武汉理工大学 光电信号检测答案整理
光电检测技术习题试题
注意：红字部分表示还不确定。
第 1 章光电检测技术概论
选择题：
1.一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器是(1)人眼；(2)光电倍增管；(3)半导体光敏器件；
答案：（1）
在大脑传送信息的 300 万条神经纤维中，视神经纤维占了(1) 2/3； (2) 1/2；(3)1/3
答案：（1）
2.人体内，视神经细胞接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2 X 108； (3) 2X 104；(4)3X104；答案：（2）
人体内，听觉接收细胞的接收器的数目是(1) 3X108； (2) 2X108； (3) 2 X 104； (4) 3X104。答案：（4）
3.明视觉可以分辨物体的(1)细节和颜色；(2)亮暗；(3)层次；
答案：（1）
暗视觉可以分辨物体的(1)细节和颜色；(2)亮暗；(3)层次。
答案：（3）
4.在光亮情况下起作用的感光细胞是(1)锥状细胞；(2)杆状细胞；
答案：（1）
在暗视场条件下起作用的感光细胞是(1)锥状细胞；(2)杆状细胞。
答案：（2）
5.在白昼时，人眼瞳孔直径为(1) 2mm； (2) 3mm； (3) 8mm； (4) 7mm；
答案：（1）
在弱光下，人眼瞳孔直径为(1) 2mm； (2) 3mm； (3) 8mm； (4) 7mm。
答案：（3）
6.人眼能接收极其微弱的光，即(1) 2X10-17W； (2) 3X10-15W； (3) 2X10-16W
答案：（1）
人眼能接收的强光是(1) 2X10-5W； (2) 3X10-4W； (3) 2X10-3W。
答案：（1）
7.视力为 1.0 的人，一般可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"；
答案：（1）
人眼通过光学仪器，可以分辨的视角是(1) 1'(角度分)；(2) 1"； (3) 0.1"。
答案：（3）
8.人眼感知灵敏度最高的颜色是(1)红色；(2)绿色；(3)蓝色；
答案：（2）
人眼在感知大视场内景物时能否集中于小目标(1)能；(2)不能。
答案：（1）
9.波长在什么值处，即使波长相差不到 1nm，人眼仍能发现颜色
的差别(1) 480nm；(2) 550nm； (3) 600nm； (4) 700nm。
答案：（1）（3）
10.明视觉的视见函数的最大值在(1) 550nm； (2) 555nm； (3) 560nm；
答案：（2）
暗视觉的视见函数的最大值在(1) 500nm； (2) 507nm； (3) 510nm。
答案：（2）
11.人的视觉暂留时间是(1) 1/l00s； (2) 1/l0s； (3) 1s；
答案：（2）
人眼的动态响应时间是(1) 40ms； (2) 50ms； (3) 60ms。
答案：（2）
12.通过照相机或摄像机拍摄的东西属于视觉的(1)时间上扩展；(2)空间上扩展； (3) 识别能力扩展。
答案：（1）
通过望远镜看到的东西属于视觉的(1)时间上扩展；(2)空间上扩展；(3)识别能力扩展。
答案：（2）
13.通过放大镜或显微镜能看清的东西属于视觉的(1)时间上扩展；(2)空间上扩展； (3)识別能力扩展。
答案：（3）
一般，光学仪器的工作是否需要人的视觉参与(1)要；(2)不要。
答案：（1）
14.激光技术是否属于光电技术的范畴(1)是；(2)不是。
答案：（1）
光纤技术是否属于光电技术的范畴(1)是；(2)不是。
答案：（1）
15.能检测光辐射的平均特性的光电器件是(1)光电检测器件；(2)光电成像器件； (3)光控制器件。
答案：（1）
可检测出物体的亮度等级和空间分布的光电器件是(1)光电检测器件；(2)光电成像器件；(3)光控制器件。
答案：（2）
16.能代替人眼检测将光能转换为电能的光电器件是(1)光电检测器件；(2)光电成像器件；(3)光控制器件。
答案：（3）
17.一般，光电检测系统的测量灵敏度(1)高；(2)低。
答案：（1）
一般，光电检测系统的测量是(1)接触式；(2)非接触式。
答案：（2）
18.光电检测的技术和方法有(1)高的可靠性和灵活性；(2)可靠性高、方法灵活； (3)方法灵活、可靠性一般。
答案：题目有问题
问答题
1.什么是视觉？为什么说一个人的视觉最重要？
答：视觉是通过视觉系统的外周感觉器官（眼）接受外界环境中一定波长范围内的电磁波刺激，经中枢有关部分进行编码加工和分析后获得的主观感觉。
视觉的作用：人和动物感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静，获得对机体生存具有重要意义的各种信息，至少有80%以上的外界信息经视觉获得。
2.什么是视见函数？明视觉与暗视觉各有什么作用？
答：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，称为视见函数。
明视觉：在明视觉的情况下，人眼能分辨物体的细节，也能分辨颜色，但对不同波长可见光的感受性不同，因此能量相同的不同色光表现出不同的明亮程度。
暗视觉：只能分辨明暗，而没有颜色感觉，并且辨别物体细节的能力大大降低
3.什么是光电传感器？它有什么作用？
