南京理工大学光电检测-习题解答

南京理工大学光电检测课后习题答案第 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 420460nm 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？P154、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？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器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：减小负载电阻；减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；适当增加工作电压。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。12、试分析图 3-72（a） ， （b ）所示的放大电路中，光敏电阻 Rp 的作用。答：（a）无光照时，Rp 阻值很大，即同相反馈支路的反馈电阻很大，输出电压高。光强增加，使得 Rp，使得同相反馈支路阻值减小，输出电压下降。 （b）无光照时，Rp 阻值很大，输入近似开路，输出电压低。光强增加，使得 Rp，使得输入信号进入，输出信号增大。13、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？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。18、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 dr，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 p，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 RC。(2) 对于 PN 结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间 p 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 p 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 。在 LED 谱线的峰值两侧 处，存在p两个光强等于峰值一半的点，分别对应 ， ，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