南京理工大学光电检测习题解答.docx
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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、产品缺点、装置定位
(2)光电检测技术在平时生活中的应用:
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觉灯:
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:
夜视对准机系统:
非冷却红外传感器技术激光测距仪:
可精准的定位目标
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,经过对此激光的检测可鉴别钞票的真假。
因为仿造困难,故用于辨伪很正确。
(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牢固、
密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高,因此对红外信号的汲取能力较强来鉴别钞票
的真假。
人民币的纸质特色与假钞的纸质特色有必定的差别,
用红外信号对钞票进行穿透检
测时,它们对红外信号的汲取能力将会不一样,利用这一原理,能够实现辨伪。
(3)荧光反响的检测—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。
人民币采纳专用纸张制造(含
85%以上的优良棉花),假钞往常采纳经漂白办理后的普
通纸进行制造,经漂白办理后的纸张在紫外线(波长为
365nm的蓝光)的照耀下会出现荧
光反响(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响。
所以,用紫外光源对运动钞票进行照耀并同时用硅光电池检测钞票的荧光反应,
可鉴别钞票
真假。
(4)纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用
主假如用于依据钞票经过此红外
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,比方有无卡纸等;同时也能依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,用来检测能否有钞票放入或拿出。
2、如何实现非电量的丈量
为实现非电量的电丈量,第一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变换成低输出电阻的电压信号以方
便后续电路的办理。
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/数字变换后获取数字信号,以便于微办理器或微控制器。
微办理器或微控制器是测控系统的
中心,它主要有两个作用:
一是对数字信号进前进一步办理并将信号输出显示、储存和控制。
二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化,即依据信号和丈量条件的变化,自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其余的电路参数。
在采纳适合的传感器以后,就要设计传感器的接口电路。
从电子学的角度来看,不一样的传感器拥有不一样的电特征和需要不一样
的驱动信号(也有的传感器不需要驱动信号),为获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、影响检测丈量精度的主要因素有哪些,而此中哪几个因素有时最基本并且需要特别注意的
丈量用具自己存在的偏差。
环境因素,如气温,气压,干燥程度,震动,磁场等。
人为因素,如视觉偏差等等。
还有使用丈量用具时的方法不适合造成的偏差。
4、什么是噪声和扰乱什么是实用信号
噪声是来自元器件内部粒子;而扰乱是指其余的有害信号,有系统外面的,也能够有内部的。
实用信号指传达用户所需信息的信号,或是用来让接收设施收到信号后产生一个早先设定的
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。
噪声会致使信号质量降落以及精准丈量方面的错误。
噪声包含固有噪声及外
部噪声,这两种基本种类的噪声均会影响电子电路的性能。
外面噪声来自外面噪声源,固有
噪声由电路元件自己生成,最常有的例子包含宽带噪声、热噪声以及闪耀噪声等。
扰乱分3
部分,扰乱源、耦合通道和敏感对象。
在不一样空间和时间尺度上有时发生,不行预知。
5、如何判断扰乱如何防止扰乱
常有的信号的扰乱有:
(1)器件工作的噪声扰乱,
比方说数字电路正负逻辑的变换致使的电
磁场扰乱,电搜寻压电流变化产生的电磁场扰乱。
(2)高频信号噪声扰乱(串扰和回损)
,
因为高频电路能产生强电磁场,
产生感觉信号。
(3)电源噪声扰乱,此刻大多半电源系统采
用的都是开关电源,开关电路的高频开关动作会致使严重的高频噪声。
(4)地线噪声扰乱,
都知道只假如线就会存在电阻,
当一条地线上挂有多个设施时,
并且工作电流较大时,
小电
阻也会产生电位差,进而影响设施。
总之扰乱无处不在,在设计电路或画
PCB时能够考虑
从3点办理,即障蔽扰乱源、切断耦合通道、保护敏感对象。
6、电子计数器如何实现既能丈量频次又能丈量周期为何要经过丈量周期的方法来丈量低频信号的频次
采纳多周期同步丈量技术,这类丈量方法其实是对信号周期进行丈量,信号的频次是经过倒数运算求出来的。