答：光电传感器是采用光电元件作为检测元件，将光信号转换为电信号的器件。作用是检测引起光量变化的非电量或检测能转化成光量变化的非电量。
4.试述光电检测系统的特点？
答：怎么找只找到了光电检测技术的特点，可能题目出错了？
光电检测技术特点：（1）高精度，光电测量是各种测量技术中精度最高的一种
（2）高速度，光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，因此用光学方法获取和传递信息的速度是最快的。
（3）远距离、大量程，光是最便于远距离传递信息的介质，尤其适用于遥控和遥测
（4）非接触式测量，不影响到被测物体的原始状态进行测量。
5.近年来光电技术与光电检测技术在光电材料与器件方面有什么进展？
答：（开放题，自己上网找）
激光测量技术、视觉检测技术、光纤传感技术等……
第 2 章光电检测技术基础
选择题(在你认为对的选项序号上打V，有几个对，就打几个)
1.光的直线传播概念能解释(1)光的干涉；(2)光偏振；(3)光衍射；(4)光折射。
答案：（4）
光的波动理论能解释(1)光的干涉；(2)光偏振；(3)光衍射；(4)光折射。
答案：（1）（2）（3）
2.光的量子论能解释(1)光吸收；(2)光偏振；(3)光色散；(4)光散射。
答案：（1）
麦克斯韦理论能解释(1)光吸收；(2)光偏振；(3)光色散；(4)光散射。
答案：（2）（4）
3.光电效应证实了(1)光量子论；(2)光波动论。
答案：（1）
光的发射和吸收证实了(1)光量子论；(2)光波动论。
答案：（1）
4.可见光的波长范围是(1) 300?700nm； (2) 350?780nm； (3) 380?780nm。
答案：（3）
红外光的波长范围是(1) 700?1000nm； (2) 780nm—1000μm； (3) 780nm?1μm。
答案：（2）
5.紫外光的波长范围是(1) 1?380nm； (2) 200nm?400μm； (3) 1?400nm。
答案：（3）
本征硅的光谱响应范围是(1) 300?1200nm； (2) 400~1300nm； (3) 400?1100nm。
答案：（3）
6.人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数值为(1) 683lm/W； (2)
783lm/W； (3) 883lm/W。
答案：（1）
人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数值为(1) 1625lm/W； (2) 1725lm/W；
(3) 1825lm/W。
答案：（2）
7.色温越高的辐射体，可见光的成分越(1)多；(2)少。
答案：（1）
色温越高的辐射体，光视效能越(1)高；(2)低。
答案：（1）
8.色温越高的辐射体，光度量越(1)高；(2)低。
答案：（1）
白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱(1)减弱 (2)增强；
答案：（1）
9.白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的光视效能(1)降低；(2)提高。
答案：（1）
白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，此时用光照度计检测出的光照度将(1)下降；(2)增大。
答案：（1）
10.有否玻璃半导体(1)有；(2)没有。
答案：（1）
有否稀土半导体(1)有；(2)没有。
答案：（1）
11.半导体的电阻温度系数一般是(1)正的；(2)负的。
答案：（2）
金属的电阻温度系数一般是(1)正的；(2)负的。
答案：（1）
12.在 T=0K 时，半导体的能带与绝缘体(1)相似；(2)不相
似。
答案：（1）
导带中的电子是否自由电子(1)是；(2)不是。
答案：（1）
13.价带中的电子是否自由电子(1)是；(2)不是。
答案：（2）
价带中的空穴是否自由空穴(1)是；(2)不是。
答案：
14.主要由电子导电的半导体是(1)本征半导体；(2) N 型半导体；(3) P 型半导体。答案：（2）
主要由空穴导电的半导体是(1)本征半导体；(2) N 型半导体；(3) P 型半导体。
答案：（3）
15.费米能级 E F—般在(1)导带中；(2)价带中；(3)禁带中。
答案：（3）
杂质的能级一般在(1)导带中；(2)价带中；(3)禁带中。
答案：（3）
16.掺杂半导体比本征半导体的导电性能(1)强；(2)弱；(3) 一样。
答案: （1）
杂质的电离能比禁带宽度 E g(1)大；(2)小；(3) —样。
答案：（1）
17.半导体中复合中心越多，非平衡载流子寿命越(1)长；(2)短。
答案：（2）
半导体中陷阱中心越多，非平衡载流子寿命越(1)长；(2)短。
答案：（1）
18.电子迁移率比空穴迁移率(1)大；(2)小；(3)一样。
答案：（1）
同一种载流子的扩散系数与迁移率间的关系呈(1)正比；(2)反比。
答案：（1）
19.杂质光电导比本征光电导(1)强；(2)弱；(3) 一样。
答案：（2）
杂质光电导的长波限比本征光电导(1)长；(2)短；(3) 一样。
答案：（1）
问答题
1.什么是光？它有几个波长区域？
答：定义：光是引起人眼视觉的电磁波。
光的波长区域：
2.光量子能量是多少？光电效应证实了什么？
答：光量子能量E=hυ
光电效应证实了光具有粒子性。
