1、舉例說明你說知道的檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理。

（1）

位“ ·

光電檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的

應(yīng)用：在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定

（2）

用：

光電檢測(cè)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)

家用電器一一數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦一紅外測(cè)距傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)一光敏電阻

空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測(cè)一熱敏電阻、熱電偶遙控接收：紅外檢測(cè)一光敏二極管、光敏三極管可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取一面陣CCD

醫(yī)療衛(wèi)生一一數(shù)字體溫計(jì)：接觸式一熱敏電阻，非接觸式一紅外傳感器辦公商務(wù)一一掃描儀：文檔掃描一線陣CCD

紅外傳輸數(shù)據(jù)．紅外檢測(cè)一光敏二極管、光敏三極管

（3）

光電檢測(cè)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用：夜

視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)

光電檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例簡(jiǎn)介點(diǎn)鈔機(jī)

（1）

激光檢測(cè)一激光光源的應(yīng)用用一定波長(zhǎng)的紅外激光照射第五版人民幣上的熒光

字，會(huì)使熒光字產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的激光，通過對(duì)此激光的檢測(cè)可辨別鈔票的真假。山于仿制困難，故用于辨?zhèn)魏軠?zhǔn)確。

（2）

紅外穿透檢測(cè)一紅外信號(hào)的檢測(cè)紅外穿透的工作原理是利用人民幣的紙張比較堅(jiān)

固、密度較高以及用凹印技術(shù)印刷的油墨厚度較高，因而對(duì)紅外信號(hào)的吸收能力較強(qiáng)來辨別鈔票的真假。人民幣的紙質(zhì)特征與假鈔的紙質(zhì)特征有一定的差異，用紅外信號(hào)對(duì)鈔票進(jìn)行穿透檢測(cè)時(shí)，它們對(duì)紅外信號(hào)的吸收能力將會(huì)不同，利用這一原理，可以實(shí)現(xiàn)辨?zhèn)巍?p>（3）

熒光反應(yīng)的檢測(cè)一熒光信號(hào)的檢測(cè)熒光檢測(cè)的工作原理是針對(duì)人民幣的紙質(zhì)進(jìn)行

檢測(cè)。一一人民幣采用專用紙張制造（含85％以上的優(yōu)質(zhì)棉花）《假鈔通常采用經(jīng)漂白處理后的普通紙進(jìn)行制造，經(jīng)漂白處理后的紙張?jiān)谧贤饩€（波長(zhǎng)為365nm的藍(lán)光）的照射下會(huì)出現(xiàn)熒光反應(yīng)（在紫外線的激發(fā)下衍射出波長(zhǎng)為420一460nm的藍(lán)光），人民幣則沒有熒光反應(yīng)。

所以，用紫外光源對(duì)運(yùn)動(dòng)鈔票進(jìn)行照射并同時(shí)用硅光電池檢測(cè)鈔票的熒光反映，可判別鈔票真假。

（4）

紙寬的檢測(cè)一紅外發(fā)光二極管及接收二極管的應(yīng)用主要是用于根據(jù)鈔票經(jīng)過此紅

外發(fā)光及接收二極管所用的時(shí)間及電機(jī)的轉(zhuǎn)速來間接的計(jì)算出鈔票的寬度，并對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，比如有無卡紙等；同時(shí)也能根據(jù)鈔票的寬度判斷出其面值。

（5）

喂鈔臺(tái)、接鈔臺(tái)傳感器一紅外對(duì)管的應(yīng)用在點(diǎn)鈔機(jī)的喂鈔臺(tái)和取鈔臺(tái)部分分別有

一個(gè)作為有無鈔票的發(fā)射接收紅外對(duì)管，用來檢測(cè)是否有鈔票放入或取出。

2、 如何實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量

為實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)量，首先要實(shí)現(xiàn)從非電量到電量的變換，這一變換是靠傳感器來實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成低輸出電阻的電壓信號(hào)以方便后續(xù)電路的處理。一般說來，信號(hào)都需要進(jìn)一步放大并濾除噪聲。放大后的信號(hào)經(jīng)模擬/ 數(shù)字變換后得到數(shù)字信號(hào)，以便于微處理器或微控制器。微處理器或微控制器是測(cè)控系統(tǒng)的核心，它主要有兩個(gè)作用·一是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理并將信號(hào)輸出顯示、存儲(chǔ)和控制。一是管理測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)部分以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的智能化，即根據(jù)信號(hào)和測(cè)量條件的變化，自動(dòng)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(shè)計(jì)傳感器的接口電路。從電子學(xué)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(qū)動(dòng)信號(hào)（也有的傳感器不需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)），為取得更高的精度和最佳的性能，需要設(shè)計(jì)傳感器接口電路。

3、 影響檢測(cè)測(cè)量精度的主要因素有哪些，而葺中哪幾個(gè)因素有時(shí)最基本而且需要特別注意

測(cè)量器具本身存在的誤差。環(huán)境因素，如氣溫，氣壓，干燥程度，震動(dòng)，磁場(chǎng)等。人為因素，如視覺誤差等等。還有使用測(cè)量器具時(shí)的方法不得當(dāng)造成的誤差。

4、 什么是噪聲和干擾什么是有用信號(hào)

噪聲是來自元器件內(nèi)部粒子；而干擾是指其他的有害信號(hào)，有系統(tǒng)外部的，也可以有內(nèi)部的。

有用信號(hào)指?jìng)鬟f用戶所需信息的信號(hào)，或是用來讓接收設(shè)備收到信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作的信號(hào)。

從物理角度看，噪聲是由聲源作無規(guī)則和非周期性振動(dòng)產(chǎn)生的聲音。噪聲為電子系統(tǒng)中任何不需要的信號(hào)。噪聲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降以及精確測(cè)量方面的錯(cuò)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(huì)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(duì)象。在不同空間和時(shí)間尺度上偶然發(fā)生，不可預(yù)知。

5、 如何判斷干擾如何避免干擾

常見的信號(hào)的干擾有：（1）器件工作的噪聲干擾，比如說數(shù)字電路正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的電磁場(chǎng)干擾，電搜索壓電流變化產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾。（2）高頻信號(hào)噪聲干擾（串?dāng)_和回?fù)p），因?yàn)楦哳l電路能產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。（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(guān)電源，開關(guān)電路的高頻開關(guān)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的高頻噪聲。（4）地線噪聲干擾，都知道只要是線就會(huì)存在電阻，當(dāng)一條地線上掛有多個(gè)設(shè)備時(shí)，而且工作電流較大時(shí)，小電阻也會(huì)產(chǎn)生電位差，從而影響設(shè)備?？傊蓴_無處不在，在設(shè)計(jì)電路或畫PCB時(shí)可以考慮從3點(diǎn)處理，即屏蔽干擾源、切斷耦合通道、保護(hù)敏感對(duì)象。