因此,从测频的角度,上述丈量方法也称为倒数计数器法。
数字频次计丈量频次的原理:
石英振荡器1MHz标准脉冲信号,经过分频器分频为1s的尖波信号接到控制门的控制端,被测信号经过放大整形变成正半波尖脉冲信号,接到
1Hz周期
控制器的信号端;第一个秒信号触发控制门翻开,尖脉冲经过控制门,第二个秒信号到来后控制门封闭,脉冲计数器记录两个秒信号间隔时间内经过控制门的尖脉冲个数就等于被测信
号的频次值。
数字频次计丈量周期的原理:
采纳上述方法丈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,计数器从开启到封闭可能多记一个或少记一个数;所以,为了保证低频信号丈量的精度,能够用周期丈量法:
即用被测信号脉冲去控制门
电路的开启,让标准时间经过控制门,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经过,相当于一个周期等于几个时间单位。
这就是为什
么要经过丈量周期来测定低频型号的频次搜寻的原由。
8、试表达光电检测系统的构成及特色。
P6
构成:
(1)光学变换
时域变换:
调制振幅、频次、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,便于后续电学办理的光学信息。
(2)光电变换
光电/热电器件(传感器)、变换电路、前置放大
将信息变成能够驱动电路办理系统的电信息(电信号的放大和办理)
(3)电路办理
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
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,阻值很大,电流(暗电流)很小;光照时,光生载流子快速增添,阻值急剧减少,在外场作用下,光生载流子沿必定方向运动,形成亮电流。
2、简述光生伏殊效应的工作原理。
为何光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速
度
答:
(1)光生伏殊效应的工作基础是内光电效应.当用适合波长的光照耀PN结时,因为内建
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量载流子的行为,因为少量载流子的寿命通
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色P15
4、比较光电效应和热电效应在作用机理、性能及应用特色等方面的差别。
答:
所谓光电效应是指,光辐射入射到光电资料上时,光电资料发射电子,
或许其电导率发
生变化,或许产生感生电动势的现象。
光电效应本质上是入射光辐射与物质中约束于晶格的
电子或自由电子的互相作用所惹起的。
光电效应就对光波频次
(或波长)表现出选择性。
在
光子直接与电子互相作用的状况下,
其响应速度一般比较快。
依据能否发射电子,
光电效应
又分为内光电效应和外光电效应。
详细有光电子发射效应、光电导效应、光生伏殊效应、光
子牵引效应和光电磁效应等。
光热效应的本质是探测元件汲取光辐射能量后,
其实不直接惹起内部电子状态的改变,
而是把
汲取的光能变成晶格的热运动能量,
惹起探测元件温度上涨,
温度上涨的结果又使探测元件
与温度有关的电学性质或其余物理性质发生变化。
原则上,光热效应付光波频次(或波长)
没有选择性,因此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没关。
因为温度高升是热累积的作用,所以光热效应的响应速度一般比较慢,并且简单受环境温度变化的影响。
光热效应包含热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等
第3章
1、试说明为何本征光电导器件在越轻微的辐射作用下,时间响应越长,敏捷度越高。
2、关于同一种型号的光敏电阻来讲,在不一样光照度和不一样环境温度下,其光电导敏捷度与时间常数能否同样为何假如照度同样而温度不一样时状况又会如何
3、为何结型光电器件在正向偏置时,没有明显的光电效应它一定在哪一种偏置状态为何答:
因为p-n结在外加正向偏压时,即便没有光照,电流也跟着电压指数级在增添,所以有光照时,光电效应不明显。
p-n结一定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,所以光照增添时,获取的光生电流就会明显增添。
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(频次特征)受哪些因素限制光伏器件与光电导器件工作频次哪个
高本质使用时如何改良其工作频次响应
响应时间主要受光电导器件中载流子的均匀寿命有关,减小,则频次响应提升;其次,
光电导器件的响应时间与运用状态也有光,比如,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次高于光电导器件。
要改良光伏器件的频次响应,主要
是减小响应时间,所以采纳的举措主要有:
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适合增添工作电压。
6、硅光电池的开路电压为何跟着温度的高升而降落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
温度高升时,半导体的导电性将发生必定的变化,
即少量载流子浓度跟着温度的高升而指数
式增大,相对来说多半载流子所占有的比率即愈来愈小,
这就使得多半载流子往对方扩散的
作用减弱,进而起阻拦作用的
