光電檢測考試筆記

1、1光電檢測器件和熱電檢測器件的比較。答：光電檢測器件是利用物質的光電效應把光信號轉換成電信號的器件，響 應波長有選擇性，相應快；熱電檢測器件是將輻射能轉換成熱能，再將熱 能轉換成電能的器件。響應波長無選擇性，相應慢。2簡述光電池與光電二極管的區(qū)別。答：相同點：均為光生伏特器件；不同點：光電二極管 PN 結面積小于光電池；光電池無需偏壓，光敏二極管一般在負偏壓的情況下使用。3用圖示的方法簡述 CCD 的電荷轉移過程。4簡述光電檢測電路設計依據(jù)及其設計要求。答：靈敏的光電轉換能力快速的動態(tài)響應能力最佳的信號檢測能力長期工作的穩(wěn)定性和可靠性5什么是二次調制，二次調制的具有哪些作用6對于擴散型 PiN

2、硅光敏二極管來說， i 層主要起到了什么作用答： i 層為高阻區(qū)，承受大部分外加電壓，使耗盡區(qū)增大，展寬了光電轉換的有效工作區(qū)域；提高了靈敏度； i 層一般選擇高電阻率的基體材料，提高了串聯(lián)電阻，提高了擊穿電 壓；提高了頻率響應。7簡述變像管和像增強管的工作原理及區(qū)別 工作原理：都是光電陰極接收輻射，將光學圖像轉換為電子數(shù)密度圖像，加有正高壓的陽 極起到了電子透鏡的作用， 使陰極發(fā)出的電子聚焦成像在熒光屏上， 最終得到目標物的圖 像。區(qū)別是： 變像管是將不可見圖像轉換為可見圖像的器件， 而像增強管是把強度低于視覺閾 值的圖像增強到可以觀察程度的光電成像器件。8. 探測器件在進行極為微弱的信號探

3、測時，有時要放入液氮中使用，為什么答：載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲稱為熱噪聲。當溫度高于絕對零度時，導體或半導體中每一電子都攜帶著 1.59 10 19C 的電量作隨機運動， 盡管其平均值為零， 但瞬時電流擾動在導體兩端會產生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。其平均值為：2U NT 4kTR f2當 T 0 時， U NT 0 而且，光電探測器件絕大多數(shù)都是半導體材料，受溫度影響很大。綜上所述， 當 探測器件在對微弱的信號探測時，為了減少溫度的影響，放入液氮中使用，是非常行之有效的辦法。9簡述光電池與光電二極管的相同點和區(qū)別。相同點：光敏二極管和光電池都是利用入射光照射到P-N 結上產生光生伏

4、特效應的器件；不同點：光電池結面積較大而光電二極管的結面積較小，光電池不需要加偏置電壓而光 電二極管需要通過施加負偏壓提高靈敏度。10. 簡述光電檢測電路的組成及各部分的作用。答：光電檢測電路由光電器件、 輸入電路和前置放大器組成。 光電器件把被測光信號轉換成 相應的電信號， 而輸入電路則是為光電器件提供正常的工作條件， 進行電參量的變換， 同時 完成和前置放大器的電路匹配。 光電器件輸出的微弱電信號由前置放大器進行放大， 前置放 大器另一作用是匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。11. 以熱敏電阻探測溫度為例，分析熱敏電阻典型橋路的輸出電壓變化U 與熱敏電阻溫度變化 T 之間關系電橋電路如

5、圖下所示， 其中， RT 1和 RT2的其暗電阻分別為 R01和 R02 ，并且有 R1 R2 R，R01 R02 R0 與 RR01 R1 關系存在。答：當無外來輻射照射時，調節(jié)補償電阻R2 ，使電橋平衡。此時 RT1R2 RT2R1，電橋輸出U0 0。當有輻射作用于熱敏電阻 RT1上時，升溫 T 引起電阻的變化為RT1 R01 R ，此時平衡被破壞，開路輸出電壓為：U0R)U b ( R01R)U b RT 2U b R2 R(R01 R1R) (RT1 R2) (R01 R1R)( RT1 R2 )Ub RT2又由給出的已知條件，上式可以化簡為：UbRU 0 (R0 R)2 R可見輸出電

