光電檢測考試筆記

第頁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(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，響應(yīng)波長有選擇性，相應(yīng)快；熱電檢測器件是將輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，再將熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。響應(yīng)波長無選擇性，相應(yīng)慢。2．簡述光電池及光電二極管的區(qū)分。答：相同點：均為光生伏特器件；不同點：光電二極管PN結(jié)面積小于光電池；光電池?zé)o需偏壓，光敏二極管一般在負(fù)偏壓的狀況下運(yùn)用。3．用圖示的方法簡述CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程。4．簡述光電檢測電路設(shè)計依據(jù)及其設(shè)計要求。答：靈敏的光電轉(zhuǎn)換實力快速的動態(tài)響應(yīng)實力最佳的信號檢測實力長期工作的穩(wěn)定性和牢靠性5．什么是二次調(diào)制，二次調(diào)制的具有哪些作用？6．對于擴(kuò)散型PiN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)，承受大部格外加電壓，使耗盡區(qū)增大，展寬了光電轉(zhuǎn)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(yīng)。7．簡述變像管和像增加管的工作原理及區(qū)分？ 工作原理：都是光電陰極接收輻射，將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)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(biāo)物的圖像。區(qū)分是：變像管是將不可見圖像轉(zhuǎn)換為可見圖像的器件，而像增加管是把強(qiáng)度低于視覺閾值的圖像增加到可以視察程度的光電成像器件。8.探測器件在進(jìn)行極為微弱的信號探測時，有時要放入液氮中運(yùn)用，為什么？答：載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動造成的噪聲稱為熱噪聲。當(dāng)溫度高于肯定零度時，導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著的電量作隨機(jī)運(yùn)動，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。其平均值為：當(dāng)時，而且，光電探測器件絕大多數(shù)都是半導(dǎo)體材料，受溫度影響很大。綜上所述，當(dāng)探測器件在對微弱的信號探測時，為了減少溫度的影響，放入液氮中運(yùn)用，是特別行之有效的方法。9．簡述光電池及光電二極管的相同點和區(qū)分。相同點：光敏二極管和光電池都是利用入射光照耀到P-N結(jié)上產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的器件；不同點：光電池結(jié)面積較大而光電二極管的結(jié)面積較小，光電池不須要加偏置電壓而光電二極管須要通過施加負(fù)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(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，而輸入電路則是為光電器件供應(yīng)正常的工作條件，進(jìn)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(jìn)行放大，前置放大器另一作用是匹配后置處理電路及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及熱敏電阻溫度變化之間關(guān)系？電橋電路如圖下所示，其中，和的其暗電阻分別為和，并且有，及關(guān)系存在。答：當(dāng)無外來輻射照耀時，調(diào)整補(bǔ)償電阻，使電橋平衡。此時，電橋輸出。當(dāng)有輻射作用于熱敏電阻上時，升溫引起電阻的變化為，此時平衡被破壞，開路輸出電壓為：又由給出的已知條件，上式可以化簡為：可見輸出電壓及成比例，并及負(fù)載電阻有關(guān)。11,光電導(dǎo)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態(tài)制成蛇形？在微弱的光照下，光電導(dǎo)和光強(qiáng)之間是什么樣的關(guān)系？答:光電導(dǎo)體的靈敏度可以用光電增益Ｇ表示：。光電導(dǎo)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ｌ變小，提高了光敏電阻的靈敏度。（2分）微弱的光照下，光電導(dǎo)和光強(qiáng)之間是直線性光電導(dǎo)關(guān)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(dāng)將光束照耀到被測物體時．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(guān)系可以計算出物面的軸向偏移。激光器發(fā)出的光線，經(jīng)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。被測表面偏移時，照明光點從移到，相應(yīng)像點從偏移到，則。