器件灵敏度比较结果正确的是( ) A. 甲场灵敏度高 B. 乙场灵敏度高 C. 甲乙两场灵敏度一样高 D. 无法比较

测试技术部分课后习题参考答案

第1章 测试技术基础知识 1.4 常用的测量结果的表达方式有哪3种?对某量进行了8次测量,测得值分别为:8 2.40、 82.43、82.50、82.48、82.45、82.38、82.42、82.46。试用3种表达方式表示其测量结果。 解:常用的测量结果的表达方式有基于极限误差的表达方式、基于t 分布的表达方式和基于 不确定度的表达方式等3种 1)基于极限误差的表达方式可以表示为 0max x x δ=± 均值为 8 1 18i x x ==∑82.44 因为最大测量值为82.50,最小测量值为82.38,所以本次测量的最大误差为0.06。极限误差 max δ取为最大误差的两倍,所以 082.4420.0682.440.12x =±?=± 2)基于t 分布的表达方式可以表示为 x t x x ∧ ±=σβ0 标准偏差为 s = =0.04 样本平均值x 的标准偏差的无偏估计值为

?x σ ==0.014 自由度817ν=-=,置信概率0.95β=,查表得t 分布值 2.365t β=,所以 082.44 2.3650.01482.440.033x =±?=± 3)基于不确定度的表达方式可以表示为 0x x x x σ∧ =±=± 所以 082.440.014x =± 解题思路:1)给出公式;2)分别计算公式里面的各分项的值;3)将值代入公式,算出结果。 第2章 信号的描述与分析 2.2 一个周期信号的傅立叶级数展开为 12ππ120ππ ()4( cos sin )104304 n n n n n y t t t ∞ ==++∑(t 的单位是秒) 求:1)基频0ω;2)信号的周期;3)信号的均值;4)将傅立叶级数表示成只含有正弦项的形式。 解:基波分量为 12ππ120ππ ()|cos sin 104304 n y t t t == + 所以:1)基频0π (/)4 rad s ω= 2)信号的周期0 2π 8()T s ω= =

光电子技术安毓英习题答案(完整版)

第一章 2. 如图所示,设小面源的面积为?A s ,辐射亮度为L e ,面源法线与l 0 的夹角为θs ;被照面的面积为?A c ,到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角,试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。 解:亮度定义: r r e e A dI L θ?cos = 强度定义:Ω Φ =d d I e e 可得辐射通量:Ω?=Φd A L d s s e e θcos 在给定方向上立体角为: 2 cos l A d c c θ?= Ω 则在小面源在?A c 上辐射照度为:2 cos cos l A L dA d E c s s e e e θθ?=Φ= 3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源(如红外装置面对 的天空背景),其各处的辐亮度L e 均相同,试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。 答:由θcos dA d d L e ΩΦ = 得θcos dA d L d e Ω=Φ,且() 2 2cos r l A d d +=Ωθ 则辐照度:()e e e L d r l rdr l L E πθπ =+=? ?∞ 20 0222 2 7.黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比,即 M=常数4T ?。这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律,其中常数为 5.6710-8W/m 2K 4 解答:教材P9,对公式2 1 5 1 ()1 e C T C M T e λλλ=-进行积分即可证明。 第二章 3.对于3m 晶体LiNbO3,试求外场分别加在x,y 和z 轴方向的感应主折射率及相应的相位延迟(这里只求外场加在x 方向上) 解:铌酸锂晶体是负单轴晶体,即n x =n y =n 0、n z =n e 。它所属的三方晶系3m 点群电光系数有四个,即γ22、γ13、γ33、γ51。电光系数矩阵为: L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第1.2题图