6、壓與 R 成比例，并與負載電阻 R 有關。11、光電導體的靈敏度大小取決于哪些因素為什么要把光敏電阻的形狀制成蛇形在微弱的光照下，光電導和光強之間是什么樣的關系G答:光電導體的靈敏度可以用光電增益表示：U2l 。光電導體的非平衡載流子壽命越快，遷移率越大，電極間距越小靈敏度越高。 （ 2 分） 做成蛇形使電極間距變小，提高了光敏電阻的靈敏度。（2 分）微弱的光照下，光電導和光強之間是直線性光電導關系。（1 分）12、簡述像點軸外偏移檢測的像偏移法測位移的工作原理.當將光束照射到被測物體時 用成像物鏡從另外的角度對物體上的光點位置成像， 通過三 角測量關系可以計算出物面的軸向偏移。 激光器發(fā)出的

7、光線， 經匯聚透鏡聚焦后垂直入射 到被測物體表面上。 物體移動或其表面的變化入射點沿光軸方向移動。 入射點處的散射光 徑接收透鏡入射到（ CCD或 PSD）光電探測器上。被測表面偏移Z 時，照明光點從 O1移Z 到 O2 ，相應像點從 P1偏移到 P2，則A。只要測出像點的橫向偏移量 A，即可計算出待測的物面軸 向偏移 Z 。13. 雪崩光敏二極管和光電倍增管的異同 答：光電倍增管由光入射窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增極、陽極組成，光入射到光電 陰極產生電子發(fā)射，發(fā)射的電子在電場和電子光學系統(tǒng)的作用會聚加速到倍增極上，經 N 級倍增后，電子被放大 N 次，最后最陽極收集。外形較大，多用于快速

8、、精密微光測量的 場合。（ 3 分）雪崩光電二極管與光電倍增管不同，是基于內增益機理，當所加的反向偏壓 足夠大時， 在結區(qū)產生一個很高的電場， 光生電子在這種強電場中可得到極大的加速， 同時 與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。14. 幀轉移型面陣 CCD的組成及工作過程 答：該器件由相同像素數(shù)量的成像部分、存儲部分和讀出寄存器三個基本部分組成。 （2 分） 場正程期間（）圖像的二維信號電荷被積累在成像區(qū)；場逆程期間（）通過加在成像區(qū)和存 儲區(qū)電極上的時鐘脈沖使成像區(qū)的整場信號電荷快速轉移到存儲區(qū)； 下一個場正程期間， 成 像區(qū)積累光生電荷生成下一場電像，存儲區(qū)所存的上一場圖像信號電荷在時鐘脈沖作用

9、下， 在行逆程期間（ 12 微秒）將一行光生電荷送進讀出寄存器，從而使存儲區(qū)內各行光生電荷 向讀出寄存器方向進一次； 在行正程期間， 在讀出寄存器脈沖的驅動下， 使一行信號電荷向 輸出結構依次轉移，經輸出極輸出。15. 簡單畫出光電成像系統(tǒng)的原理方框圖16. 在微弱輻射作用下，光電導材料的光電靈敏度有什么特點當輻射增強，該特點有何變化 答： .微弱輻射作用下，輸出光電流與輸入輻射通量具有線性關系；輻射增強，呈拋物線光 電導17. 畫圖說明用 4 象限光生伏特器件檢測均勻光斑中心二維偏移量的檢測方法。 器件的主要特點是什么畫圖說明激光三角法測量中PSD的作用。PSD對入射到光敏面上的光位置敏感，

10、對光斑的形狀沒有嚴格要求，光敏面無需分割 可以連續(xù)測量光斑在光敏面上的位置變化。圖像傳感器與 CCD圖像傳感器的主要區(qū)別是什么答： CCD以電荷耦合為基本特征，圍繞信號的產生、存儲、轉移和讀取來工作，以行為單位 對信號進行讀取。CMOS的信號讀取方式相對靈活，既可以以移位寄存器的形式以行為單位讀取信號，也可以 只輸出某一行或某一列的信號，還可以輸出某些點的信號。20. 說明熱釋電攝像管中斬光器的作用。當斬光器的微電機出現(xiàn)不轉或轉速變慢故障時，會 發(fā)生什么現(xiàn)象當輸入輻射恒定，答:斬光器的主要作用是將恒定的輻射變?yōu)榻蛔冚椛渥饔迷跓後岆娖骷希?而斬光器微電機不轉或轉速變慢時，輸出信號為零或很小。2