3.什么是热辐射？物体是否辐射光？什么情况下才辐射可见光？
答：热辐射：物体因自身的温度直接向外发射能量的方式，叫做热辐射
物体具有辐射光，当物体的温度在800℃上时，辐射可见光
4.辐射度量与光度量有何关系？如何转换？
答：辐射度量描述整个电磁波谱范围的电磁辐射，以辐射能和辐射功率为基本量，而光度量描述可见光范围的电磁辐射。
转换关系：
5.什么是半导体？它有什么特别之处？
答：指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
半导体五大特性∶掺杂性,热敏性,光敏性,负电阻率温度特性,整流特性。
6.什么是能级？什么是能带？试绘出绝缘体、导体、半导体的能带结构？
答：能级：微观粒子系统处于各稳定的能量状态时所具有的能量值。
能带：当N个原子相互靠近结合成晶体后，每个原子都要受到周围势场的作用，结果每一个N度简并的能级就分裂成N个彼此相距很近的能级，这些能级组成了一个能带。
（示意图大家应该都会哈，就不放图了）
7.什么是禁带宽度？其大小对于半导体有何影响？
答：禁带宽度是导带底与价带顶之间的能量差。（或者说是指一个能带宽度.固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。）
禁带宽度直接决定着半导体器件的耐压和最高工作温度。
8.什么是迁移率？电子的迁移率与空穴的迁移率谁大？为什么？
答：迁移率是指单位电场强度下所产生的载流子的平均漂移速度。
电子迁移率大，因为空穴的有效质量比电子的大。
计算题
1.0.5lm 的光均匀照射到面积为 4cm2的光敏面上，问光敏面上的照度为多少 lx?
答：E v=Φv/A=0.5lm/（4×10-4m2）=1250lx
2.一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面 1.5m 的高处，用照度计测定正下方地面上的
照度为 30lx，试求出该白炽灯的光通量？
3.某半导体光电器件的长波限为13μm，试求其杂质电离能ΔE i?
答：ΔEi=Eth =hc/λL =1.24/13=0.095eV
名词解释
1.激光：受激辐射而产生放大的光
2.光电发射第一定律：
答：入射光的频谱成分不变时，光电发射体单位时间发射出的光电子数或饱和光电流与入射光强度成正比。（或当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量φK成正比。）
3.光电发射第二定律：
答：光电子的最大动能与入射光的频率成正比，和入射光强度无关。（或当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量φK成正比。）
4.热噪声：
答：导体中载流子无规则热运动而产生的噪声。
5.本征光电导效应：
答：本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。（或只有光子能量m 大于材料禁带宽度Eq的入射光，才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应现象）
6.信噪比：在负载电阻上信号功率与噪声功率之比。
7.光电信号的二值化处理：将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值
化处理
8.亮电流：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。
9.坎德拉(Candela,cd)：发光频率为540310Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为
1/683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为1cd。
10.量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。（或一定波长
下光子入射到阴极，阴极单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。）
11.光生伏特效应：光照在P-N结或金属-半导体接触面上时，会在接触处产生光生电动势（或
光照在P-N结或金属-半导体接触面上时，在接触部位产生势垒，激发光生载流子，注入到势垒附近，产生光生电压的现象。）
选择题：
1、正常天气太阳光的峰值辐射波长为502nm，太阳表面的温度大约为（A）．
A. 6000K
B.60000K
C. 5000K
D.50000K
2、任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1，称为（A）.
A．黑体 B．灰体 C．黑洞 D．绝对黑体
3、材料的禁带宽度，最大的是( C )
A. 金属;
B. 杂质半导体
C. 绝缘体;
D. 本征半导体．
4、等离子体是一种 ( B ).
A. 气体光源
B. 固体光源
C. 液体光源
D. 激光光源
5、费米能级Ef 的意义是电子占据率为( D )时所对应的能级
A. 0；
B. 0.1；
C. 0.2；
D. 0.5．
6、光电探测器单位信噪比的光功率，称为光电探测器的（ C ）。
A. 电流灵敏度;
B. 光谱灵敏度;
C. 噪声等效功率;
D. 通量阈
7、 N 型半导体的费米能级处于禁带（ B ）.