6、 電子計(jì)數(shù)器如何實(shí)現(xiàn)既能測(cè)量頻率又能測(cè)量周期為什么要通過測(cè)量周期的方法來測(cè)量低頻

信號(hào)的頻率 0

0

采用多周期同步測(cè)量技術(shù)，這種測(cè)量方法實(shí)際上是對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行測(cè)量信號(hào)的頻率是經(jīng)過倒數(shù)運(yùn)算求出來的。因而，從測(cè)頻的角度，上述測(cè)量方法也稱為倒數(shù)計(jì)數(shù)器法。

數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率的原理：石英振蕩器IMHz標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，經(jīng)過分頻器分頻為IHz周期 Is的尖波信號(hào)接到控制門的控制端，被測(cè)信號(hào)通過放大整形變?yōu)檎氩饷}沖信號(hào)，接到控制器的信號(hào)端；第一個(gè)秒信號(hào)觸發(fā)控制門打開，尖脈沖通過控制門，第二個(gè)秒信號(hào)到來后控制門關(guān)閉，脈沖計(jì)數(shù)器記錄兩個(gè)秒信號(hào)間隔時(shí)間內(nèi)通過控制門的尖脈沖個(gè)數(shù)就等于被測(cè)信號(hào)的頻率值。數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量周期的原理：采用上述方法測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)可能產(chǎn)生較大的誤差，因?yàn)榈谝粋€(gè)秒信號(hào)到來的時(shí)間是隨機(jī)的，計(jì)數(shù)器從開啟到關(guān)閉可能多記一個(gè)或少記一個(gè)數(shù)；因此，為了保證低頻信號(hào)測(cè)量的精度，可以用周期測(cè)量法：即用被測(cè)信號(hào)脈沖去控制門電路的開啟，讓標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間通過控制門，進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣計(jì)數(shù)器的值就等于一個(gè)被測(cè)電壓的周期內(nèi)有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖通過，相當(dāng)于一個(gè)周期等于幾個(gè)時(shí)間單位。這就是為什么要通過測(cè)量周期來測(cè)定低頻型號(hào)的頻率搜索的原因。

8、試敘述光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)。P6 組成：

（1）

光學(xué)變換

時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學(xué)掃描

光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位、偏振

形成能被光電探測(cè)器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)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?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號(hào)的放大和處理）。

（3） 第2章

1、

電路處理

放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。

簡(jiǎn)述光電效應(yīng)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(shí)，山外電壓作用下p·N結(jié)內(nèi)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(shí)，阻值很大，電流（暗電流）很?。汗庹諘r(shí)，光生載流子迅速增加，阻值急劇減少，在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成亮電流。

2、

速

簡(jiǎn)述光生伏特效應(yīng)的工作原理。為什么光伏效應(yīng)器件比光電導(dǎo)效應(yīng)器件有更快的響應(yīng)

答：（1）光生伏特效應(yīng)的工作基礎(chǔ)是內(nèi)光電效應(yīng)，當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，山于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。（2）光伏效應(yīng)中，與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，因?yàn)樯贁?shù)載流子的壽命通常很短，所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件有更快的響應(yīng)速度。

3、 4、

簡(jiǎn)述光熱效應(yīng)工作原理。熱電檢測(cè)器件有哪些特點(diǎn)P15

比較光電效應(yīng)和熱電效應(yīng)在作用機(jī)理、性能及應(yīng)用特點(diǎn)等方面的差異。

答：所謂光電效應(yīng)是指，光輻射入射到光電材料上時(shí)，光電材料發(fā)射電子，或者其電導(dǎo)率發(fā)生變化，或者產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是入射光輻射與物質(zhì)中束縛于晶格的電子或自山電子的相互作用所引起的。光電效應(yīng)就對(duì)光波頻率（或波長(zhǎng)）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(yīng)速度一般比較快。按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。具體有光電子發(fā)射效應(yīng)《光電導(dǎo)效應(yīng)、一一光生伏特效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光電磁效應(yīng)等。 1

光熱效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件與溫度有關(guān)的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率（或波長(zhǎng)）沒有選擇性，因而物質(zhì)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(guān)。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)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(yīng)包括熱釋電效應(yīng)、溫差電效應(yīng)和測(cè)熱輻射計(jì)效應(yīng)等第3章

1、

試說明為什么本征光電導(dǎo)器件在越微弱的輻射作用下，時(shí)間響應(yīng)越長(zhǎng)，靈敏度越高

解，在微弱信號(hào)的輻射下，將式0一8的VI一躉1 ）代入（1 83），并對(duì)其 求導(dǎo)即可得半導(dǎo)體材料在弱輻射T的光電導(dǎo)靈敏度為

S

2、

2 0一0），由此可知時(shí)間t響應(yīng)越長(zhǎng)，靈敦度越高。

對(duì)于同一種型號(hào)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(dǎo)靈敏度

與時(shí)間常數(shù)是否相同為什么如果照度相同而溫度不同時(shí)情況又會(huì)如何

解：同一型號(hào)的光敏電阻，在不同光照度下和不同的環(huán)境溫度下，其光電導(dǎo)靈敏度和時(shí) 閭鏘數(shù)不相同。在照度相同而溫度不同時(shí)，其光電導(dǎo)靈度不相同和時(shí)間常數(shù)也不相同。 其材料性質(zhì)已經(jīng)一枷只是決定了的值0定，光照度和環(huán)境溫度不同，則產(chǎn)生的光生電子濃度和熱生電子濃度各異決定了值不同，照度相同決定光生電子濃度相同，溫度不同決定熱生電子濃度不同，同樣也決定了值才同，由（1 85）和（1 88）推出光電靈敏度不相同，由0巧）和(2-11)推出其時(shí)間常數(shù)不相同。

3、

么

為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時(shí)，沒有明顯的光電效應(yīng)它必須在哪種偏置狀態(tài)為什

答：因?yàn)閜-n結(jié)在外加正向偏壓時(shí)，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級(jí)在增加，所以有光照時(shí)，光電效應(yīng)不明顯。p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因?yàn)閜-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時(shí)，得到的光生電流就會(huì)明顯增加。

4、

器

在如圖3一70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

&在如右圖所示的照明燈控制電路種，用Cds光敏電阻用作光電傳感器，光敏電阻最大功耗為300m光電導(dǎo)靈敏度Sg=0.一5 × 10一6S/ Ix，暗電導(dǎo)go一0，若已知繼電器繞組的電阻為5k0繼電器的吸合電流為2，電阻R=1kQ：試求：0為使繼電器吸合所需要的照度；0要使繼電器在照度為3 Ix時(shí)吸合，應(yīng)如何調(diào)整電阻R.