11、1. 單元光電信號的二值化處理方法有哪些，其各自有何特點 固定閾值法：當輸入光電信號高于固定電位 Uth 時，比較器輸出高電平，即為 1；否則輸出 低電平。該電路簡單可靠，但受光源的不穩(wěn)定影響較大，需要穩(wěn)定光源。浮動閾值法： 閾值電壓為從光源分得一部分光加到光電二極管上， 光電二極管在適當偏壓下 輸出與光源的發(fā)光度成線性變化的電壓信號， 以此信號作閾值， 即可得到隨發(fā)光強度浮動的 閾值 Uth 。將 Uth 加到比較器的反向輸入端，將檢測信號的輸出加到電壓比較器的同向輸入 端，在輸出端得到的信號為隨發(fā)光強度浮動的二值化信號， 當被測信號高于閾值時輸出高電 平。浮動閾值法避免了光電檢測系統(tǒng)的精度

12、受光源的穩(wěn)定性的影響。22. 激光掃描系統(tǒng)的組成及測量原理系統(tǒng)組成：激光器、掃描陣鏡、 f 透鏡、物鏡、接收器件23. 光柵莫爾條紋的產生原理及在位移測量中的作用和特點 兩個光柵以一定角度相互重疊，產生的明暗交錯的條紋就是光柵莫爾條紋。 光柵莫爾條紋具有位移放大作用、位移對應關系和誤差平均效應。24. 光電導效應、光生伏特效應和光電發(fā)射效應有什么區(qū)別25. 簡述光電倍增管的工作原理26. 為什么說受激輻射和分布反轉是激光產生的必要條件27. 圖示分析三相 CCD的電荷耦合過程28. 分析如何使用微分法進行光電信號的二值化處理，并給出原理框圖【分析】1. 簡述差動法雙通道測量系統(tǒng)的工作原理，分析

13、雙通道測量系統(tǒng)比單通道測量系統(tǒng)相比有 什么優(yōu)點。答： 差動法雙通道測量系統(tǒng)工作原理：光源發(fā)出的光借助于反射鏡和透鏡分別 沿著基準通道和測量通道并行傳送，在基準通道放置具有已知透過率的標準樣 品，出射光經檢測器件接收作為參考信號， 在測量通道放置待測樣品， 出射光經檢測器件接收并與參考信號比較處理，從而得到測量結果。與單通道相比，雙通道測量系統(tǒng)能夠消除由于光源波動和溫度變化帶來的影響。2. 分析比較增量式編碼器與絕對是編碼器的異同點。（） 增量式編碼器圖案均勻， 光信號脈沖一樣， 可把任意位置作為基準點，從該點起將位 移或轉角按一定的量化單位檢測，計量脈沖數(shù)即可折算成位移或轉角。零點可以任意予置

14、， 測量范圍僅受計數(shù)器容量限制而與光學器件無關。 沒有確定的測量點， 斷電則丟失當前位置， 噪聲的影響造成計數(shù)誤差會逐漸積累，無法輸出絕對位置信息。 （2 分）（）絕對式編碼器圖案不均勻， 光信號脈沖不一樣， 它是在可運動的光學元件的各位置 坐標上刻制出表示相應坐標的代碼形式的絕對地址， 在元件運動過程中讀取這些代碼實現(xiàn)實 時測量坐標的變化。 坐標固定， 與測量前的狀態(tài)無關，不需要運動時的位置重合； 抗干擾能 力強，無誤差累積；切斷電源信號消失，但通電后能恢復原狀態(tài)；信號并行傳送，不需要方 向判別和可逆計數(shù)等?？蓪⑷我馕恢萌∽髁泓c時需進行一定的運算。（3 分）3. 分析熱釋電探測器的工作原理，

15、 并進一步說明為什么熱釋電探測器件要工作在居里溫度以下工作原理： 用交變的入射輻射照射熱釋電晶體， 使得晶體的溫度、 晶體的自發(fā)計劃以及由此 因此的面束縛電荷均隨入射輻射的頻率變化而變化，如果頻率較大，體內電荷來不及中和， 結果就使得晶體在與極軸垂直的兩端面間出現(xiàn)開路交流電壓。 如果接上相應負載， 就會在負 載的兩端產生交流信號電壓。 （ 3 分）熱釋電器件的極化強度與溫度有關， 溫度升高，極化強度降低，升高到一定溫度， 自發(fā)極化 就突然消失，這個溫度稱為“居里溫度” 。在居里點以下，極化強度是溫度的函數(shù)，熱釋電 探測器件就是利用這點制造出的熱敏類探測器。即熱釋電探測器件要工作在居里溫度以下。