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。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(xué)系統(tǒng),倍增極,陽極組成，光入射到光電陰極產(chǎn)生電子放射，放射的電子在電場和電子光學(xué)系統(tǒng)的作用會聚加速到倍增極上，經(jīng)N級倍增后，電子被放大N次，最終最陽極收集。外形較大，多用于快速,精密微光測量的場合。（3分）雪崩光電二極管及光電倍增管不同，是基于內(nèi)增益機(jī)理，當(dāng)所加的反向偏壓足夠大時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很高的電場，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時及晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。14.幀轉(zhuǎn)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（18.4ms）圖像的二維信號電荷被積累在成像區(qū)；場逆程期間（1.6ms）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(zhuǎn)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下，在行逆程期間（12微秒）將一行光生電荷送進(jìn)讀出寄存器，從而使存儲區(qū)內(nèi)各行光生電荷向讀出寄存器方向進(jìn)一次；在行正程期間，在讀出寄存器脈沖的驅(qū)動下，使一行信號電荷向輸出結(jié)構(gòu)依次轉(zhuǎn)移，經(jīng)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(dǎo)材料的光電靈敏度有什么特點？當(dāng)輻射增加，該特點有何變化？答：.微弱輻射作用下，輸出光電流及輸入輻射通量具有線性關(guān)系；輻射增加，呈拋物線光電導(dǎo)17.畫圖說明用4象限光生伏特器件檢測勻稱光斑中心二維偏移量的檢測方法。18.PSD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，對光斑的形態(tài)沒有嚴(yán)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。19.CMOS圖像傳感器及CCD圖像傳感器的主要區(qū)分是什么？答：CCD以電荷耦合為基本特征，圍繞信號的產(chǎn)生,存儲,轉(zhuǎn)移和讀取來工作，以行為單位對信號進(jìn)行讀取。CMOS的信號讀取方式相對敏捷，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(dāng)斬光器的微電機(jī)出現(xiàn)不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速變慢故障時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？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?，?dāng)輸入輻射恒定，而斬光器微電機(jī)不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速變慢時，輸出信號為零或很小。21.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(dāng)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。該電路簡單牢靠，但受光源的不穩(wěn)定影響較大，須要穩(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(dāng)偏壓下輸出及光源的發(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(qiáng)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(qiáng)度浮動的二值化信號，當(dāng)被測信號高于閾值時輸出高電平。浮動閾值法避開了光電檢測系統(tǒng)的精度受光源的穩(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,透鏡,物鏡,接收器件23.光柵莫爾條紋的產(chǎn)生原理及在位移測量中的作用和特點？兩個光柵以肯定角度相互重疊，產(chǎn)生的明暗交織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(yīng)關(guān)系和誤差平均效應(yīng)。24.光電導(dǎo)效應(yīng),光生伏特效應(yīng)和光電放射效應(yīng)有什么區(qū)分？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(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件？27.圖示分析三相CCD的電荷耦合過程28.分析如何運(yùn)用微分法進(jìn)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(zhǔn)通道和測量通道并行傳送，在基準(zhǔn)通道放置具有已知透過率的標(biāo)準(zhǔn)樣品，出射光經(jīng)檢測器件１接收作為參考信號，在測量通道放置待測樣品，出射光經(jīng)檢測器件２接收并及參考信號比較處理，從而得到測量結(jié)果。