南京理工大学光电检测习题解答

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南京理工大学光电检测课后习题答案一、举例说明你说明白的检测系统的工作原理。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、产品缺点、装配定位…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：图像猎取---面阵CCD医疗卫生——数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红别传感器CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管光电检测技术在军事上的应用：夜视对准机系统：非冷却红别传感器技术激光测距仪：可准确的定位目标光电检测技术应用实例简介点钞机激光检测—激光光源的应用 用必定波长的红外激光照耀第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生必定波长的激光，通过对此激光的检测可区分钞票的真假。由于仿造困难，故用于辨伪很准确。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结实同，利用这一原理，能够实现辨伪。荧光反映的检测—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展检〔含％以上的优质棉花般纸进展制造，经漂白处置后的纸张在紫外线〔波长为365nm的蓝光〕的照耀下会显现荧光反映〔在紫外线的激发下衍射出波长为m的蓝光，人民币那么没有荧光反钞票真假。纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用主假设是用于依照钞票通过此红外发光及接收二极管所用的时刻及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度态进展判定，比方有无卡纸等；同时也能依照钞票的宽度判定出其面值。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份别离有一个作为有无钞票的放射接收红外对管，用来检测是不是有钞票放入或掏出。二、如何实现非电量的测量？传感器接口电路是为了与传感器协作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置。一样说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟/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正确的性能，需要设计传感器接口电路。3、阻碍检测测量精度的要紧因素有哪些，而其中哪几个因素有时最大体而且需要特地留意的？如视觉误差等等。还有利用测量器具时的方式不适当造成的误差。4、什么是噪声和干扰？什么是有效信号？有效信号指传递用户所需信息的信号动作的信号。噪声由电路元件本身生成，最多见的例子包括宽带噪声、热噪声和闪耀噪声等。干扰分 3部份，干扰源、耦合通道和灵敏对象。在不同空间和时刻尺度上偶然发生，不行预知。五、如何判定干扰？如何幸免干扰？〔1〕器件工作的噪声干扰，比方说数字电路正负规律的转换致使的〔2〔串扰和回损，〔3〕电源噪声干扰，此刻大部份电源系统〔4〕地线噪声干扰，都明白只假设是线就会存在电阻，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，从而阻碍设备。总之干扰无处不在，在设计电路或画PCB时能够考3六、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期？什么原因要通过测量周期的方式来测量低频信号的频率？倒数运算求出来的。因此，从测频的角度，上述测量方式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1MHz1Hz1s的尖波信号接到操纵门的操纵端，被测信号通过放大整形变成正半波尖脉冲信号，接到么原因要通过测量周期来测定低频型号的频率搜寻的原因。8、试表达光电检测系统的组成及特点。P6组成：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。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。电路处置放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、掌握。2章一、简述光电效应的工作原理。什么是暗电流？什么是亮电流？P112.2.1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。光敏电阻两头加电压〔直流或沟通。无光照时，阻值特地大，电流〔暗电流〕很小；光照时，光生载流子快速增加，阻值急剧削减，在外场作用下，光生载流子沿必定方向运动，形成亮电流。二、简述光生伏特效应的工作原理。什么原因光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度？1PNnpPN结上加一个正〔2〕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不同。〔或波长〕表现出选择性。在光子牵引效应和光电磁效应等。〔或波长〕没有选择性，因此物质温度的转变仅打算于光功率〔或其转变率，而与入射光辐射的光谱受环境温度转变的阻碍。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3一、试说明什么原因本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时刻响应越长，灵敏度越高。