16、4. 火炮身管直線度測量系統(tǒng)主要由哪些部分組成分析如何進行身管內膛直線度的測量。 火炮身管直線度測量系統(tǒng)主要由激光器、光束準直系統(tǒng)和光電接收及處理電路組成。激光 器可采用氦氖激光器，激光器、 接收器選用四象限光電池，固定在靶標上， 兩者分別放置于 炮口和炮尾。將激光束的強度中心作為直線基準，調整使其對準四象限光電池的檢測中心， 移動靶標，探測器件輸出信號，信號處理后輸入到記錄器上記錄不直度曲線。7. 如下圖電路所示，簡要說明如何使用光敏電阻實現(xiàn)路燈自動點熄控制光敏電阻在光照強（白天）的時候電阻小、電路中電流變大， 能驅動繼電器， 關閉路燈， 在光照弱 （晚上） 的時候電阻大電路中電流變小， 不

17、能驅動繼電器，繼電器就會接通另一開關，從而打開路燈。8. 設計一直線度檢測系統(tǒng)，畫出簡圖，并敘述其工作原理。9. 使用相位法進行距離的測量，畫出簡圖，并說明系統(tǒng)測距原理?！驹O計】六、設計題1. 某造紙廠生產的紙張為寬 1 米的長條狀，需要切成長 2 米/ 張，根據(jù)下圖裁紙機和浮動閾 值二值化電路，試設計一個光電檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)，闡述其原理并畫出系統(tǒng)示意圖。（a）浮動閾值二值化電路（b ）裁紙機答：光源發(fā)出的光被分束鏡分為兩路，一路經履帶邊緣透過被光電檢測器件接收 變成電壓信號 Ui ，成為浮動閾值電路的輸入端，另一路直接進入閾值電路的光 電轉換器件轉換成閾值電壓。 當紙進入接收器視場時， 光電器

18、件輸出光電流減小， 引起輸出電壓的跳變，此時輸出信號 Uo 為低電平，裁紙刀下落，紙切斷后，器 件又恢復照亮時的狀態(tài)，輸出信號 Uo 為高電平，裁紙刀抬起，如此反復，實現(xiàn) 自動裁剪。2. 利用激光掃描測量法設計回轉體直徑檢測系統(tǒng)， 畫出典型激光掃描檢測系統(tǒng)原理圖， 說明 檢測原理、使用的器件和測量數(shù)學模型。3. 試說明脈沖法激光測距儀和相位法激光測距儀的測距原理，并選用適當?shù)姆椒ň_測量出兩座建筑物之間的距離， 要求， 繪制相應的原理框圖， 并簡述其工作原理。答：4. 根據(jù)實驗課內容，試設計基于 CCD器件的鋼棒直徑測量系統(tǒng)5. 運用所學知識，設計一套激光監(jiān)聽裝置，要求在10 米外用激光器照射

19、房間玻璃，監(jiān)聽房間內談話內容。激光監(jiān)聽與聲源定位系統(tǒng)是利用激光獲得室內被監(jiān)聽對象內容及位置信息。 本文提出一 種基于四象限探測器的設計方案， 其工作原理為聲源的振動引起玻璃表面的受迫振動， 準直 的激光光束經玻璃反射后產生載有聲源振動信息的反射光， 利用四象限探測器 (QD)各象限的 光積分關系分析反射光斑中心位置信息， 并處理即可還原聲音信息， 可有效地消除背景光的 干擾。聲波經過空氣傳播至窗戶、水杯等玻璃物體時，會產生聲壓于玻璃表面，引起玻璃振 動。玻璃表面的反應只和直接作用在上面的局部聲壓成正比5 。因此利用激光束照射到玻璃表面時，受聲波振動影響的玻璃會調制反射激光。激光監(jiān)聽與聲源定位系

20、統(tǒng)能夠實現(xiàn)兩個功能， 對被監(jiān)測的房間室內的還原， 以及對聲源位置的定位。聲音信息還原部分實質上是一臺激光監(jiān)聽儀，它主要由激光器及其光機結構，四象限探測器及其驅動控制處理電路組成。 定位功能由三臺激光監(jiān)聽儀和到達時差法定位模塊兩部分共同實現(xiàn)。系統(tǒng)原理結構如圖所示。玻 璃光斑位置檢測系統(tǒng)原理結構圖1、 闡述用差動法檢測溶液濃度的工作原理及工作過程。 （13 分）3、 CCD測細絲直徑 d3、在微弱輻射作用下，光電導材料的光電靈敏度有什么特點，為什么要把光敏 電阻制造成蛇形答：在微弱輻射下， 光電導材料的光電靈敏度是定值，光電流與入射光通量成正比，即保持 線性關系。因為產生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間