（10分）

光 電 的 電 阻 光

已

照 射 下 弱 光

0

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0為

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22吖 無

屮光敏電的隕電陌團(tuán)v.即使催這到這么的電兆敏可能拙壞園無論怎么整電衲，都不會(huì)使鼷電器吸

，

5、 光電導(dǎo)器件響應(yīng)時(shí)間（頻率特性）受哪些因素光伏器件與光電導(dǎo)器件工作頻率哪個(gè)咼實(shí)際使用時(shí)如何改善其工作頻率響應(yīng)

響應(yīng)時(shí)間主要受光電導(dǎo)器件中載流子的平均壽命有關(guān)，減小0則頻率響應(yīng)提高；其次，光電導(dǎo)器件的響應(yīng)時(shí)間與運(yùn)用狀態(tài)也有光，例如，光照強(qiáng)度和溫度的變化，因?yàn)樗鼈兌加绊戄d流子的壽命。光伏特器件的工作頻率高于光電導(dǎo)器件。要改善光伏器件的頻率響應(yīng)，主要是減小響應(yīng)時(shí)間，所以采取的措施主要有：@減小負(fù)載電阻；@減小光伏特器件中的結(jié)電容，即減小光伏器件的受光面積；@適當(dāng)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咼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(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)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(duì)來說多數(shù)載流子所占據(jù)的比例即越來越小，這就使得多數(shù)載流子往對(duì)方擴(kuò)散的作用減弱，從而起阻擋作用的p-n結(jié)勢(shì)壘高度也就降低。從Fermi能級(jí)的變化上來理解：溫度越高，半導(dǎo)體Ferm能級(jí)就越靠近禁帶（即趨于本征化），則兩邊半導(dǎo)體的Fermi能級(jí)之差也就越小，所以p-n結(jié)勢(shì)壘高度也就越低，也就是開壓降低。

光電倍增管的響應(yīng)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(shí)光電倍增管對(duì)光的響應(yīng)度更趨于平穩(wěn)，使實(shí)驗(yàn)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(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)能力的重要因素之一。光電倍增管工作時(shí)由于陰極材料發(fā)熱，這樣對(duì)光電倍增管的響應(yīng)度產(chǎn)生較大的影響，因此不穩(wěn)定的工作溫度對(duì)光電倍增管的響應(yīng)度也會(huì)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(huì)受到溫度的影響。

7、 分析光電信號(hào)輸出電路工作原理。試以光電導(dǎo)器件為例，說明為什么光電檢測(cè)器件的工作波長(zhǎng)越長(zhǎng)，工作溫度就越低

8、 簡(jiǎn)述發(fā)光二極管的發(fā)光原理及半導(dǎo)體激光器的工作原理。P44 它們的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單說就是三明治的夾心結(jié)構(gòu)，中間的夾心是有源區(qū)。

二者的結(jié)構(gòu)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(diào)制帶寬較寬，而LED發(fā)射功率較小、光譜較寬、直接調(diào)制帶寬較窄。 0 0

9、 試判別下列結(jié)論，正確的在括號(hào)里填寫T,錯(cuò)誤的則填寫F:

（1）

降時(shí)間。

光電導(dǎo)器件在方波輻射的作用下，其上升時(shí)間大于下

（2）

光敏電阻的阻值與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)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(chǎn)生的光生電子與空穴的復(fù)合需要很長(zhǎng)時(shí)間，而且，隨著復(fù)合的進(jìn)行，光生電子與空穴的濃度與復(fù)合幾率不斷減小，使得光敏電阻恢復(fù)被照前的阻值需要很長(zhǎng)時(shí)間。

10、

簡(jiǎn)述光電耦合器件的工作原理P51

光電偶合器件（簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電一光和光一電的轉(zhuǎn)換器件。

11、

路。

利用光敏電阻等器件設(shè)計(jì)樓梯內(nèi)的節(jié)能燈控制電路及測(cè)量應(yīng)用中的自動(dòng)增益控制電

2樓道照明燈自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)原理圖

褸道照明燈0動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)總電路圖如7和圖10所示，它由電電路、光控．電路和延時(shí)控制電路、熱釋電紅外感應(yīng)電路以及電話控制電路四部份組成。．220v電壓經(jīng)過電源電路部分進(jìn)行降壓、整流、漣波及穩(wěn)壓．0為其它電路提供12V的直流工作電壓。同時(shí)通過光敏電阻、新型熱釋電紅外傳感器及時(shí)基集成電路N巧55共同控?cái)媸拱滋鞜舨涣?，夜間有人來的時(shí)候燈白動(dòng)走亮，人走

后延時(shí)一段時(shí)悶白動(dòng)熄滅/從而達(dá)到能的」的。電路還扉上一個(gè)電話控制系統(tǒng)以保證電路在異常情況下可以遠(yuǎn)程控制。

閣7樓道照明燈自動(dòng)控制電話控制電路

2但2刀照明燈自動(dòng)控制電路，

其工作原理：當(dāng)燈所處環(huán)境光線較時(shí)，儲(chǔ)s光敏電殂的值很臠，電器K的組電流變得很小，不能雄特工作卣關(guān)閉．當(dāng)有適當(dāng)大小的@音時(shí)·聲控延時(shí)開關(guān)K連通，燈亮·特過一定時(shí)伺后·聲控迂時(shí)開關(guān)Ti自動(dòng)斷卅，燈熄滅·

3伊67如圖2所示的照明燈所不電路中，s光敏電用做光電傳感0 “光敏電最大功耗為3闐mW．光電導(dǎo)巭敏度、=曬× 10“丷派，哈電導(dǎo)g。=伍著己知慧電器繞粗的電為5 ·塑電

12、 試分析圖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(shí)，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(qiáng)增加嚇使得Rp 0使得同相反饋支路阻值減小，輸出電壓下降。

(b)無光照時(shí)，Rp阻值很大，輸入近似開路，輸出電壓低。光強(qiáng)增加0使得Rp 0使得輸入信號(hào)進(jìn)入，《一輸出信號(hào)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

答：答：當(dāng)光照強(qiáng)度增大到某個(gè)特定值時(shí)，硅光電池的p-n結(jié)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)達(dá)到了最大值，即出現(xiàn)飽和，再增大光照強(qiáng)度，其丌路電壓不再隨之

增大、硅光電池的丌路電壓表達(dá)式為0“(l 產(chǎn)）巾代入

的表達(dá)式并求關(guān)十的一階導(dǎo)數(shù)，鋈一

一

dU 一0，求得最大開路電壓，由

的。即包含了擴(kuò)散電流/ “和暗電流

十輪出電壓0：0&翎0一0@百一 7。的影響，使得硅光電池的有載輸出電壓總小于開路電壓0。

14、硅光電池的內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)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(fù)載電阻Ropt，在最佳負(fù)載電阻情況下負(fù)載可以獲得最大的輸出功率Pmaxo