检测技术课后答案

习题答案 第二章 2-1 二阶系统的频率特性受阻尼比ξ的影响较大。分析表明,ξ越小,系统对输入扰动容易发生超调和振荡,对使用不利。在ξ=0.6-0.7时,系统在宽广的频率范围内由于幅频特性和相频特性而引起的失真小,系统可以获得较为合适的综合特性。比如二阶系统在单位阶跃激励下时,如果阻尼比ξ选择在0.6-0.7范围内,则最大超调量不超过10%,且当误差允许在(5-2)%时趋于“稳态”的调整时间也最短。 2-2 频率特性是指测试系统反映出来的输出与输入幅值之比和两者之相位差是输入频率的函数的这样一个特性。当测试系统的输入为正弦信号时,将该信号的输出与输入之比定义为频响函数。工作频带是指测试装置的适用频率范围,在该频率范围内,仪器装置的测试结果均能保证达到其它相关的性能指针。 2-3 不失真测试要求测试系统的输出波形和输入波形精确相一致,只是幅值相对增大和时间相对延迟。而实际的测试系统很难做到无限频带上完全符合不失真测试的条件,即使测取一个理想的三角波,在某一频段范围内,也难以完全理想地实现不失真测试。三角波呈周期性变化,其测试装置的非线性度必然引起波形的畸变,导致输出失真。由此只能努力使波形失真限制在一个允许的误差范围内,即做到工程意义上的不失真测量。 2-4 系统的总灵敏度为:90×0.005×20=9mm/Mpa 偏移量为:9×3.5=31.5mm 2-5 由,得 用该装置测量频率为50Hz的正弦信号时, ,即幅值误差为1.3% 相角差为: 2-6 由,得:

2-7 由 输入信号的频率范围是: 2-8 环节一的灵敏度为: 1.5/5=0.3 环节二的灵敏度为:41 故串联后的灵敏度为:0.3×41=12.3 2-9 由 测量频率为400Hz变化的力参量时: 若装置的阻尼比为0.7,则: 2-10 由,得: 又:由,得: 频率响应函数为:

光电检测技术期末试卷试题大全

1、光电器件的基本参数特性有哪些? (响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度) 响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应 噪声分类:热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP 2、光电信息技术是以什么为基础,以什么为主体,研究和发展光电信息的 形成、传输、接收、变换、处理和应用。 (光电子学光电子器件) 3、光电检测系统通常由哪三部分组成 (光学变换光电变换电路处理) 4、光电效应包括哪些 外光电效应和内光电效应) 外光电效应:物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。 内光电效应:物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。 光电导效应:半导体受光照后,内部产生光生载流子,使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。 光生伏特效应:光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时,会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件,按用途可分为 哪几种? (光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池) 6、激光的定义,产生激光的必要条件有什么? (定义:激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔) 7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出? (交变辐射) 8、CCD是一种电荷耦合器件,CCD的突出特点是以什么作为信号,CCD的 基本功能是什么? (电荷CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。) 9根据检查原理,光电检测的方法有哪四种。 (直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法) 10、光热效应应包括哪三种。 (热释电效应辐射热计效应温差电效应) 11、一般PSD分为两类,一维PSD和二维PSD,他们各自用途是什么? (一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置;二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。) 12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器,它的结构特点是有一个真空管,其他元件都在真空管中,真空光电器件包括哪两类。 (外光电效应光电管光电倍增管) 二、名词解释 1、响应度 (响应度(或称灵敏度):是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。)2、信噪比 (是负载电阻上信号功率与噪声功率之比)