A. 中间
B. 上部
C. 下部
D. 不确定．
8、硅光电二极管与硅光电池相比，前者比后者不正确的说法是（ A ）．
A. 衬底掺杂浓度高；
B. 电阻率高；
C. 光敏面小；
D. 前者反偏后者无偏．
9、正常天气太阳光的峰值辐射波长为502nm，太阳表面的温度大约为（ A ）．
A. 6000K
B.60000K
C. 5000K
D.50000K
10、为了使雪崩光电二极管正常工作，应在其P-N 结上加( A )。
A. 高反向偏压
B. 低正向偏压
C. 高正向偏压
D. 低反向偏压
11、费米能级Ef 的意义是电子占据率为( D )时所对应的能级
A. 0；
B. 0.1；
C. 0.2；
D. 0.5．
12、在光源λ一定的情况下，通过半导体的透射光强随温度T的增加而( B )。
A. 增加;
B. 减少;
C. 不变;
D. 不能确定．
13、光度量是辐射度量的（C）倍。
A.683
B.V（λ）
C.683V（λ）
D.1/683V（λ）
14、紫外线频率的范围在（ D ）。
A. 1011～1012
B. 108～109
C. 1013～1014
D. 1015～1016
15、半导体中施主能级的位置位于（ A ）中。
A.禁带
B.价带
C.导带
D.满带
16、波长为500nm 的波属于（ C ）。
A.远红外线
B.太赫兹波
C.可见光
D.X 射线
17、热敏电阻的种类不包括（ D ）。
A. PTC
B. NTC
C. CTC
D. ZTC
18、热效应较小的光是（ D ）。
A. 紫光
B. 红光
C. 红外
D. 紫外
19、属于相干光源的是（ C ）。
A. 气体放电灯
B. 黑体辐射器
C. 固体激光器
D. 发光二极管
20、光子探测是利用入射光和磁，产生（ B ）。使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。
A. 光子效应
B. 霍尔效应
C. 热电效应
D. 压电效应
21、光纤纤芯、包层、外套的折射率n 1、n 2、n 0 的关系是（ D ）。
A. n 1> n 2> n 0
B. n 2> n 0> n 1
C. n 0> n 2> n 1
D. n 1> n 0> n 2
22、PN结和光敏电阻的时间常数（ B ）。
A.前者大
B. 后者大
C.一样大
D. 不能确定
23、硅光电池在（ B ）情况下有最大的功率输出。
A. 开路;
B.自偏置;
C.零伏偏置;
D.反向偏置
24、光纤的数值孔径与( C )有关。
A．纤芯的直径 B.包层的直径 C.相对折射率差 D.光的工作波长
25、硅光电二极管与硅光电池比较，后者（ B ）。
A．掺杂浓度低. B．电阻率低 C．反偏工作 D．光敏面积小
26、霍尔元件（ B ）霍尔传感器的灵敏度越高。
A.越厚
B.越薄
C.没有关系
D.越大
27、下列像管的性能指标( A )的值越高，像管的成像质量越好。
A.光电转换特性；
B.等效背景照度；
C.畸变；
D.暗电流。
28、硅光电池在（ D ）偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。
A. 恒流;
B.自偏置;
C.零伏偏置;
D.反向偏置
29、 TDICCD 表示的是（ B ）CCD。
A. 增强型;
B. 时间延迟型;
C. 电子轰击模式;
D. 红外．
计算题：
1、现有 GDB－423 型光电倍增管的光电阴极面积为 2 cm2，阴极灵敏度S k为 25μA/lm，倍增系统的放大倍数为 105，阳极额定电流为 20 μA，求允许的最大光照。
答：
2、若取 vs=616m/s，n=2.35， fs=10MHz，λ0=0.6328 m，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度 Lmax.
答：
代入上式计算，得到最大晶体长度为L0=2.35×6162×1012/（4×0.6328×1014）=3523μm
3、本征半导体材料 Ge 在 297K 下其禁带宽度E g=0.67(eV)，现将其掺入杂质 Hg，锗掺入汞后其成为电离能E i=0.09(eV)的非本征半导体。试计算本征半导体Ge和非本征半导体锗汞所制成的光电导探测器的截止波长。
答：
问答题:
1.简述三种主要光电效应的基本工作原理。
答：
光电导效应：当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大，这是一种内光电效应。材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。
光伏效应：当光照射PN结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子一空穴对。光生电子一一空穴对就被内建电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区，通过光照使零偏PN结产生开路电压，.
光电发射效应：这种现象又称为外光电效应。当光照射到某种物质时，若入射的光子能量hv足够大，那么它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质表面。
2.掺杂对半导体导电性能的影响是什么。
答：半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。
3.简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？
答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源.