15、光生伏特器件有幾種偏置電路各有什么特點(diǎn)

（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(diǎn)：自偏置電路的特點(diǎn)是光生伏特器件在自偏置電路中具有輸出功率，且當(dāng)負(fù)載為最佳負(fù)載電阻時(shí)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(guān)系很差，因此在測(cè)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(jié)勢(shì)壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，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(yīng)用到大范圍的線性光電檢測(cè)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(guān)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知：當(dāng)沒有光輻射時(shí)，二者的伏安特性曲線是一樣的；當(dāng)有光輻射時(shí)，則硅光電二極管的全電流為負(fù)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(chǎn)生光電效應(yīng)。該值通常為負(fù)，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。

、寫出硅光電二極管的全電流方程，說明各項(xiàng)的物理意義。 答：硅光電二極管的仝電流方程為

式中，為光電材料的光電換效率，光電流為

光 的吸 為材 料 “ 對(duì)收系 數(shù) 轉(zhuǎn)

比較2CU型硅光電二極管和(1)U型硅光電二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說明引入環(huán)極的意義·

答，2CU型硅光電二極管是采用n型硅材料作基底，在n區(qū)的一曲擴(kuò)肷二價(jià)元素硼而生成重?fù)诫s型層，尹型層和n型硅相接觸彬成p-n鮚，引出電極0在光敏曲上涂上&堡保鏟膜：。

2DU型硅光電0極管是輕0雜、高陰值帥p型硅材料做基底，在p型基底上擴(kuò)五價(jià)元紊，形成質(zhì)摻雜的型層，p型硅和的型硅接觸形成到結(jié)，在區(qū)引出正極，

涂以透明的&堡

作為保護(hù)膜，基底鍍鎳蒸鋁后引出負(fù)電極：在硅光電0極管的制造過程中，在光敏面上涂&02．區(qū)護(hù)層的過程中，不可避免的會(huì)沾污一些雜質(zhì)正離子，通過靜電感、應(yīng)引，起表面電流，亓進(jìn)而產(chǎn)生隋電流和散粒噪聲、：因此，為了減少由干&中少量正鬲子的靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的表面漏電流，在氧化層中也獷散一個(gè)環(huán)形p、n結(jié)而將受光面包圍起來，即

引入環(huán)極，以增加高阻區(qū)寬度，避免邊緣過曱“擊穿4

19、影響光生伏特器件頻率響應(yīng)特性的主要因素有哪些為什么PN結(jié)型硅光電二極管的最高工作頻率小于等于107怎樣提高硅光電二極管的頻率響應(yīng)

（1)影響光生伏特器件頻率響應(yīng)的主要因素有三點(diǎn)：1）在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流了渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間T dr，即漂移時(shí)間；2）在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需的時(shí)間T p,即擴(kuò)散時(shí)間；3）由PN結(jié)電容q、管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時(shí)間T RCO

（2）對(duì)于PN結(jié)型硅光電二極管，光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間T p是硅光電二極管頻率響應(yīng)的主要因素。由于光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)很慢，因此擴(kuò)散時(shí)間T p很長(zhǎng)，約為100nS，則其最高工作頻率小于等于107砌

（3月）減小PN結(jié)面積；2）增加勢(shì)壘區(qū)寬度，提高材料體電阻率和增加結(jié)深；3）適當(dāng)增加工作電壓；4）盡量減少結(jié)構(gòu)造成的分布電容；5）增加PN結(jié)深，減小串聯(lián)電阻；6）設(shè)計(jì)選用最佳負(fù)載阻值。 20、

為什么說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的p區(qū)這與電子、空穴的遷移率有關(guān)嗎

答：對(duì)于PN結(jié)注入發(fā)光的發(fā)光二極管，當(dāng)PN結(jié)處于平衡位置時(shí)，存在一定的勢(shì)壘區(qū)。當(dāng)加正向偏壓時(shí)，PN結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在P區(qū)。這是因?yàn)榘l(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子與空穴做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即電子由N區(qū)向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，而空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。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(fù)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)光反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎

答：由于LED的發(fā)光機(jī)理是非平衡載流子即電子與空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光，因此要求有非平衡載流子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使電子由N區(qū)向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，而空穴由p區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結(jié)內(nèi)部的漂移運(yùn)動(dòng)占主要優(yōu)勢(shì)，而這種少子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是電子與空穴的復(fù)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(zhì)及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。無論什么材料制成的LED,都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大），與之相對(duì)

應(yīng)有冖個(gè)波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)即為峰值波長(zhǎng)旯p。在LED譜線的峰值兩側(cè)±AZ處，存在兩 個(gè)光強(qiáng)等于峰值一半的點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)旯一^不旯+ A旯，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(gè)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(nèi)。 23、產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件是什么

答·產(chǎn)生激光的三個(gè)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(zhuǎn)，使受激輻射足以口服損耗；（3）有一個(gè)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(dǎo)體激光器有什么特點(diǎn)LD與LED發(fā)光機(jī)理的根本區(qū)別是什么為什么LD光的相干性要

好于LED光

答：半導(dǎo)體激光器體積小，重量輕，效率高，壽命長(zhǎng)，并可采用簡(jiǎn)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(dá)GHz的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)測(cè)量、自動(dòng)控制等方面。LD的發(fā)光機(jī)理是激光工作物質(zhì)的受激輻射，而LED發(fā)光的機(jī)理是非平衡載流子的復(fù)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(shí)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(gòu)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)光器件與光電接收器件組合成一體，制成的具有信號(hào)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(shí)，它在信號(hào)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(shì)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中它具有許多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、電信號(hào)的傳輸和處理及計(jì)算機(jī)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(hào)傳輸具有單向性；（3）具有抗電磁干擾和噪聲的能力；（4）響應(yīng)速度快；巧）實(shí)用性強(qiáng)；（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(jì)算機(jī)系統(tǒng)常采用光電耦合器件答：光電

耦合器件目前在自動(dòng)控制、遙控遙測(cè)、航空技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)和其它光電、電子技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。其具體應(yīng)用實(shí)例可參見教材6，5小節(jié)所述。在計(jì)算機(jī)主體運(yùn)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(huì)大大提高傳輸中的信噪比。

27、 為什么山發(fā)光二極管與光電二極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比小于1，而山發(fā)光二