光电检测技术知识点

1、光电效应应按部位不同分为内光电效应和外光电效应,内光电效应包括(光电导)和(光生伏特效应)。 2、真空光电器件是一种基于(外光电)效应的器件,它包括(光电管)和(光电倍增管)。结构特点是有一个真空管,其他元件都放在真空管中 3、光电导器件是基于半导体材料的(光电导)效应制成的,最典型的光电导器件是(光敏电阻)。 4、硅光电二极管在反偏置条件下的工作模式为(光电导),在零偏置条件下的工作模式为(光生伏特模式)。 5、变象管是一种能把各种(不可见)辐射图像转换成为可见光图像的真空光电成像器件。 6、固体成像器件(CCD)主要有两大类,一类是电荷耦合器件(CCD),另一类是(SSPD)。CCD电荷转移通道主要有:一是SCCD(表面沟道电荷耦合器件)是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,并沿界面传输;二是BCCD称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件,电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内,并沿着半导体内一定方向传输 7、光电技术室(光子技术)和(电子技术)相结合而形成的一门技术。 8、场致发光有(粉末、薄膜和结型三种形态。 9、常用的光电阴极有正电子亲合势光电阴极(PEA)和负电子亲合势光电阴极(NEA),正电子亲和势材料光电阴极有哪些(Ag-O-Cs,单碱锑化物,多碱锑化物)。 10、根据衬底材料的不同,硅光电二极管可分为(2DU)型和(2CU)型两种。 11、像增强器是一种能把微弱图像增强到可以使人眼直接观察的真空光电成像器件,因此也称为(微光管)。 12、光导纤维简称光纤,光纤有(纤芯)、(包层)及(外套)组成。 13、光源按光波在时间,空间上的相位特征可分为(相干)和(非相干)光源。 14、光纤的色散有材料色散、(波导色散)和(多模色散)。 15、光纤面板按传像性能分为(普通OFP)、(变放大率的锥形OFP)和(传递倒像的扭像器)。 16、光纤的数值孔径表达式为,它是光纤的一个基本参数、它反映了光纤的(集光)能力,决定了能被传播的光束的半孔径角 17、真空光电器件是基于(外光电)效应的光电探测器,他的结构特点是有一个(真空管),其他元件都置于(真空管)。

电工电子技术课后答案

《电工电子技术》(第二版)节后学习检测解答 第1章节后检验题解析 第8页检验题解答: 1、电路通常由电源、负载和中间环节组成。电力系统的电路功能是实现电能的传输、分配和转换;电子技术的电路功能是实现电信号的产生、处理与传递。 2、实体电路元器件的电特性多元而复杂,电路元件是理想的,电特性单一、确切。由理想元件构成的、与实体电路相对应的电路称为电路模型。 3、电路中虽然已经定义了电量的实际方向,但对某些复杂些的直流电路和交流电路来说,某时刻电路中电量的真实方向并不能直接判断出,因此在求解电路列写方程式时,各电量前面的正、负号无法确定。只有引入了参考方向,方程式中各电量前面的的正、负取值才有意义。列写方程式时,参考方向下某电量前面取正号,即假定该电量的实际方向与参考方向一致,若参考方向下某电量前面取负号,则假定该电量的实际方向与参考方向相反;求解结果某电量为正值,说明该电量的实际方向与参考方向相同,求解结果某电量得负值,说明其实际方向与参考方向相反。电量的实际方向是按照传统规定的客观存在,参考方向则是为了求解电路方程而任意假设的。 4、原题修改为:在图1-5中,五个二端元 件分别代表电源或负载。其中的三个元件上电流和电压的参考方向已标出,在参考方向下通过测量得到:I 1=-2A ,I 2=6A ,I 3=4A ,U 1=80V ,U 2=-120V ,U 3=30V 。试判断哪些元 件是电源?哪些是负载? 解析:I 1与U 1为非关联参考方向,因此P 1=-I 1×U 1=-(-2)×80=160W ,元件1获得正功率,说明元件1是负载;I 2与U 2为关联参考方向,因此P 2=I 2×U 2=6×(-120)=-720W ,元件2获得负功率,说明元件2是电源;I 3与U 3为关联参考方向,因此P 3= I 3×U 3=4×30=120W ,元件3获得正功率,说明元件3是负载。 根据并联电路端电压相同可知,元件1和4及3和5的端电压之代数和应等于元件2两端电压,因此可得:U 4=40V ,左高右低;U 5=90V ,左低右高。则元件4上电压电流非关联,P 4=-40×(-2)=80W ,元件4是负载;元件5上电压电流关联,P 5=90×4=360W ,元件5是负载。 验证:P += P 1+P 3+ P 4+ P 5= 160+120+80+360=720W P -= P 2 =720W 电路中电源发出的功率等于负载上吸收的总功率,符合功率平衡。 第16页检验题解答: 图1-5检验题4电路图 U 3