4.简述半导体激光器的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？
答：工作原理：半导体材料是半导体激光器的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。半导体P-N结在内建电场下达到平衡；当外加正向偏压时，外加电场削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子扩散运动增强，构成少数载流子的注入，从而在P-N结附近产生导带电子和价带空穴的复合，并产生能量释放，部分以光的形式释放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。
特点：体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率、从紫外到红外均可发光、输出功率从几mW到几百mW，在脉冲输出时，可达数W，单色性比He-Ne激光器差。
对工作电源要求：稳定
5.简述光电检倍增管的结构组成和工作原理。
答：光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和阳极5部分组成。
工作原理
（1）光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。
（2）电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。
（3）经过若干次倍增，到达阳极，形成信号电流
6.简述雪崩光电二极管的工作原理。
答：当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。
7.说明光子效应和光热效应各自特点。
答：光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应器。探测器接收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。特点是对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。
光热效应：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的电学性质或其他物理性质发生变化。特点是原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。
8.简述光电探测器的选用原则
答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应。(4) 光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。
9.为什么发光二极管的 PN 结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有
光生伏特效应？
答：P-N结在外加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，从而在P-N结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定的复合能量，这些能量会以热能、光能或部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED发光机理。
P-N结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压在指数级增加，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。
10. 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？
答：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。
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：
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握APD光电二极管的工作原理 2、学习掌握APD光电二极管的基本特性 3、掌握APD光电二极管特性测试方法 4、了解APD光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、APD光电二极管暗电流测试实验 2、APD光电二极管光电流测试实验 3、APD光电二极管伏安特性测试实验 4、APD光电二极管雪崩电压测试实验 5、APD光电二极管光电特性测试实验 6、APD光电二极管时间响应特性测试实验 7、APD光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、光敏电阻及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台
四、实验原理 雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 图6-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I 区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P 区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们把I区吸收光子产生的电子-空穴对称为初级电子-空穴对。在电场的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的初级空穴则直接被P+层吸收。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。可见，I区仍然作为吸收光信号的区域并产生初级光生电子-空穴对，此外它还具有分离初级电子和空穴的作用，初级电子在N+-P区通过碰撞电离形成更多的电子-空穴对，从而实现对初级光电流的放大作用。
微弱光信号检测电路的设计
Electronic Component & Device Applications 0引言 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来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，本文应用光电检测技术来检测微弱光信号。该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。 1电路基本原理 用光电二极管组成的光电检测电路，实际上 是一个光→电流→电压的变换器。首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。其基本电路如图1所示。 假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U 0=I P R 。理论上，系统的输出电压U 0的值与输入电流I P 成线性关系，灵敏度由反馈电阻R 确定。而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od 与偏置电流I b 的影响，其输出电压总要产生误差。误差电压一般为： U e =V od (1+R /R d )+I b R 其中R d 为光电二极管的结电阻。由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差较小。因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。本设计选择 AD795KN 作为前置放大器。 2检测电路设计 光电二极管所接收到的信号一般都非常微 弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。 本检测系统由光电二极管、前置放大电路、滤波电路、主放大电路、A/D 转换电路，MCU 控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图2所示。 微弱光信号检测电路的设计 杜习光 （西南大学工程技术学院，重庆 400716） 摘 要：从微弱光信号检测电路的设计方案入手，论述了光电检测电路的基本工作原理，给 出了采用AD795KN 为前置放大器来设计放大电路、有源滤波电路以及主放大电路，最终设计低噪声光电检测电路的一般原则。实验表明，基于本设计的检测电路可以有效测量微弱光信号，适用于一般光信号和微弱光信号的检测需要。关键字： 微弱光信号；光电检测 ；AD795KN ；低噪声