極管與光電三極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比大于等于1

答：光電隅合器0中發(fā)光。棧管的發(fā)光電流為在，接收門光電二極臥產(chǎn)生的光電流可用 0亠，表示，其中女是與發(fā)光一極管的發(fā)光效、光電0管的增及一者之向距離等參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，稱為光激發(fā)效率，“比較所以搬要丿、于在，巾于乃為/@ 與的比值，因此光電耦合器胃在不加復(fù)合放丿、三極管時(shí)，其電傳牲比總小于l .而當(dāng)接收器采用光電三極管時(shí)的'，光電三極管本身Jl有電流放丿《作用·四此輸出光電流人于等于發(fā)光電流，也即其電流輸比丿0于等于0《光電一極營(yíng)輸出光電流在數(shù)量級(jí)，而光電三極的輸出光電流在”數(shù)量級(jí)0 28、

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了光屯耦器們?cè)陔娐分械乃椎疠斪饔门c電容的隔出《戔作用有桿么，不向0'。一'0 答《首先，．光電耦合器件的信號(hào)傳輸是以光信息的形式進(jìn)行的，這與電容利用電流或電壓傳輸信號(hào)不同；其次，光電耦合器們可以將輸入端的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸，而電容具有隔直作用，無法傳輸直流信號(hào)：再次，對(duì)于交流信號(hào)，光電耦合器們將其調(diào)制為同鎖率光信號(hào)傳輸，對(duì)不同頻率的信源均無過濾作川，而電容傳輸交流信號(hào)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出隨頻率不同而變化的阻抗（也即過濾），無法傳輸?shù)皖l信號(hào)；最后，在抗T和抑噪方面，光電耦合器 件比電容要好

30、簡(jiǎn)述半導(dǎo)體激光器的工作原理。它有哪些特點(diǎn)

原理：半導(dǎo)體激光器是依靠注入載流了工作的，發(fā)射激光必須具備三個(gè)基本條件：

（1） 要產(chǎn)生足夠的粒了數(shù)反轉(zhuǎn)分

布，即高能態(tài)粒了數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒了數(shù)；

（2） 有一個(gè)合適的諧振腔能夠

起到反饋?zhàn)饔?，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩：

（3） 要滿足一定的閥值條件，

以使光了增益等于或大于光了的損耗。

半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電了）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

特點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。

2、給出了用光電耦合件隔離的一種高壓穩(wěn)定電路，說明苴工作原理及對(duì)該光電耦合器的要點(diǎn)'

解：，本各是低壓控制高壓輸出裝置，由VI、V2復(fù)合管，組成變壓電毓放大電路，由

光電

耦合器組成低壓控制高壓的光控器中，由取樣電阻（R4、、）比較放大電路V3和基準(zhǔn)電壓乁豉組成穩(wěn)壓控制各。

當(dāng)負(fù)載&上升，上升，UL上升，復(fù)合管V3的上升，近減少，由于阝故減刂、，光耦合作用堿小，、光耦合三極管DC3/0的堿小復(fù)合管V2的№ 小，苴zc隨之0`卜，復(fù)合管VI的飛上升。其迤也隨之上升。負(fù)載電流玩上升。其電壓U也隨之上升。反之則反，、從而實(shí)現(xiàn)了低壓控高壓的目的。（其中RI電阻供編置電壓作為基準(zhǔn)電阻作降壓用。&作為限流電阻，作反饋用作為基準(zhǔn)電壓管0」

32、熱輻射檢測(cè)器通常分為哪兩個(gè)階段哪個(gè)階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)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溫度變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，而達(dá)到光輻射探測(cè)目的，

第二階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)

3·33熱釋電效應(yīng)應(yīng)如何理解熱電檢測(cè)器為什么只能檢測(cè)交變輻射信號(hào)熟釋電應(yīng)：熟釋電晶體吸收光輻射溫度改變，韞度的變化引起了熱電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)庶的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應(yīng)。

dT

根據(jù)熱釋電效應(yīng)，熱釋電則器的電流和溫度的變化滿足2 ，如果射光是恒定的，那么溫度T是叵定值，電流為零，所以熱電探測(cè)器是一種交流器件。 34、

簡(jiǎn)述熱電偶工作原理熱電檢測(cè)器為什么只能檢測(cè)變幅射信號(hào)

熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)一一熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect) 35、

為什么半導(dǎo)體材料常具有負(fù)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(nèi)，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(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電熱敏電阻器阻器。負(fù)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(dǎo)體跬質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。

第四章

1：總結(jié)不同類型光電檢測(cè)器確定靜態(tài)工作點(diǎn)的方法主要有圖解計(jì)算法和解析計(jì)算法。 答：不同類型光電檢測(cè)器確定靜態(tài)工作點(diǎn)的方法主要有圖解計(jì)算法和解析計(jì)算法。

2：如圖所示電路中，設(shè)電源電壓源為U 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、15叩1m變化。若光通量在此范圍內(nèi)做正弦變化，要是輸出交變電壓的幅值為3V,求所需的負(fù)載電阻RL，并作出負(fù)載線。

@1俯T2}如1聽示的電路中·謾電說電9譏就教二極的伏安性曲見傳卜驍墩二管卜的光通量巧0 m之何亞化光通量在此0內(nèi)作正殳化，要使輸出交變電壓的值為求所需的負(fù) 《電烈，并怍出負(fù)載

0

1咣敬

二薈人電及其伏

安性

o〕鞴入電路，囫伏安持性

解，山可以看出，光敏二喔針的流2 @，光劃量為]。時(shí)的光思流為17，因此光哐變化

=

負(fù)如圖1所

求的負(fù)能· 0為電的T作點(diǎn)

3：己知某Si光電二極管的靈敏度為0· 5p A/g w,結(jié)間電導(dǎo)0· 01p s（微西），轉(zhuǎn)折電壓 U0：10v，入射光功率從p\"=15p w變到p：25# w,偏壓U 50v求最大輸出功率時(shí)的最佳負(fù)載RL、輸出電流^ L、輸出電壓^ U和輸出功率PL

不09羽）己知某&先電0管的靈敏度為0．S gA/gW,結(jié)間電導(dǎo)看= 0.01 {馓．轉(zhuǎn)折電爍‰ = 10v，人酎光功甲從=巧w變到e這25，偏壓= V，求最大輸出功卒時(shí)的雖佳魚庵、輸出電流圍、喻出電壓厶U和輸出功率

解：初始電導(dǎo)

最大輸出時(shí)，負(fù)電導(dǎo)

1

MO

輸出電卡

西巧，3 V

o思1 + 0315

加= = O」15 1肟= 4惡46

輸出功

生4．84區(qū)巧、48雪。74豸雛W

伊1的“》己知某皇光電二管的鱖度丿昶叾gA/gW.悶電G。0、“斡《瀲湖，轉(zhuǎn)折電。10v，入射光功率從：5 + 30n以，催爍= 40v．試電信號(hào)輸出送到畝大器時(shí)，取得大功率的電