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能级就越凑近禁带中央(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,
比方:
偏置电压的高低、环境光和温度变化等多
方面因素的影响。
无光光阴电倍增管对光的响应度更趋于安稳,
使实验数据也更拥有靠谱性。
所以,无光环境是决定光电倍增管对轻微光信号的检测能力的重要因素之一。
光电倍增管工
作时因为阴极资料发热,这样对光电倍增管的响应度产生较大的影响,所以不稳固的工作温
度对光电倍增管的响应度也会带来不一样程度的影响。
降低光电倍增管的使用环境温度能够减少热电子发射,进而降低暗电流。
此外,光电倍增管的敏捷度也会遇到温度的影响。
7、剖析光电信号输出电路工作原理。
试以光电导器件为例,说明为何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。
两者的结构上是相像的,可是LED没有谐振腔,LD有谐振腔。
LD工作原理是鉴于受激辐射、LED是鉴于自觉辐射。
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、试鉴别以下结论,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,其上涨时间大于降落时间。
(F)
(2)光敏电阻的阻值与环境温度有关,温度高升光阴敏电阻的阻值也随之高升。
(T)
(3)光敏电阻的是因为被光照后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长时间,并且,随
着复合的进行,光生电子与空穴的浓度与复合几率不停减小,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
光电巧合器件(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)组装在一同,经过光芒实现耦合构成电—光和光—电的变换器件。
11、利用光敏电阻等器件设计楼梯内的节能灯控制电路及丈量应用中的自动增益控制电路。
12、试剖析图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,即同相反应支路的反应电阻很大,输出电压高。
光强增添↑,使得Rp↓,使得同相反应支路阻值减小,输出电压降落。
(b)无光照时,Rp阻值很大,输入近似开路,输出电压低。
光强增添↑,使得Rp↓,使得输入信号进入,输出信号增大。
13、为何在光照度增大到必定程度后,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何硅光电池的有载输出电压总小于同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
(1)极电容,串接电阻,串接电阻越小越好。
(2)明显,存在着最正确负载电阻Ropt,在最正确负载电阻状况下负载能够获取最大的输出功率Pmax。
15、光生伏特器件有几种偏置电路各有什么特色
(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)特色:
自偏置电路的特色是光生伏特器件在自偏置电路中拥有输出功率,且当负载为最
佳负载电阻时拥有最大的输出功率,可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,所以在丈量电路中好少采纳自偏置电路。
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,有益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,所以反向偏置电路被宽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,
所以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征曲线,说明它们的差别。
答:
比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特征曲线可知:
当没有光辐射时,两者的伏安
特征曲线是同样的;当有光辐射时,则硅光电二极管的全电流为负值,特征曲线向下平移,
且向下平移的程度随辐照度的不一样而变化。
可是硅整流二极管的伏安特征曲线不受光照的影
响。
别的,正常工作状态下,硅光电二极管两头所加正向电压一定小于,不然不可以产生光电
效应。
该值往常为负,即处于反偏状态;硅整流二极管两头所加偏压须为正,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次响应特征的主要因素有哪些为何PN结型硅光电二极管的最
高工作频次小于等于107Hz如何提升硅光电二极管的频次响应
(1)影响光生伏特器件频次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延缓时
间τRC。
(2)关于PN结型硅光电二极管,光生载流子的扩散时间τ
p是限制硅光电二极管频次响应
的主要因素。
因为光生载流子的扩散运动很慢,所以扩散时间τ
p很长,约为100ns,则其
最高工作频次小于等于
107Hz。
(3)1)减小PN结面积;2)增添势垒区宽度,提升资料体电阻率和增添结深;
3)适合增添
工作电压;4)尽量减少结构造成的散布电容;
5)增添PN结深,减小串连电阻;6)设计
采纳最正确负载阻值。