光电检测技术介绍

?(一)检测 一、检测是通过一定的物理方式,分辨出被测参数量病归属到某一范围带,以此来 判别被测参数是否合格或参数量是否存在。测量时将被测的未知量与同性质的标准量进行比较,确定被测量队标准量的倍数,并通过数字表示出这个倍数的过程。 在自动化和检测领域,检测的任务不仅是对成品或半成品的检验和测量,而且为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象使之处于人们选定的最佳状况,需要随时检测和测量各种参量的大小和变化等情况。这种对生产过程和运动对象实时检测和测量的技术又称为工程检测技术。 测量有两种方式:即直接测量和间接测量 直接测量是对被测量进行测量时,对以表读数不经任何运算,直接的出被测量的数值,如:用温度计测量温度,用万用表测量电压 间接测量是测量几个与被测量有关的物理量,通过函数关系是计算出被测量的数值。 如:功率P与电压V和电流I有关,即P=VI,通过测量到的电压和电流,计算出功率。 直接测量简单、方便,在实际中使用较多;但在无法采用直接测量方式、直接测量不方便或直接测量误差大等情况下,可采用间接测量方式。 光电传感器与敏感器的概念 传感器的作用是将非电量转换为与之有确定对应关系得电量输出,它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口。在检测和控制过程中,传感器是必不可少的转换器件。 从能量角度出发,可将传感器划分为两种类型:一类是能量控制型传感器,也称有源传感器;另一类是能量转换传感器,也称无源传感器。能量控制型传感器是指传感器将被测量的变换转换成电参数(如电阻、电容)的变化,传感器需外加激励电源,才可将被测量参数的变化转换成电压、电流的变化。而能量转换型传感器可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化,不需外加激励源。 在很多情况下,所需要测量的非电量并不是传感器所能转换的那种非电量,这就需要在传感器前面加一个能够把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量的装置或器件。这种能够被测非电量转换为可用电量的元器件或装置成为敏感器。例如用电阻应变片测量电压时,就需要将应变片粘贴到售压力的弹性原件上,弹性原件将压力转换为应变力,应变片再将应变力转换为电阻的变化。这里应变片便是传感器,而弹性原件便是敏感器。敏感器和传感器随然都可对被测非电量进行转换,但敏感器是把被测量转换为可用非电量,而传感器是把被测非电量转换为电量。 二、光电传感器是基于光电效应,将光信号转换为电信号的一种传感器,广泛应用 于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。 光电传感器主要噢有光电二极管、光电晶体管、光敏电阻Cds、光电耦合器、继承光电传感器、光电池和图像传感器等。主要种类表如下图所示。实际应用时,要选择适宜的传感器才能达到预期的效果。大致的选用原则是:高速的光电检测电路、宽范围照度的照度计、超高速的激光传感器宜选用光电二极管;几千赫兹的简单脉冲光电传感器、