川№、大思的輸入電能以及輸送到大器的電壓及功幸、

解 山 條

：

什 可 定 以 動(dòng)光 率 值 為

5：光電倍增管偏置電路如圖22所示。光電倍增管的陰極積分靈敏度S 3叩A(chǔ)/lm,陽極積分靈敏度SA=10A/Im,陽極暗電流Id=4p A,輸入電路是電阻R：1050和電容c 0· 1 p F的并聯(lián)，陰極面積為80mm2，要求信號(hào)電流IL=10-4A,計(jì)算陽極噪聲電流，負(fù)載電阻上的噪聲電壓和信噪比。

彐巧洳圖2所示·光電增筲的陰和分靈軟度= 30／，一陽服分巭鞠ISA = 10 A/lm,如極叼電4 @，輸人電痔

是電阻= 10，0陽電容烏@的亓嵌，例而和№ m為．求的號(hào)史流為在。10“小計(jì)#陽哏電流、負(fù)攸電上的叫聲電卡和0比．

011等效聲錄和崆電醬辭驥平戳止纏率分趼為

2

1

1

澀烏

1

= 25

4RCe 4 × 04區(qū)0．1

2

一。15，9161@

到皸綬嘬聲電流猻負(fù)h的噪聲電壓

敝粒噪聲電流

'' ' '' '

點(diǎn)一孬祈訁一孬蒙i 5五交'正 ；'；i《；云一麗2 × №“ A一2還x 10 / 10/30。0．333M，。在。加0 ·噪聲增張因子0取23

呱聲電流

式中大粼巛M =

：1皇9、瓦礦：1是9楫0《/i@x 10一。2．040 × 10． A =應(yīng)040風(fēng)10 聲電

0信的比

=／。1 /（凸田1礦0 = 3田過×．1儼

№伊1俯徇簡(jiǎn)還的置大器噪聲數(shù)達(dá)到最小值的

一

1

+

第五章

1：直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理是什么為什么說直接檢測(cè)又稱為包絡(luò)檢測(cè)

1

一犭2 + 2（t)

2

所謂光電直接檢測(cè)是將待測(cè)光信號(hào)直接入射到光檢測(cè)器

光敏面上，光檢測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度（幅度）而輸出相應(yīng)的電流或電壓信號(hào)。 光檢測(cè)器輸出的電流為：

式中：第一項(xiàng)為直流項(xiàng)。若光檢測(cè)器輸出端有隔直流電容，則輸出光電流只包含第二項(xiàng)，這就是包絡(luò)檢測(cè)的意思。

2：對(duì)直接檢測(cè)系統(tǒng)來說，如何提高輸入信噪比

答：對(duì)于光電檢測(cè)系統(tǒng)來說，其噪聲主要有三類：（1）光子噪聲包括：A．信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲；B，背景輻射產(chǎn)生的噪聲。（2）探測(cè)器噪聲包括：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生一復(fù)合噪聲， 1 /f噪聲；溫度噪聲。（3）信號(hào)放大及處理電路噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)器中，由于光電轉(zhuǎn)換機(jī)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(shí)，l/f噪聲起主導(dǎo)作用；當(dāng)頻率達(dá)到中間范圍頻率時(shí)，產(chǎn)生一一一復(fù)合噪聲比較顯著；當(dāng)頻率較高，甚至于截至頻率時(shí)，只有白噪聲占主導(dǎo)地位，其它噪聲影響很小。很明顯，探測(cè)器應(yīng)當(dāng)工作在1／f噪聲小、產(chǎn)生．復(fù)合噪聲為主要噪聲的頻段上。因此，對(duì)于直接探測(cè)系統(tǒng)，提高輸入信噪比的措施有：（1）利用信號(hào)調(diào)制及選頻技術(shù)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，因此放大器應(yīng)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(chǎn)生．復(fù)合噪聲。采用半導(dǎo)冷、杜瓦瓶液態(tài)氣冷或?qū)Ｓ弥评錂C(jī)制冷。（3）采用最佳條件下的偏置電路，使信噪比( SIN)最大 3：什么是直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限說明其物理意義。 0

0

答·當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的散粒噪聲為主要噪聲，

其他噪聲可忽略時(shí)，此時(shí)信噪比為：

該式為直接檢測(cè)理論上的極限信噪比。也稱為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限。量子極限檢測(cè)為檢測(cè)的理想狀態(tài)。

4：試根據(jù)信噪比分析具有內(nèi)增益光電檢測(cè)器的直接

測(cè)量系統(tǒng)為什么存在一個(gè)最佳倍增系數(shù)。（參考） 答·當(dāng)光檢測(cè)器存在內(nèi)增益（如：光電倍增管）時(shí)

當(dāng)很大時(shí)，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(dá)到散粒噪聲極限。在直接檢測(cè)中，光電倍增管、雪崩管的檢測(cè)能力高于光電導(dǎo)器件，采用有

內(nèi)增益的檢測(cè)器是直接檢測(cè)系統(tǒng)可能趨近檢測(cè)極限的唯一途徑。

5：對(duì)于點(diǎn)檢測(cè)光電系統(tǒng)，怎樣提高系統(tǒng)的作用距離

3、直接探漚方法的基本原理是什么對(duì)于厶探光電系統(tǒng)·怎樣提高系統(tǒng)的作用距

答：直接揼是將待棱瀝的光號(hào)直接入射到光嶸器的光敏而．h，有光探將光強(qiáng)信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流或電壓．根不同系統(tǒng)的要求，再經(jīng)后續(xù)電路處理（如放大、濾波或種信號(hào)變換電路最終獲得有用的信號(hào)·

高點(diǎn)探測(cè)光電系銃的作用距離·可以從以下丿I個(gè)方面考虐t提高發(fā)射系統(tǒng)的單位立體的射功率，把光發(fā)射光定選在大氣窗凵范圍內(nèi)，探測(cè)合作凵標(biāo)，在詰構(gòu)尺寸允許的況下，嗜大光學(xué)系統(tǒng)的凵徑等·

0 0

1：試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個(gè)方面比較直接檢測(cè)系統(tǒng)和光外差檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

答，工作原理上·．直接探測(cè)系統(tǒng)是將攜帶有待測(cè)量的光信號(hào)直接入射到探測(cè)器光敏面上光探測(cè)器響應(yīng)的是光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流和電壓；@光外差檢測(cè)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(cè)器上進(jìn)行光學(xué)混頻，探測(cè)器輸出的信號(hào)是兩光波頻差的拍頻信號(hào)，該信號(hào)包含有調(diào)制信號(hào)的振幅、頻率和相位特征。

系統(tǒng)性能上·．直接探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，但是不能改善輸入信噪比，不適宜檢測(cè)微弱信號(hào)；@光外差檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)光外差兩輸入信號(hào)有嚴(yán)格的空間條件和頻率條件，但檢測(cè)距離遠(yuǎn)，檢測(cè)精度高，靈敏度高，是天然檢測(cè)微弱信號(hào)的方法。

2：有一光子探測(cè)器運(yùn)用于相干探測(cè)。假設(shè)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n：0· 5，入射的信號(hào)光波長(zhǎng)入=lp m,負(fù)載電阻RL：500，試求該光外差探測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換增益 PIF/PS=?