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
传感器与检测技术期末考试试卷及答案
传感器与自动检测技术 一、填空题（每题3分） 1、传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。 2、金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。 3、半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化。 5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 6、金属应变片的灵敏度系数是指金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数。 7、固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。 8、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用
第1章 光电传感与检测技术绪论
光电传感与检测技术 教材：《光电检测技术与应用（第三版）》郭培源付扬编著北京航空航天大学出版社 参考书目：《光电检测技术》曾光宇清华大学出版社 《光电传感与检测技术》江晓军机械工业出版社 《光电检测技术及应用》周秀云电子工业出版社 学时：64学时（4学分），其中理论56学时，实验8学时（4个实验） 成绩：平时成绩 30%（考勤、作业、学习态度、实验），期末考试 70％ 第一章绪论 1.1 课程内涵 光电传感与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,它主要利用光电传感器将光学信号变换成电学信号,并采用电路放大和滤波处理等电子技术对变换后的电信号进行检测，然后用电子学、信息论、计算机等方法进行分析并进一步传递、储存、控制和显示。 1.2 课程特点 光电传感与检测技术具有非接触、精度高、速度快、自动化等特点，是光、机、电、计算机技术的综合应用。它将光电传感器与单片机技术、计算机技术及虚拟仪器技术相结合，使检测技术更加方便。 1.3 光电传感技术 1.3.1 什么是光电传感器 日常生活中的传感器：电冰箱、电饭煲中的温度传感器；空调中的温度和湿度传感器；煤气灶中的煤气泄漏传感器；水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器；照相机中的光传感器；汽车中燃料计和速度计等等。 人体系统和机器系统的比较：人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。 1.3.2 光电传感器的组成和分类 光电传感器的组成包括光源、光学通路、光电元件。 光电传感器分类： （1）按照探测机理分类：
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
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、
光电探测实验报告
光电探测技术 实验报告 班级：10050341 学号：05 姓名：解娴
实验一光敏电阻特性实验 一、实验目的 1.了解一些常见的光敏电阻的器件的类型； 2.了解光敏电阻的基本特性； 3.测量不同偏置电压下的光敏电阻的电压与电流，并作出V/A曲线。 二、实验原理 伏安特性显示出光敏电阻与外光电效应光电元件间的基本差别。这种差别是当增加电压时，光敏电阻的光电流没有饱和现象，因此，它的灵敏度正比于外加电压。 光敏电阻与外光电效应光电元件不同，具有非线性的光照特性。各种光敏电阻的非线性程度都是各不相同的。 大多数场合证明，各种光敏电阻均存在着分析关系。这一关系为 式中，K为比例系数；是永远小于1的分数。 光电流的增长落后于光通量的增长，即当光通量增加时，光敏电阻的积分灵敏度下降。 这样的光照特性，使得解算许多要求光电流与光强间必需保持正比关系的问题时不能利用光敏电阻。 光照的非线性特性并不是一切光敏半导体都必有的。目前已有就像真空光电管—样，它的光电流随光通量线性增大的光敏电阻的实验室试样。光敏电阻的积分灵敏度非常大，最近研究出的硒—鎘光敏电阻达到12A／lm，这比普通锑、铯真空光电管的灵敏度高120，000倍。
三、实验步骤 1、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图1接线，电源可从+2V～+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮。则暗电流L暗=V暗/RL,亮电流L亮=V亮/RL，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 2、伏安特性 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系即为伏安特性。按照图1接线，分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V时的光电流，并尝试高照度光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果 填入表格并做出V/I曲线。 图1光敏电阻的测量电路 偏压2V4V6V8V10V12V 光电阻I 四、实验数据 实验数据记录如下： 光电流： E/V246810 U/V0.090.210.320.430.56 I/uA1427.54255.270.5 暗电流：0.5uA 实验数据处理：
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计解读
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计< 0引言 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［1］。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［2］。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［3］。然后采用电子学、信息论、onclick=kwC(event,0) onmouseout=kwL(event,this)> 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 onclick=kwC(event,1) onmouseout=kwL(event,this)>提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。 1 光电检测电路的基本构成 光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。 2 光电二极管的工作模式与等效模型 2．1 光电二极管的工作模式 光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。 一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。 2．2 光电二极管的等效电路模型
光电信号检测实验
实验一 光敏电阻特性实验 实验原理: 利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是一种均质的半导体光电器件,其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。 光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为： p n p e n e σμμ?=???+??? 在上式中，e 为电荷电量，p ?为空穴浓度的改变量，n ?为 电子浓度的改变量，μ表示迁移率。当两端加上电压U 后，光电流为：ph A I U d σ= ??? 式中A 为与电流垂直的表面，d 为电极间的间距。在一定的光照度下，σ?为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。 光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。 图1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线 光敏电阻的光照特性则如图 1-3 所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感