二、关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刻常数是不是一样？什么原因？假设是照度一样而温度不同时情形又会如何？3、什么原因结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必需在哪一种偏置状态？什么原因？答：由于p-n结在外加正向偏压时，即便没有光照，电流也随着电压指数级在增加，因此有光照时，光电效应不明显。p-n结必需在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是由于p-n加。43-703CdS五、光电导器件响应时刻〔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？实际利历时如何改善其工作频率响应？响应时刻要紧受光电导器件中载流子的平均寿命即减小光伏器件的受光面积；③适当增加工作电压。六、硅光电池的开路电压什么原因随着温度的上升而下降？阻碍光电倍增管工作的环境因素有哪些？如何削减这些因素的阻碍？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能级的转变上来明白得：Fermi〔即趋于本征化Fermi能级之差也就越小，因此p-n作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度的阻碍够削减热电子放射,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阻碍。7、分析光电信号输出电路工作原理。试以光电导器件为例，说明什么原因光电检测器件的工作波长越长，工作温度就越低？八、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它们的构造简洁说确实是三明治的夹心构造，中间的夹心是有源区。二者的构造上是相像的，可是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放射功率较高、光谱较窄、直接调制带宽较宽，而LED放射功率较小、光谱较宽、直接调制带宽较窄。九、试判别以下结论，正确的在括号里填写T，错误的那么填写F:光电导器件在方波辐射的作用下，其上升时刻大于下降时刻。 〔F〕光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度上升光阴敏电阻的阻值也随之上升。〔T〕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刻，而且，随着复合的进展光生电子与空穴的浓度与复合概率不断减小使得光敏电阻恢复被照前的阻值需要很长时刻。 〔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〕组装在一路，通过光线实现耦合组成电—光和光—电的转换器件。1一、利用光敏电阻等器件设计楼梯内的节能灯操纵电路及测量应用中的自动增益操纵电路。1二、试分析图3-7〔〔〕所示的放大电路中，光敏电阻Rp的作用。〕Rp强增加↑，使得Rp↓，使得同相反响支路阻值减小，输出电压下降。〔b〕无光照时，Rp阻值特地大，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、什么原因在光照度增大到必定程度后，硅光电池的开路电压再也不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？什么原因硅光电池的有载输出电压总小于一样照度下的开路电压？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？极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。明显，存在着最正确负载电阻Ropt，在最正确负载电阻情形下负载能够取得最大的输出功率Pmax。1五、光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点?光生伏特器件有反向偏置电路，零偏置电路，自偏置电路。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，且当负载为最正确负载电阻时具有最大的输出功率反向偏置状态，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〕或线性关系转变，因此零伏偏置电路是抱负的电流放大电路。1六、试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的不同。且向下平移的程度随辐照度的不同而转变电压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。八、19?PN结型硅光电二极管的107Hz？如何提高硅光电二极管的频率响应?阻碍光生伏特器件频率响应的要紧因素有三点：1〕在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时刻τdr，即漂移时刻；2〕PN结区外产生的光生载流子集中到PN结区内所需的时刻τp，即集中时刻；3〕PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL组成的RC延迟时刻τRC。关于PN结型硅光电二极管，光生载流子的集中时刻τp是限制硅光电二极管频率响应的要紧因素。由于光生载流子的集中运动很慢，因此集中时刻τp很长，约为100ns，那么107Hz。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〕尽可能削减构造造成的散布电容；5〕增加PN结深，减小串联电阻；6〕设计选用最正确负载阻值。20、什么原因说发光二极管的发光区在PNP区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？