2，有以光子探器運(yùn)用與干裸認(rèn)，假設(shè)入射到光混頒器上的本振光功甲

光混器的量子效幸n 5 入射的俗號(hào)光波長(zhǎng)№1帥負(fù)我電5，試求該光外插抨的系統(tǒng)的驊增益P*/Ps-?

。2．．．．后．．．．到．．．．0一0@

的．．．00 “ 1儼10亠50

以.02'10

解生/（叫和v p趴

3：試述實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)必須滿足的條件。

答：1）要求參于混頻的信號(hào)光和本振光應(yīng)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(hào)光與本振光要求偏振方向一致。3）信號(hào)光與本振光要求空間波前匹配，即要求空間調(diào)準(zhǔn)（準(zhǔn)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9應(yīng)滿足關(guān)系9 <入OIL,其中入0是本振光波長(zhǎng)，L是光電探測(cè)器光敏面尺寸。

4：求光零差相干檢測(cè)在輸出負(fù)載RI端的峰值信號(hào)功率

§、求光零差想干探測(cè)在輸負(fù)載&端的瞵俗號(hào)功率

光零差相干探測(cè)瞬時(shí)中頻電壓為阝A

瞬時(shí)功率PIF= 2爾：阝AA RF4(en/hv)ZPLPsRL

其中ps分別為本振光和信號(hào)光的功率： 5試述激光干涉測(cè)長(zhǎng)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。

器

測(cè)堡角誆攬

由長(zhǎng) 206mrn 的 至 門腔 He入發(fā)出 九 管 e 度為

對(duì)互相垂亙的雙縱振光，貘間隔為，=

02硭（式中（為光．￡為詣?wù)襻情L(zhǎng)、為0氣折射翠，冥值約7俱經(jīng)市儒犄而取出梘頻信號(hào)，進(jìn)行熱穩(wěn)·余九束再經(jīng)祈無反射及躬，反的一對(duì)正交偏振作為0考號(hào)，經(jīng)透攬、偏振片產(chǎn)生祀頻信號(hào)，為光電接收器拚收生達(dá)光經(jīng)光擴(kuò)展器箍曠束后，力岳振分無鏡分光，水干分過射問到角誰驏垂苴分鬟射向固定角錐驍，兩跖糞返回后經(jīng)透境、倔振片產(chǎn)生蕉頻。當(dāng)湖過鏡在時(shí)閭t內(nèi)以度0移動(dòng)一距高時(shí)，因多勒效應(yīng)而引起頻差變化，這樣被渭長(zhǎng)度信息載于返回光束中，#為光電接收掹收“ 可得量運(yùn)動(dòng)距高與相位差化的矢糸式

4 0

2 丆

！

可見在忽略了過過中糸統(tǒng)不梘定性靶響及高斯束干剛加項(xiàng)的化影的偕況下，只對(duì)蔭量境運(yùn)動(dòng)過程中量信號(hào)與0考信號(hào)的相位差化的周期數(shù)，即可獲所需禱量長(zhǎng)度結(jié)果· 6：如何實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)。

由于測(cè)量反射鏡在測(cè)量過程中可能需要進(jìn)行正、反兩個(gè)方向的移動(dòng)，或在測(cè)量過程中由于各種干擾因素的影響，可能使測(cè)量鏡在正向移動(dòng)過程中產(chǎn)生一些偶然的反射移動(dòng)。

（正、反方向移動(dòng)均使干涉信號(hào)產(chǎn)生明、暗的變化）

若測(cè)量系統(tǒng)中沒有判向能力，則由光電檢測(cè)器接收信號(hào)后，由計(jì)數(shù)器所顯示的計(jì)數(shù)值是測(cè)量鏡正反移動(dòng)的總和，而不是真正的被測(cè)長(zhǎng)度。

測(cè)量系統(tǒng)的電路中必須設(shè)計(jì)有方向判別部分，把計(jì)數(shù)脈沖分為加、減兩種脈沖。

當(dāng)測(cè)量鏡正向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖，則測(cè)量鏡反向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為減脈沖。這兩種脈沖送入可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，即可得出測(cè)量鏡的真正位移量。 7：試述多普勒測(cè)速原理。

當(dāng)光（激光）照射運(yùn)動(dòng)物體或流體時(shí)，其反射光或散射光將產(chǎn)生多普勒頻移，用它（即反射光或散射光）與本振光進(jìn)行混頻可測(cè)得物體或流體的速度。 第七章

1：用射線理論簡(jiǎn)述光纖的導(dǎo)波工作原理。

Acosp=nznrsmtc=nz

nosmO：sm一1—COS

0

0

NA一定義為光纖的數(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(cè)對(duì)象相互作用，使得光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，使其傳光特性發(fā)生相關(guān)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(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)。

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(gè)微米，接近波長(zhǎng)。單模光纖的有點(diǎn)是沒有模式散射，可利用波導(dǎo)色散抵消材料色散，以得到零色散。同時(shí)，信息容量極大，可進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，可利用光的相位等。但缺點(diǎn)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(diào)制技術(shù)。

光調(diào)制分為：強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、 頻率調(diào)制和光譜調(diào)制等。 5：分光式光纖傳感器有哪些特點(diǎn)

分布式光纖傳感器：是將傳感光纖沿場(chǎng)排布，并采用獨(dú)特的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)沿光纖傳輸路徑上場(chǎng)的空間分布和隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控。

分布式光纖傳感器能同時(shí)測(cè)量空間多個(gè)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，甚至能測(cè)量空間連續(xù)分布的環(huán)境 參數(shù)。

6：構(gòu)成分布式光纖傳感器的主要技術(shù)有哪些

、反射法：即利用光纖在外部擾動(dòng)作用下產(chǎn)生的瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法。

、波長(zhǎng)掃描(WLS)法：用白光照射保偏光纖，運(yùn)用快速付里葉算法來確定模式耦合系數(shù)的分布，當(dāng)高雙折射保偏光纖受到外部擾動(dòng)作用時(shí)，會(huì)引起相位匹配的模式耦合，即光由一種模式轉(zhuǎn)換為另一種模式（即波長(zhǎng)）。由于本征模以不同的速度在光纖中傳播，所以從兩個(gè)本征模的相對(duì)幅度的大小可以得到被測(cè)參數(shù)的信息。