器。 图1-4 几种光敏电阻的光谱特性 实验所需部件: 稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器 实验步骤: 1.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻 观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档测得的电阻值为 暗电阻R 暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R 亮 ，暗电阻与 亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。 结果：用万用表欧姆档测得的暗电阻为∞，超出万用表的量程。在环境光照下的亮电阻为6.5k?。 在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。 2.光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出U 暗和U亮，电流L 暗=U 暗 /R，亮电流L 亮 =U 亮 /R，亮电流与 暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 结果：暗光时电流为0。有光源照射时光电流为71uA。 3. 光敏电阻的伏安特性测试 按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2~+12V间 选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上 电压为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V时电阻R两端的电压U R，和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。 图1-5 光敏电阻的测量电路 光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光） 电源电压（毫 伏） 2 4 6 8 10 U R（伏） 1.98 3.98 5.98 7.98 9.87 电阻（欧姆）∞∞∞∞∞ 电流（毫安）0 0 0 0 0
光电信号转换测试
实验报告：光电信号转换测试 一、实验目的 1、了解光电响应现象及光电响应的原理。 2、熟悉利用电化学手段测试光电响应的方法，能熟练的操作电化学工作站进行光电响应的测试。 二、实验内容 通过电化学的方法测试样品的光电相应参数，如记录光电流值，开路电压，计算样品的功率，并根据数据进行作图分析。 三、实验原理 光伏响应原理： P 型半导体（空穴多）和n 型半导体（电子多）相结合时，在其交界处形成p-n 结，p 区的空穴向n 区扩散，n 区的电子向p 区扩散，引起p 区荷负电，n 区荷正电，在p-n 交界面附近的一个区域（结区，或称耗尽区）内形成一电 图1(a) 太阳光辐照下的硅p-n 结太阳能带, 图1(b)太阳能电池的理想等效
场，称为内建电场，如图1（a）所示。图中左侧为n区，右侧为p区，纵坐 标为电子能量。电子能量越高，电势越低。n区电势比p区电势高，电场方向 由n区指向p区。当光电池受到太阳光照时，能量大于构成p-n结的半导体材料的禁带宽度Eg的光子将价带电子激发到导带，同时在价带中产生空穴，它 们都称为光生载流子。在p-n结的结区，光生电子和空穴被内建电场分别推到势垒的n、p区边沿，然后向各自的内部扩散，在两端形成电压，这就是光伏 效应。若在p-n结两端接入外电路，该光生电压就可形成电流。从外电路来看，发生光伏效应的那个p-n结就是一个电源，即光电池，如图1（b）所示。 四、材料与仪器 电化学工所站、太阳能电池。 五、实验步骤 1. 完成电化学工作站的测试电路的连接； 2. 点start开始测试，测量样品的光电响应曲线、暗态和光照下的开路电极电势，并记录所得的光电流以及开路电压，并计算样品的功率。 六、实验数据记录与分析 1. I-V特征曲线： 暗态：
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）
传感器与检测技术
一、选择填空题（20分）电阻应变片磁敏电阻霍尔元件气敏传感器 湿敏传感器光电耦合器压电传感器电容传感器 热敏电阻色敏传感器压阻传感器光纤传感器 磁电传感器光电二极管差动变压器热释电器件磁敏晶体管电涡流传感器光电池超声波传感器 热电偶红外传感器 正确选择以上传感器填入以下空内： 1、可以进行位移测量的传感器有、、；学生答案：学生答案： 3、半导体式传感器有、、、；学生答案： 4、光电传感器有 学生答案： 5、用于磁场测量的传感器有、；学生答案： 6、进行振动（或加速度）测量的传感器有、；学生答案： 7、利用物体反射进行非电量检测的传感器有、。 学生答案： 二、填空题（40分） 8、热电偶所产生的热电势是电势和电势组成的，在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在之间，接入，它的作用是。 学生答案： 热电偶所产生的热电势是光电池、光电仪电势和单一导体的温差电势组成的，在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。 9、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下效应，这类元件有；第二类是利用在光线作用下效应，这类元件有；第三类是利用在光线作用下效应，这类元件有。 学生答案： 光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。
光电信号的检测方法(莫尔拓扑图)
第五章：光电信号的检测方法 单频光相位调制和条纹检测 在使用窄光束单频光波相位调制的干涉测量中，干涉条纹的形成和检测是在光束重叠的较小空间范围内进行的，通常采用单元光电器件检测局部位置上的干涉条纹波数或相位随时间的变化。 1．单频光的相位调制 在单一频率相干光路中，被测量使相干光波的相位发生变化，同时通过干涉作用把波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称单频光波的相位调制或称相幅变换。由前面的公式可知，能引起相位变化的参量是光路长L和介质折射率n。因此相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、光电子学等变换器伴将被测量的变化转换为光路长L 和折射率n的变化。前者用来检测几何和机械运动参量，后者用于分析物质的理化特性。 为了定量描述被测参量对相位调制的影响，采用规一化相位响应表示在单位长度的光路内由被测参量引起的相位变化。 (1/L)(dφ/dF)＝(2π/λ0)[dn/dF+(n/L)(dL/dF)] 式中，(1/L)(dφ/dF)为规一化相位响应，L为干涉光路长度，F为被测参量。 等式右端两项分别表示折射率变化和光路长度变化引起的相位响应。上式可用来衡量相位调制的各种类型光学干涉仪和光纤干涉仪的工作特性。 1）光学干涉仪相位调制 通常作为相位调制用的光学干涉仪有迈克尔逊干涉仪、吉曼干涉汉、马赫-泽德干涉仪、萨纳克干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等。下图给出了它们的原理示意图。 典型的光学干涉仪原理示意图 除了法布里-珀罗干涉仪外，前述干涉仪皆属双光束干涉。干涉强度分布满足公式。图a的迈克尔逊干涉仪其特点是结构简单，条纹对比度好，信噪比高。测量镜M2与被测物连接可以感知位移、变形等参量。由于M2的位移量Δx引起测量光路2Δx的变化，即λ/2的位移引起干涉条纹一个周期的变化，所以条纹的计数和被测位移的计算关系简单。它的测量灵敏度达10-13m的数量级。其缺点是输出光束能经分束镜返回激光器，这将使激光器工作不稳定，这可以通过设置偏振器来防止。图b是吉曼干涉仪。同样厚度的二块玻璃板背面镀以反射膜，利用两玻璃表面的反射形成光束的分束和再合成。由于两光路的光程差很小，即使相干性较差的光源也可进行精密测量。它主要用来测定透光物质（例如气体）的折射率，可进行标准试样和被测试样的比较测量。若试样长度为L，条纹测量精度为λ/50，则折射率误差在δn＝λ/50L之内。图c是马赫-泽德干涉仪，由二片分束镜和二片反射镜组成。输出分束镜有两束干涉光输出，可用于布置多路接收器，它的返回散射光较少，有利于降低激光的不稳定噪声。被测位移的引入通过可移动反射镜进行，位移范围不能超过相干光束的截面。
光电探测器特性测试实验