20、为何说发光二极管的发光区在
PN结的P区这与电子、空穴的迁徙率有关吗
答:
关于PN结注入发光的发光二极管,当
PN结处于均衡地点时,存在必定的势垒区。
当
加正向偏压时,PN结区势垒降低,从扩散区注入的大批非均衡载流子不停地复合发光,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。
但因为电子的迁徙率
N比空穴的迁徙率
P高20
倍左右,电子很快从
N区迁徙到P区,因此复合发光主要发生在
P区。
21、为何发光二极管一定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:
因为LED的发光机理是非均衡载流子即电子与空穴的扩散运动致使复合发光,所以要
求有非均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状况下,
PN结内部的漂移运动占主要优势,而这类少子运动的结
果是电子与空穴的复合几率小,
并且表此刻数目上也是很轻微的,
不足以使LED发光。
所以,
要使LED发光,一定加正向偏压。
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资料的种类、
性质及发光中心的结构决定,而与器件的几何形状和
封装方式没关。
不论什么资料制成的
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谱线的峰值双侧
处,存在两
个光强等于峰值一半的点,分别对应
p
,p
,它们之间的宽度即为半谱线宽
度,也称半功率宽度,它是一个反应
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、产生激光的三个必需条件是什么
答:
产生激光的三个必需条件是:
(1)一定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)要有大批的粒子数反转,使受激辐射足以口服消耗;
(3)有一个谐振
腔为出射光子供给正反应及高的增益,用以保持受激辐射的连续振荡。
24、半导体激光器有什么特色
LD与LED发光机理的根本差别是什么为何
LD光的相关性
要好于LED光
答:
半导体激光器体积小,重量轻,效率高,寿命长,并可采纳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,因此能够与之单片集成,并且还可用高达
GHz的
频次直接进行电流调制以获取高速调制的激光输出。
因为这些长处,它宽泛应用于光通讯、
光学丈量、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
理是非均衡载流子的复合发光。
因为
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关性。
25、为何需要将发光二极管与光电二极管封装在一同构成光电耦合器件光电耦合器件的主要特征有哪些
答:
将发光器件与光电接收器件组合成一体,制成的拥有信号传输功能的器件,即为光电耦合器件。
因为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、抗扰乱性等方面都拥有传统器件所没法比较的优势。
所以,在本质
应用中它拥有很多长处,被宽泛应用于工业自动检测、自动控制、电信号的传输和办理及计
算机系统等方面。
光电耦合器件的主要特征有:
(1)拥有电隔绝的功能;
(2)信号传输拥有
单向性;(3)拥有抗电磁扰乱和噪声的能力;(4)响应速度快;(5)适用性强;(6)既拥有
耦合特征又拥有隔绝特征。
26、举例说明光电耦合器件能够用在哪些方面为何计算机系统常采纳光电耦合器件答:
光电耦合器件当前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其余光电、电子技术中
获取了宽泛的应用。
其详细应用实例可参赐教材小节所述。
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零件,将会大大提升传输中的信噪比。
27、为何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
28、
29、
30、简述半导体激光器的工作原理。
它有哪些特色
原理:
半导体激光器是依靠注入载流子工作的,发射激光一定具备三个基本条件:
(1)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;
(2)有一个适合的谐振腔能够起到反应作用,使受激辐射光子增生,进而产生激光震荡;
(3)要知足必定的阀值条件,以使光子增益等于或大于光子的消耗。
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,构成谐振腔,使光振荡、反应,产生光的辐射放大,输
出激光。
特色:
体积小、重量轻、运行靠谱、耗电少、效率高等。
31、
32、热辐射检测器往常分为哪两个阶段哪个阶段能够产生热电效应第一阶段:
器件汲取光辐射能量而使自己温度发生变化,
第二阶段:
器件依靠某种温度敏感特征把辐射惹起的温度变化转变成相应的电信号,而达到光辐射探测目的,
第二阶段能够产生热电效应
33、
34、简述热电偶工作原理热电检测器为何只好检测变幅射信号
热电偶测温的基来源理是两种不一样成份的材质导体构成闭合回路,当两头存在温度梯
度时,
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