、干涉法：利用干涉儀把被測(cè)量對(duì)干涉光路中光波的相位調(diào)制進(jìn)行解調(diào)，從而得到被測(cè)量

第九章

0 0

試列表比較所介紹的幾種微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合。為什么說微弱信號(hào)檢測(cè)基本要素是以時(shí)間為代價(jià)來換取高靈敏度的測(cè)量。 答：1鎖相放大器

特點(diǎn)：．要求對(duì)入射光進(jìn)行斬光調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號(hào)的檢測(cè)； @為極窄帶高增益放大器；

@是交流信號(hào)一直流信號(hào)變換器。相敏輸出正比于輸入信號(hào)的幅度和它與參考電壓的相位差。 @可以補(bǔ)償光檢測(cè)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(dá)1000

2取樣積分器

3光子計(jì)數(shù)器

1搦

特點(diǎn)：．只適合于極弱光（）的測(cè)量，不能測(cè)量包含許多光子的短脈沖強(qiáng)度； @不論是連續(xù)的、斬光的、脈沖的光信號(hào)都可以使用，能取得良好的信噪比； @可直接提供數(shù)字輸出。

設(shè)輸入信號(hào)為，經(jīng)積分器 次積累后所得到的輸出電壓為：

m

2 一0

輸出信號(hào)平均功率為：

0

噪 聲 電 壓

是 隨 機(jī) 則量 ，

噪聲平均功率為：噤：君[一君伍月

也 為 隨 機(jī) 量 但，

的數(shù)學(xué)期望

通過積累后獲得的功率信噪比為：

次枳累后,功率信噪比可提高 倍。信號(hào)噪聲幅値比( SNIR )カ:

可見,取點(diǎn)測(cè)量次數(shù)越大,信噪比改善越明品,但需要的枳累寸同也越。微弱信號(hào)栓測(cè)都是以棲牲日寸同カ代價(jià)的。

2 :以鎖相放大器カ例,稅明去除噪音改善棯測(cè)信噪比的機(jī)理。 答:設(shè)輸入到乘法器的輸入信號(hào)和參考信號(hào)分別カ:

の=なc。車+ △ +

乘法器的輸出力:

cos ( △の+ 2 )カ差頻成分; 。吐( 2の。+ △のン+內(nèi)カ和頻成分。鋒低通 浦波得到窄帯的差頻信號(hào),輸出力:

磆の一な( +の

輸

, 即 出百 流 信 號(hào)

當(dāng)o= 0寸,

當(dāng)日一一三寸,

2

在輸入信號(hào)中,只有被測(cè)信號(hào)本身由于和參考信號(hào)有同頻鎖相夫系而得到最大的直流愉出。

^關(guān)0

其他噪聲和干擾信號(hào)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。

Ao = 0

分。

鎖相放大器能以極高的信噪比由噪聲中提取出信號(hào)。 3：說明取樣放大器的去噪原理和工作過程。

噪聲中那些與參考信號(hào)同頻率（即

）、同相位（即

的噪聲分量也能夠輸出相應(yīng)的直流信號(hào)與被測(cè)信號(hào)相疊加，但這一部分噪聲占白噪聲的極小部

答：原理：是利用周期性信號(hào)的重復(fù)特性，在每個(gè)周期的同一個(gè)位處多次采集波形上某點(diǎn)的數(shù)值，算術(shù)平均值與該點(diǎn)處的瞬時(shí)值成比例，于是各周期內(nèi)取樣平均信號(hào)也為待測(cè)信號(hào)的波形。而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)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(hào)波形。

1、周期信號(hào)的取樣：滿足取樣定理（在這里要注意對(duì)取樣定理的理解） 2、取樣信號(hào)的積累平均

4：什么叫光子計(jì)數(shù)技術(shù)試說明光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)可分為丿L種類型，說明各種類型的工作原理。

答：光子計(jì)數(shù)器是利用光電倍增管能檢測(cè)單個(gè)光子能量的功能，通過光電子計(jì)數(shù)的方法測(cè)量極微弱光脈沖信號(hào)。

光子計(jì)數(shù)器分為三種類型：基本型、輻射源補(bǔ)償型和背景補(bǔ)償型。 5：電子開關(guān)有哪些應(yīng)用方式試簡(jiǎn)述他們的應(yīng)用特點(diǎn)。 答：光電開關(guān)分為主動(dòng)型光電開關(guān)和被動(dòng)型光電開關(guān)。

0 0

透射分離型主動(dòng)開關(guān) 1

光被接收管接收而使開關(guān)運(yùn)作。可用于位置傳感、汽車的緊急制動(dòng)等。

2反射型主動(dòng)開關(guān)：當(dāng)發(fā)光管發(fā)出的光遇到障礙時(shí)，一在距離足夠近時(shí)，由障礙物反射回來的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(shí)現(xiàn)由低壓電路控制高壓電路。

4編碼技術(shù)型主動(dòng)開關(guān)：發(fā)光管發(fā)出頻率確定的光脈沖；快門打開期間，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)此期 間光電的脈沖數(shù)（N)，即可計(jì)算出快門的時(shí)間（

5被動(dòng)開關(guān)：利用自然光源的特性對(duì)光電開關(guān)提供信號(hào)。因此，被動(dòng)開關(guān)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(dòng)開門或報(bào)警系統(tǒng)的控制。 6：電子轉(zhuǎn)速計(jì)在進(jìn)行正反向轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，如何進(jìn)行判向給出一種設(shè)計(jì)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(hào)。

光電遙控接收機(jī)原理框圖：

光東輸人 I R裝置放大器 具有數(shù)字和模擬輸出的譯碼 光二極管

6bit并行輸

識(shí)別原理，條形碼識(shí)別一般8：試述條形碼要經(jīng)過哪幾個(gè)答：原理：利符號(hào)、符號(hào)載體、打印設(shè)備和掃描閱讀設(shè)備組成。

環(huán)節(jié)

用計(jì)算機(jī)“ 0 ”、“ 1 ”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的寬窄條紋來表示數(shù)字或字符。條形碼系統(tǒng)由條形碼環(huán)節(jié)：1要求建立一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。2要求一個(gè)接受系統(tǒng)能夠采集到光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)打在條形碼條符上反射回來的反射光，同時(shí)，要求這一接受系統(tǒng)對(duì)反射光具有一定的敏感系統(tǒng)。3要求一個(gè)電子電路將接受到的光信號(hào)不失真的轉(zhuǎn)換為電脈沖。

9：針對(duì)基于調(diào)制盤的紅外方位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，試設(shè)計(jì)出仍一種調(diào)制圖案。

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