及單通道相比，雙通道測量系統(tǒng)能夠消退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及肯定是編碼器的異同點。（１）增量式編碼器圖案勻稱，光信號脈沖一樣，可把隨意位置作為基準(zhǔn)點，從該點起將位移或轉(zhuǎn)角按肯定的量化單位檢測，計量脈沖數(shù)即可折算成位移或轉(zhuǎn)角。零點可以隨意予置，測量范圍僅受計數(shù)器容量限制而及光學(xué)器件無關(guān)。沒有確定的測量點，斷電則丟失當(dāng)前位置，噪聲的影響造成計數(shù)誤差會漸漸積累，無法輸出肯定位置信息。（2分）（２）肯定式編碼器圖案不勻稱，光信號脈沖不一樣，它是在可運(yùn)動的光學(xué)元件的各位置坐標(biāo)上刻制出表示相應(yīng)坐標(biāo)的代碼形式的肯定地址，在元件運(yùn)動過程中讀取這些代碼實現(xiàn)實時測量坐標(biāo)的變化。坐標(biāo)固定，及測量前的狀態(tài)無關(guān)，不須要運(yùn)動時的位置重合；抗干擾實力強(qiáng)，無誤差累積；切斷電源信號消逝，但通電后能復(fù)原原狀態(tài)；信號并行傳送，不須要方向判別和可逆計數(shù)等?？蓪㈦S意位置取作零點時需進(jìn)行肯定的運(yùn)算。（3分）3.分析熱釋電探測器的工作原理，并進(jìn)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耀熱釋電晶體，使得晶體的溫度,晶體的自發(fā)安排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，假如頻率較大，體內(nèi)電荷來不及中和，結(jié)果就使得晶體在及極軸垂直的兩端面間出現(xiàn)開路溝通電壓。假如接上相應(yīng)負(fù)載，就會在負(fù)載的兩端產(chǎn)生溝通信號電壓。（3分）熱釋電器件的極化強(qiáng)度及溫度有關(guān)，溫度上升，極化強(qiáng)度降低，上升到肯定溫度，自發(fā)極化就突然消逝，這個溫度稱為“居里溫度”。在居里點以下，極化強(qiáng)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。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(jìn)行身管內(nèi)膛直線度的測量?；鹋谏砉苤本€度測量系統(tǒng)主要由激光器,光束準(zhǔn)直系統(tǒng)和光電接收及處理電路組成。激光器可采納氦氖激光器，激光器,接收器選用四象限光電池，固定在靶標(biāo)上，兩者分別放置于炮口和炮尾。將激光束的強(qiáng)度中心作為直線基準(zhǔn)，調(diào)整使其對準(zhǔn)四象限光電池的檢測中心，移動靶標(biāo)，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，簡要說明如何運(yùn)用光敏電阻實現(xiàn)路燈自動點熄限制？光敏電阻在光照強(qiáng)（白天）的時候電阻小,電路中電流變大，能驅(qū)動繼電器，關(guān)閉路燈，在光照弱（晚上）的時候電阻大電路中電流變小，不能驅(qū)動繼電器，繼電器就會接通另一開關(guān)，從而打開路燈。設(shè)計始終線度檢測系統(tǒng)，畫出簡圖，并敘述其工作原理。運(yùn)用相位法進(jìn)行距離的測量，畫出簡圖，并說明系統(tǒng)測距原理。【設(shè)計】六,設(shè)計題1.某造紙廠生產(chǎn)的紙張為寬1米的長條狀，須要切成長2米/張，依據(jù)下圖裁紙機(jī)和浮動閾值二值化電路，試設(shè)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(jī)答：光源發(fā)出的光被分束鏡分為兩路，一路經(jīng)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(jìn)入閾值電路的光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成閾值電壓。當(dāng)紙進(jìn)入接收器視場時，光電器件輸出光電流減小，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，器件又復(fù)原照亮?xí)r的狀態(tài)，輸出信號Uo為高電平，裁紙刀抬起，如此反復(fù)，實現(xiàn)自動裁剪。利用激光掃描測量法設(shè)計回轉(zhuǎn)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,運(yùn)用的器件和測量數(shù)學(xué)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(dāng)?shù)姆椒ň_測量出兩座建筑物之間的距離Ｌ，要求△Ｌ≈±５ｃｍ，繪制相應(yīng)的原理框圖，并簡述其工作原理。答：4.依據(jù)試驗課內(nèi)容，試設(shè)計基于CCD器件的鋼棒直徑測量系統(tǒng)？5.運(yùn)用所學(xué)知識，設(shè)計一套激光監(jiān)聽裝置，要求在10米外用激光器照耀房間玻璃，監(jiān)聽房間內(nèi)談話內(nèi)容。激光監(jiān)聽及聲源定位系統(tǒng)是利用激光獲得室內(nèi)被監(jiān)聽對象內(nèi)容及位置信息。