21、距需很?。磘dr ?。?，同時光敏電阻集光面積如果太小而不實用，因此把光敏電阻制造成蛇形，既增大了受光面積，又減小了極間距。說明汽車光電式車速傳感器的工作原理LED1.答：汽車的光電式車速傳感器的工作原料：當遮光板不能遮斷光速時，放光二 極管的光射帶光敏三極管上，光敏三極管的集電極中有電流通過，該管導通， 這時三極管也導通，因此在 S1端子上就有 5V 電壓輸出。脈沖頻率取決于車速， 子車速為 60km/h 時，儀表繞性驅動軸的轉速為 637r/min ，儀表軟軸每轉一圈， 傳感器就有 20 個脈沖輸出。說明汽車光電式轉向盤轉角傳感器的設計原理輸出信號 A刷出信號 B 5.答：設計轉向盤傳感器

22、時，將兩個信號發(fā)送器通、斷變換的相位角錯開90 度。汽車直線行駛時，信號 A 處于通斷狀態(tài)（高電平）的中間位置，轉向時，根據(jù) 信號 A 下降沿外信 B 的狀態(tài) ;即可判斷出轉向的方向，信號 A 由斷狀態(tài)變?yōu)橥瑺?態(tài)（ 低電壓）時，如果信號 B 為通狀態(tài)，則為左轉向；如果信號 B 為斷狀態(tài)， 則為右轉向。根據(jù)下圖的外差檢測試驗裝置，說明其工作原理CO1激光器答：這是外差檢測的實驗裝置，光源是進過穩(wěn)頻的 CO2 激光器。由分束鏡把入 射光分成兩路：一路經過反射的作為本振光波，其頻率為fL；另一路經過偏心輪反射，并由透鏡聚焦到可變光瀾上作為信號光束。偏心輪轉動相當于目標沿 光波方向并有一運動速度，

23、光的回波就產生了多普勒頻移， 其頻率為 fs?？勺児?瀾用來限制兩光束射向光電檢測器的空間方向。線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)?偏振方向相同的干光，然后兩束光垂直投射到檢測器上。、某生產線上需要設計一個產品尺寸自動光電檢測分揀線， 檢測標準是： 對尺寸在一定范圍 內的產品視為合格品， 超出該范圍的產品視為不合格品。 請設計出滿足上述功能要求的原理 圖，并對其結構、原理予以論述。設計：（自己選其中一種方案）方案一：原理：利用光電傳感器和繼電器判別長度缺陷：物體移動速度的變化會影響檢測結果的可靠性原理：利用門電路檢測物體的長度 不足：繼電器動作慢、體積大、壽命短1、設計一套測量材料透過率的光電測試自動

24、裝置，要求消除光源的不穩(wěn)定性因素的影響。繪出工作原理圖。繪出原理框圖。說明工作原理。答：工作原理圖原理框圖說明工作原理：在裝上被測樣品 4 之前，光屏處于最大吸收位置，并使二通道的輸出光通量相等，處于平衡狀態(tài)。 當插入被測樣品之后，測量通道的光通量減少。此時若移動光屏改變透過率值使光屏上透過增大恰好等 于被測樣品的吸收值，這就可以使二個通道重新達到平衡。光屏的移動由與之相連的指針機構 9 顯示，指針的位置和不同被測樣品的透過率相對應。 這樣，光屏或指針的位置就是被測透過率的量度值，并在二通道的輸出光通量相等時讀出。2、主動紅外報警電路如圖所示，分析它的工作原理答：當光信號被阻擋時，光敏三極管處于截止狀態(tài)，光敏三極管的集電極為高電平，即三極管基極為高電平，三極管飽和導通，三極管的集電極為低電平，驅 動繼電器 J 工作，使開關閉合，電路形成回路，晶閘管控制端有效，晶閘管導通，報警器正常工作。S為復位鍵。當有光信號時，光敏三極管處于導通狀態(tài)，光敏三極管的集電極為低電平，即三極管基極為低電平， 三極管截止，三極管的