答：关于PN结注入发光的发光二极管，当PN结处于平稳位置时，存在必定的势垒区。当加正向偏压时，PN结区势垒降低，从集中区注入的大量非平稳载流子不断地复合发光，并要紧发生在P区。这是由于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NPN区运动。但由于电子的迁移率?N比空穴的迁移率?P20倍左右，电子特地快从N区迁移到P区，因此复合发光要紧发生在P区。LED有非平稳载流子的相对运动，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形下，PN结内部的漂移运动占要紧优势，而这种少子运动的结果是电子与空穴的复合概率小，而且表此刻数量上也是很微弱的，缺乏以使LED发光。因此，要使LED发光，必需加正向偏压。2二、发光二极管的发光光谱由哪些因素打算？光谱的半宽度有何意义？封装方式无关。不管什么材料制成的LE，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pLED谱线的峰值双侧处，存在两个光强等于峰值一半的点，别离对应pp，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，那么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？为此需要泵浦源〕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供给正反响及高的增益，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？LDLEDLD光LED光？答：半导体激光器体积小，重量轻，效率高，寿命长，并可承受简洁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，因此能够与之单片集成，而且还可用高达GHz的频率直接进展电流调制以取得高速调制的激光输出。由于这些优势，它普遍应用于光通信、光LDLED发光的机理是非平稳载流子的复合发光。由于LD的发光进程是受激辐射，单色性好，放射角小，因此有特地好的时刻和空间相干性。2件的要紧特性有哪些？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，它算机系统等方面。光电耦合器件的要紧特性有〔〕具有电隔离的功能〕信号传输具有〕具有抗电磁干扰和噪声的力量〔〕响应速度快〔〕有效性强〔〕既具有耦合特性又具有隔离特性。2六、举例说明光电耦合器件能够用在哪些方面？什么原因运算机系统常承受光电耦合器件？答：光电耦合器件目前在自动操纵、遥控遥测、航空技术、电子运算机和其它光电、份与输入、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。271，而由发1？28、29、原理：半导体激光器是依托注入载流子工作的，放射激光必需具有三个大体条件：要产生足够的粒子数反转散布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；有一个适合的谐振腔能够起到反响作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；原理：半导体激光器是依托注入载流子工作的，放射激光必需具有三个大体条件：要产生足够的粒子数反转散布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；有一个适合的谐振腔能够起到反响作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；要知足必定的阀值条件，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鼓舞方式，利用半导体物质〔即利用电子〕在能带间跃迁发光，用半导体光。特点：体积小、重量轻、运转靠得住、耗电少、效率高等。31、32、热辐射检测器通常分为哪两个时期？哪个时期能够产生热电效应？第一时期：器件吸取光量而使自身温度发生转变，探测目的，其次阶段能够产生33、回路中就会有电流通过，现在两头之间就存在电动势——热电动势，这确实是所谓的(Seebeck回路中就会有电流通过，现在两头之间就存在电动势——热电动势，这确实是所谓的(Seebeckeffect〕。35、什么原因半导体材料常具有负温度系数？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要紧原料，承受陶瓷工艺制造而成。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〕数量少，电阻较高；温度上升，体内载流子数量增加，自然电阻值降低。第四章1:总结不同类型光电检测器确信静态工作点的方式要紧有图解计算法和解析计算法。答：不同类型光电检测器确信静态工作点的方式要紧有图解计算法和解析计算法。2Ub=9Vb0~150μlm转变。假设光通量在此范围内做正弦转变，假设是输出交变3V，求所需的负载电阻RL,并作出负载线。p“=15μWP‘=25μWUb=50V。求最大输出功率时的最正确负载RL、输出电流ΔL、输出电压ΔU和输出功率PL。4-22SK=30μA/lm，阳的并联，阴极面积为80mm2，要求信号电流IL=10-4A，计算阳极噪声电流，负载电阻上的噪声电压和信噪比。第五章1：直接检测系统的大体原理是什么？什么原因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：所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器这确实是包络检测的意思。2：对直接检测系统来讲，如何提高输入信噪比？