本文提出一種基于四象限探測器的設(shè)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(zhǔn)直的激光光束經(jīng)玻璃反射后產(chǎn)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(guān)系分析反射光斑中心位置信息，并處理即可還原聲音信息，可有效地消退背景光的干擾。聲波經(jīng)過空氣傳播至窗戶,水杯等玻璃物體時，會產(chǎn)生聲壓于玻璃表面，引起玻璃振動。玻璃表面的反應(yīng)只和直接作用在上面的局部聲壓成正比[5]。因此利用激光束照耀到玻璃表面時，受聲波振動影響的玻璃會調(diào)制反射激光。激光監(jiān)聽及聲源定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個功能，對被監(jiān)測的房間室內(nèi)的還原，以及對聲源位置的定位。聲音信息還原部分實質(zhì)上是一臺激光監(jiān)聽儀，它主要由激光器及其光機(jī)結(jié)構(gòu)，四象限探測器及其驅(qū)動限制處理電路組成。定位功能由三臺激光監(jiān)聽儀和到達(dá)時差法定位模塊兩部分共同實現(xiàn)。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖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(xì)絲直徑d3,在微弱輻射作用下，光電導(dǎo)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(dǎo)材料的光電靈敏度是定值，光電流及入射光通量成正比，即保持線性關(guān)系。因為產(chǎn)生高增益系數(shù)的光敏電阻電極間距需很小（即tdr?。?，同時間敏電阻集光面積假如太小而不好用，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(dāng)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(dǎo)通，這時三極管也導(dǎo)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(qū)動軸的轉(zhuǎn)速為637r/min，儀表軟軸每轉(zhuǎn)一圈，傳感器就有20個脈沖輸出。說明汽車光電式轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器的設(shè)計原理輸出信號A刷出信號B5.答：設(shè)計轉(zhuǎn)向盤傳感器時，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(zhuǎn)向時，依據(jù)信號A下降沿外信B的狀態(tài);即可推斷出轉(zhuǎn)向的方向，信號A由斷狀態(tài)變?yōu)橥瑺顟B(tài)（低電壓）時，假如信號B為通狀態(tài)，則為左轉(zhuǎn)向；假如信號B為斷狀態(tài)，則為右轉(zhuǎn)向。依據(jù)下圖的外差檢測試驗裝置，說明其工作原理CO1激光器答：這是外差檢測的試驗裝置，光源是進(jìn)過穩(wěn)頻的CO2激光器。由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)過反射的作為本振光波，其頻率為fL；另一路經(jīng)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(zhuǎn)動相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動速度，光的回波就產(chǎn)生了多普勒頻移，其頻率為fs。可變光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)槠穹较蛳嗤母晒?，然后兩束光垂直投射到檢測器上。,某生產(chǎn)線上須要設(shè)計一個產(chǎn)品尺寸自動光電檢測分揀線，檢測標(biāo)準(zhǔn)是：對尺寸在肯定范圍內(nèi)的產(chǎn)品視為合格品，超出該范圍的產(chǎn)品視為不合格品。請設(shè)計出滿意上述功能要求的原理圖，并對其結(jié)構(gòu),原理予以論述。設(shè)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(jié)果的牢靠性方案二：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(shè)計一套測量材料透過率的光電測試自動裝置，要求消退光源的不穩(wěn)定性因素的影響。⑴繪出工作原理圖。⑵繪出原理框圖。⑶說明工作原理。答：⑴工作原理圖⑵原理框圖⑶說明工作原理：①在裝上被測樣品4之前，光屏處于最大汲取位置，并使二通道的輸出光通量相等，處于平衡狀態(tài)。②當(dāng)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汲取值，這就可以使二個通道重新達(dá)到平衡。③光屏的移動由及之相連的指針機(jī)構(gòu)9顯示，指針的位置和不同被測樣品的透過率相對應(yīng)。④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(dāng)光信號被阻擋時，光敏三極管處于截止?fàn)顟B(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(dǎo)通，三極管的集電極為低電平，驅(qū)動繼電器J工作，使開關(guān)閉合，電路形成回路，晶閘管限制端有效，晶閘管導(dǎo)通，報警器正常工作。S為復(fù)位鍵。當(dāng)有光信號時，光敏三極管處于導(dǎo)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