光电探测器特性测试实验 光电探测器是一种将辐射能转换成电讯号的器件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现，按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化的热探测器。 1、光敏电阻 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管．它是基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值(亮电阻)急剧减少，因此电路中电流迅速增加。 光敏电阻的暗电阻越大．而亮电阻越小．则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1M欧，甚至高达100MΩ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。 频率特性：非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。
光谱响应特性：由所用半导体材料的禁带宽度决定。PbS 2、 光敏二极管 光敏二极管是一种光伏探测器，主要利用了PN 结的光伏效应。对光伏探测器总的伏安特性可表达为 s kT qV s s D I e I I I I --=-=)1(0 式中I 中是流过探测器总电流，I so 二极管反向饱和电流，I s 是光照时的光电流，q 是电子电荷，V 是探测器两端电压，k 为玻耳兹曼常数，T 器件绝对温度。 当入射光的强度发生变化，通过光敏二极管的电流随之变化，于是在光敏二极管的二端电压也发生变化。光照时导通，光不照时，处于截止状态，并且光电流和照度成线性关系。 光照特性：输出的饱和光电流与光照度之间的关系。 光谱特性：取决于所采用材料的禁带宽度，同事也与结构工艺有着密切的关系。 频率特性：由光生载流子的渡越时间和L R j C 的乘积决定。 伏安特性：在零偏压下，光电二极管仍有光电流，这是光生伏特效应所产生的短路电流。 3、 光敏三极管 在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用了晶体三极管的电流放大作用，用Ge 或Si 单晶体制造NPN 或PNP 型光敏三极管。 光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极和集电极并联：集电极-基极产生的电流，输入到三极管的基极再放大。不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的I φ控制。集电极起双重作用：把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。一般光敏三极管只引出E 、C 两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。
一种弱光信号光电检测系统的设计
目录 1 引言................................................................................................. - 1 - 2 基本原理 ......................................................................................... - 3 - 2.1 光电二极管的技术参数 ....................................................... - 3 - 2.2 光电二极管的种类 ................................................................. - 4 - 2.3 光电转换电路 ....................................................................... - 5 - 2.4 前置放大电路 ..................................................................... - 6 - 3 设计分析 ........................................................................................ - 7 - 4结果讨论 ......................................................................................... - 7 - 参考文献............................................................................................. - 7 - 1 引言 光的信息就存在于光强和相位中。而相位信息又是通过干涉转化成强度信息进行测量的，故光强的测量是很重要的检测目标。 光强变化的检测要针对光的变化特性进行设计。第一，入射光从频谱方面分析有单色的，有白光的，有特定光谱的；第二，光强有缓变和快变之分，一天之中日光强度的变化就属于缓变，再快一点的话如屏幕上木一个像素点随动画播放强度的变化，更快的还有人眼无法识别的，这将涉及到器件的响应度；第三，光强有变化幅度的问题，变化幅度有大有小针，这将涉及到器件的灵敏度；第四，光强的静态点，如果静态点在零点，且属于小幅度变化便属于微光检测。本段是对光源的分析，这是设计的目的，理想的检测是能针可以检测任
光电探测器特性测量实验报告
实验1 光电探测器光谱响应特性实验 实验目的 1. 加深对光谱响应概念的理解； 2. 掌握光谱响应的测试方法； 3. 熟悉热释电探测器和硅光电二极管的使用。 实验内容 1. 用热释电探测器测量钨丝灯的光谱特性曲线； 2. 用比较法测量硅光电二极管的光谱响应曲线。 实验原理 光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。电压光谱响应度 ()v R λ定义为在波长为λ的单位入射辐射功率的照射下，光电探测器输出的信号 电压，用公式表示，则为 () ()() v V R P λλλ= (1-1) 而光电探测器在波长为λ的单位入射辐射功率的作用下，其所输出的光电流叫做探测器的电流光谱响应度，用下式表示 () ()() i I R P λλλ= (1-2) 式中，()P λ为波长为λ时的入射光功率；()V λ为光电探测器在入射光功率 ()P λ作用下的输出信号电压；()I λ则为输出用电流表示的输出信号电流。为简 写起见，()v R λ和()i R λ均可以用()R λ表示。但在具体计算时应区分()v R λ和()i R λ，显然，二者具有不同的单位。 通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光来得到不同波长的单色辐射,然后测量在各种波长的辐射照射下光电探测器输出的电信号()V λ。然而由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量中要确定单色辐射功率()P λ需要利用参考探测器（基准探测器）。即使用一个光
谱响应度为()f R λ的探测器为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器和基准探测器。由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号）()f V λ可得单色辐射功率()=()()f P V R λλλ，再通过(1-1)式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。 本实验采用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率()P λ ，这里用响应度和波长无关的热释电探测器作参考探测器，测得()P λ入射时的输出电压为()f V λ。若用f R 表示热释电探测器的响应度，则显然有 ()()f f f V P R K λλ= (1-3) 这里f K 为热释电探测器前放和主放放大倍数的乘织，即总的放大倍数。在本实验中=100300f K ?，f R 为热释电探测器的响应度，实验中在所用的25Hz 调制频率下，=900/f R V W 。 然后在相同的光功率()P λ下，用硅光电二极管测量相应的单色光，得到输出电压()b V λ，从而得到光电二极管的光谱相应度 ()() ()()()b b f f f V K V R P V R K λλλλλ= = (1-4) 式中b K 为硅光电二极管测量时总的放大倍数，这里=150300b K ?。 实验仪器 单色仪、热释电探测器组件、光电二极管探测器组件、选频放大器、光源。