测试技术课后题部分答案

1.1简述测量仪器的组成与各组成部分的作用 答:感受件、中间件和效用件。感受件直接与被测对象发生联系,感知被测参数的变化,同时对外界发出相应的信号;中间件将传感器的输出信号经处理后传给效用件,放大、变换、运算;效用件的功能是将被测信号显示出来。 1.2测量仪器的主要性能指标及各项指标的含义是什么 答:精确度、恒定度、灵敏度、灵敏度阻滞、指示滞后时间等。精确度表示测量结果与真值一致的程度;恒定度为仪器多次重复测量时,指示值的稳定程度;灵敏度以仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比例表示;灵敏度阻滞又称感量,是足以引起仪器指针从静止到做微小移动的被测量的变化值;指示滞后时间为从被测参数发生改变到仪器指示出该变化值所需时间,或称时滞。 2.3试述常用的一、二阶测量仪器的传递函数及它的实例 答:一阶测量仪器如热电偶;二阶测量仪器如测振仪。 2.4试述测量系统的动态响应的含义、研究方法及评价指标。 答:测量系统的动态响应是用来评价系统正确传递和显示输入信号的指标。研究方法是对系统输入简单的瞬变信号研究动态特性或输入不同频率的正弦信号研究频率响应。评价指标为时间常数τ(一阶)、稳定时间t s和最大过冲量A d(二阶)等。 2.6试说明二阶测量系统通常取阻尼比ξ=0.6~0.8范围的原因 答:二阶测量系统在ξ=0.6~0.8时可使系统具有较好的稳定性,而且此时提高系统的固有频率ωn会使响应速率变得更快。 3.1测量误差有哪几类?各类误差的主要特点是什么? 答:系统误差、随机误差和过失误差。系统误差是规律性的,影响程度由确定的因素引起的,在测量结果中可以被修正;随机误差是由许多未知的或微小因素综合影响的结果,出现与否和影响程度难以确定,无法在测量中加以控制和排除,但随着测量次数的增加,其算术平均值逐渐接近零;过失误差是一种显然与事实不符的误差。 3.2试述系统误差产生的原因及消除方法 答:仪器误差,安装误差,环境误差,方法误差,操作误差(人为误差),动态误差。消除方法:交换抵消法,替代消除法,预检法等。 3.3随机误差正态分布曲线有何特点? 答:单峰性、对称性、有限性、抵偿性。 4.1什么是电阻式传感器?它主要分成哪几种? 答:电阻式传感器将物理量的变化转换为敏感元件电阻值的变化,再经相应电路处理之后转换为电信号输出。分为金属应变式、半导体压阻式、电位计式、气敏式、湿敏式。 4.2用应变片进行测量时为什么要进行温度补偿?常用的温度补偿方法有哪几种? 答:在实际使用中,除了应变会导致应变片电阻变化之外,温度变化也会使应变片电阻发生误差,故需要采取温度补偿措施消除由于温度变化引起的误差。常用的温度补偿方法有桥路补偿和应变片自补偿两种。 4.4什么是电感式传感器?简述电感式传感器的工作原理 答:电感式传感器建立在电磁感应的基础上,是利用线圈自感或互感的变化,把被测物理量转换为线圈电感量变化的传感器。 4.5什么是电容式传感器?它的变换原理如何 答:电容式传感器是把物理量转换为电容量变化的传感器,对于电容器,改变ε ,d和A都会 r 影响到电容量C,电容式传感器根据这一定律变换信号。 4.8说明磁电传感器的基本工作原理,它有哪几种结构形式?在使用中各用于测量什么物理量?