答：关于光电检测系统来讲，其噪声要紧有三类1〕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〔3〕信号放大及处置电路噪声在实际的光电探测器中，由于光电转用以以下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率到达中间范围频率1/f噪声小、产生-复合噪声为要紧噪声的频段上。因此，关于直接探测系统，提高输入信噪比的方法有〔〕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，因此放大器应承受带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。〔2〕-复合噪声。承受〔3〕承受最正确条件下的偏置电路，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发的散粒噪声为要紧噪声，其他噪声可无视时，现在信噪比为：答：当入射信号光波所引发的散粒噪声为要紧噪声，测的抱负状态测量系统什么原因存在一个最正确倍增系数〔参考〕答：当光检测器存在内增益〔如：光电倍增管〕时当承受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：关于点检测光电系统，如何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光波频差的拍频信号，该信号包括有调制信号的振幅、频率和相位特点。系统性能上：①直接探测系统检测方式简洁，易于实现，靠得住性高，可是不能改善输入信噪比，不适宜检测微弱信号；②光外差检测系统简单，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，是自然检测微弱信号的方式。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=，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=?3:试述实现外差检测必需知足的条件。答：1〕要求参于混频的信号光和本振光应是抱负相干的单频单模光，要有稳固的振荡频率和相位。2〕在光混频器上信号光与本振光要求偏振方向全都。3〕信号光与本振光要求空间波前匹配，即要求空间调准〔准直、共轴，波面吻合垂直入射于光混频外表。二光束入射角偏斜θ应知足关系θ＜0/L,其中0L4:求光零差相干检测在输出负载Rl端的峰值信号功率5试述激光干与测长的大体原理。答：如以下图是双纵模双频激光干与仪的原理示用意。6:如何实现干与信号的方向判别与计数。类干扰因素的阻碍，可能使测量镜在正向移动进程中产生一些偶然的反射移动。〔正、反方向移动均使干与信号产生明、暗的转变〕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需设计有方向判别部份，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脉冲。这两种脉冲送入可逆计数器进展可逆计数，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〕照耀运动物体或流体时，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〕与本振光进展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概念为光纤的“数值孔径在光纤端面，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大体含义。功能型传感器〔即FF型光纤传感器、传感型光纤传感器发生相关转变。非功能型传感器〔即NF型光纤传感器、传光型光纤传感器测量的转变，光纤仅作为光的传输介质。3：什么是单模光纤？成为单模光纤的大体条件是什么？散射，可利用波导色散抵消材料色散，以取得零色散。同时，信息容量极大，可进展理论推测，可利用光的相位等。但缺点是，芯径很小，因此利用不变。4：举例说明光纤中光波的各类调制技术。光调制分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和光谱调制等。5：分光式光纤传感器有哪些特点？散布式光纤传感器：是将传感光纤沿场排布，并承受独特的检测技术，对沿光纤传输途径上场的空间散布和随时刻转变的信息进展测量或监控。散布式光纤传感器能同时测量空间多个点的环境参数，乃至能测量空间持续散布的环境参数。6：组成散布式光纤传感器的要紧技术有哪些？进展测量的方式。二、波长扫描〔WLS〕法：用白光照耀保偏光纤，运用快速付里叶算法来确信模式耦合系一种模式转换为另一种模式〔即波长。由于本征模以不同的速度在光纤中传播，因此从两个本征模的相对幅度的大小能够取得被测参数的信息。信息。第九章1：试列表比较所介绍的几种微弱信号检测系统的特点与应用处合。什么原因说微弱信号检测大体要素是以时刻为代价来换取高灵敏度的测量。答：1 锁相放大器特点：①要求对入射光进展斩光调制，适用于调幅光信号的检测；②为极窄带高增益放大器；③是沟通信号---直流信号变换器。相敏输出正比于输入信号的幅度和它与参考电压的相位差。④能够补偿光检测器中的背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声。信噪比改善可高达1000倍。取样积分器光子计数器特点：①只适合于极弱光〔 〕的测量，不能测量包括很多光子的短脉冲强度；②不管是持续的、斩光的、脉冲的光信号都能够利用，能取得良好的信噪比；③可直接供给数字输出。输出信号平均功率为：噪声电压输出信号平均功率为：噪声电压的数学期望噪声平均功率为：通过积存后取得的功率信噪比为：的数学期望噪声平均功率为：通过 次积存后，功率信噪比可提高 倍。信号噪声幅值比〔SNIR〕为：是以捐躯时刻为代价的。2：以锁相放大器为例，说明去除噪音改善检测信噪比的机理。答：设输入到乘法器的输入信号和参考信号别离为：乘法器的输出为：为差频成份；为和频成份。经低通滤波取得窄带的差频信号，输出为：为差频成份；为和频成份。经低通出直流