光电技术与光电检测技术概述

光电技术与光电检测技术概述 摘要:光电技术是以激光,红外,微电子等为基础的,由光学、精密机械、电子和计算机技术结合而成的高新技术。光电检测技术是光电技术中最主要最核心的部分,它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术 以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量,微光、弱光测量,红外测量,光扫描、光 跟踪测量,激光测量,光纤测量,图象像测量等。它集中发展了光学和电子固有的技术优势,形成了许多崭新功能和良好的技术性能,在国民经济、国防、科学研究等各方面有着广泛的应用和巨大的潜力,成为新技术革命时代和信息社会的重要技术支柱,受到了各方面重视,从而得到了快速发展。 关键词:光电技术光电检测技术 引言 在当前信息化社会中,光电技术已成为获取光学信息或提取他信息的手段。它是人类能更有效地扩展自身能力,使视觉的长波延长到亚毫米波,短波延伸至X射线、γ射线,乃至高能粒子。并且可以在飞秒级记录超快速现象,如核反应、航空器发射等的变化过程。而且光电检测技术是一种非接触测量的高新技术,是光电技术的核心和重要组成部分。通过光电检测器件对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测,并转换为电信号,经检测电路、A/D变换接口输入微型计算机进行运算、处理,最后得出所需检测物的几何量或物理量等参数。因此,光电检测技术是现代检测技术的重要手段和方法,是计量技术的一个重要发展方向。 一、光电技术与光电检测技术的含义 现代科学技术发展的一个显著性特点是纵横交叉,彼此渗透,边缘科学不断露头和进展迅速。由于光学现象可以进行近似线性化使它可以采用有关线性系统的一般原理,因此在电系统中的许多行之有效的理论和分析方法都可以移植到光学中来。随着大规模集成电路的发展,光学也开始向集成化发展。 光电技术是以激光,红外,微电子等为基础的,由光学、精密机械、电子和计算机技术结合而成的高新技术。它集中发展了光学和电子固有的技术优势,形成了许多崭新功能和良好的技术性能,在国民经济、国防、科学研究等各方面有着广泛的应用和巨大的潜力,成为新技术革命时代和信息社会的重要技术支柱,受到了各方面重视,从而得到了快速发展。 光电检测技术是光电技术中最主要最核心的部分,它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量,微光、弱光测量,红外测量,光扫描、光跟踪测量,激光测量,光纤测量,图象像测量等。 光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量,是21世纪的尖端科学,它将对整个科学技术的发展起着巨大的推动作用。同时它本身涵盖了众多的科学技术,它的发展带动了众多科学技术的发展,并在交流与发展的过程中,形成了巨大的光电产业。 二、光电技术与光电检测技术的发展 光电技术与光电检测技术的发展主要是在1960年成功研制红宝石激光器以后,接着又发明了He-Ne激光的气体激光器和GaAs半导体激光器等。激光器的发明为光电技术与光电检测技术的发展给与了革命性的推动,因为它不断给光电检测器提供主动照明的可能,而且有了传送、接收和加工

自动检测技术_马西秦_第三版_习题答案

思考题与习题解马西秦 第一章、思考题与习题 1、检测系统由哪几部分组成?说明各部分的作用。 答:1、检测系统由:传感器、测量电路、显示记录装置三部分组成。 2、传感器部分的作用:是把被测量变换成另一种与之有确定的对 应关系,并且便于测量 的量的装置。 测量电路部分的作用:是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。 显示记录装置部分的作用:是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。 2、非电量的电测法有哪些优点? 答:P3 3、测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时,应当采用何种测量方法?如何进行? 答:1)、采用微差式测量; 2)、微差式测量是综合零位式测量和偏差式测量的优点而提出的一种测量方法。 基本思路是:将被测量x的大部分作用先与已知标准量N的作用相抵消,剩余部分即两者差值 Δ=x-N。这个差值再用偏差法测量。 微差式测量中:总是设法使差值Δ很小,因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量之。即使差值的测量精度不高,但最终结果仍可达到较高的精度。

例如:测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时,输出电压U。 可表示为U0=U+ ΔU, 其中ΔU是负载电阻变化所引起的输出电压变化量,相对U来讲为一小量。如果采用偏差法测 量,仪表必须有较大量程以满足U。的要求,因此对ΔU这个小量造成的U0的变化就很难测准。 当然,可以改用零位式测量,但最好的方法是采用如图1-3所示的微差式测量。 微差式测量: ⑴、微差式测量电路图中; ①、使用了高灵敏度电压表:毫伏表和电位差计; ②、Rr和E分别表示稳压电源的内阻和电动势; ③、RL表示稳压电源的负载; ④、E1、R1和Rw表示电位差计的参数。 ⑵、微差式测量过程 ①、在测量前调整R1,使电位差计工作电流I1为标准值。 ②、然后使稳压电压负载电阻RL为额定值,调整RP的活动触点, 使毫伏表指示为零,这相当于事先用零位式测量出额定输出电 压U。 ③、正式测量开始后,只需增加或减小负载电阻RL的值,负载变动 所引起的稳压电压输出电压U0的微小波动值ΔU即可由毫伏表 指示出来。

光电检测思考题及部分答案

1.什么是光电检测系统?其基本组成部分有哪些? 答:指对待测光学量或由非光学待测物理量转换的光学量,通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。 组成部分:光源;被检测对象及光信号的形成;光信号的匹配处理;光电转换;电信号的放大与处理;微机;控制系统;显示。 2.简要说明光电检测技术的重要应用范围? 答:辐射度量和光度量的检测;光电元器件及光电成像系统特性的检测;光学材料、元件及系统特性的检测;非光学量的光电检测。 3.光电探测器的原理有几种效应?分别是什么?内容是什么? 答:四种。光电子发射效应:在光辐射作用下,电子逸出材料表面,产生光电子发射。光电导效应:光照射某些半导体材料,某些电子吸收光子变成导电自由态,在外电场的作用下,半导体的电导增大。光生伏特效应:光照射在PN结及其附近,在结区中因电场作用,产生附加电动势。光磁电效应:半导体置于磁场中,用激光垂直照射,由于磁场产生洛伦兹力,形成电位差。。 4. 光电探测器的种类及相应的光电器件? 答:光电子发射器件:光电管、光电倍增管; 光电导器件:光敏电阻; 光生伏特器件:雪崩光电管、光电池、光电二极管、光电三极管。 5. 光电探测器的性能参数有哪些?详细叙述之。 答:量子效率:响应度:光谱响应:响应时间和频率响应:噪生等效功率:探测度:线性度:。

6. 光电探测器的噪声主要来源于什么? 答:热噪声;暗电流噪声;散粒噪声;低频噪声。 7.作为性能优良的光电探测器应具有哪三项基本条件? 答:光吸收系数好;电子亲和力小;光电子在体内传输过程中受到的能量损失应该小,使其逸出深度大。 8.常见的光阴极材料有哪些? 答:银氧铯;锑钾;锑铯。 9.真空二极管与充气二极管的工作原理与结构以及它的优缺点比较。答:真空二极管工作原理:当入射光透过光窗射到光阴极面上时,光电子从阴极发射到真空中,在阴极电场作用下,光电子加速运动到阳极被吸收,光电流数值可在阳极电路中测出。优缺点:电流与入射光通量成正比,因此可精确测量光通量;噪声小,但增益小。 充气二极管工作原理:光电管中充入低压惰性气体,在光照下光阴极发射出的光电子受电场作用加速向阳极运动,途中与气体原子相碰撞,气体原子发生电离形成电子与正离子,不断繁衍构成电子流。优缺点:高灵敏度,结构简单,但噪声大频响差。 10.光电倍增管的工作原理及结构(组成部分),他有什么特点?答:工作原理:光照射在光电阴极上,从光阴极激发出的光电子,在电场U1的加速下,打在第一个倍增级D1上,由于光电子能量很大,它打在倍增极上时就又激发出数个二次光电子,在电场U2的作用下,二次光电子又打在第二个倍增极上,又引起电子发射,如此下去,电子流迅速倍增,最后被阳极收集。组成部分:光电阴极、倍增极、阳

光电检测技术的现状及发展趋势

光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术,主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等,具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点,在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用,如光扫描、光跟踪测量,光纤测量,激光测量,红外测量,图像测量,微光、弱光测量等,是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。本文从光电检测技术本身特点出发,分析其发展现状及发展趋势。 一、光电检测技术的概述 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测,并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息,然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量,并进一步经过电路放大、处理,以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律,以便于进行相应的电路改进,更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性,从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号,同时提高测系统输出信号的信噪比。 光电检测的系统机构比较简单,分为信号的处理器,受光器,光源。在实际检测过程中,受光器在获得感知信号后,就会被反映为不同形状、颜色的信号,同时根据这些器件所处在的不同位置,就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光,例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展,光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后,会以不一样的方式触摸这些被检测物中,直到照射到检测系统中的受光器中,同时受光器在此刺激下,会产生一定量的电流,这就是我们常说的光敏性的原件,实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。 光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量,它具有高精度、高速度、远距离、大量程、非接触测量等特点。 二、光电检测技术的发展现状

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