光電檢測技術(shù)及應(yīng)用-郭培源-課后答案

...wd......wd......wd...光電檢測技術(shù)與應(yīng)用課后答案第1章1、舉例說明你說知道的檢測系統(tǒng)的工作原理?！?〕光電檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用：在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位…〔2〕光電檢測技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用：家用電器——數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦---紅外測距傳感器自動感應(yīng)燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管可視對講、可視：圖像獲取---面陣CCD醫(yī)療衛(wèi)生——數(shù)字體溫計：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器辦公商務(wù)——掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管〔3〕光電檢測技術(shù)在軍事上的應(yīng)用：夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可準確的定位目標光電檢測技術(shù)應(yīng)用實例簡介點鈔機〔1〕激光檢測—激光光源的應(yīng)用用一定波長的紅外激光照射第五版人民幣上的熒光字，會使熒光字產(chǎn)生一定波長的激光，通過對此激光的檢測可區(qū)分鈔票的真假。由于仿制困難，故用于辨?zhèn)魏軠蚀_?！?〕紅外穿透檢測—紅外信號的檢測紅外穿透的工作原理是利用人民幣的紙張比較穩(wěn)固、密度較高以及用凹印技術(shù)印刷的油墨厚度較高，因而對紅外信號的吸收能力較強來區(qū)分鈔票的真假。人民幣的紙質(zhì)特征與假鈔的紙質(zhì)特征有一定的差異，用紅外信號對鈔票進展穿透檢測時，它們對紅外信號的吸收能力將會不同，利用這一原理，可以實現(xiàn)辨?zhèn)巍！?〕熒光反響的檢測—熒光信號的檢測熒光檢測的工作原理是針對人民幣的紙質(zhì)進展檢測。人民幣采用專用紙張制造〔含85％以上的優(yōu)質(zhì)棉花〕，假鈔通常采用經(jīng)漂白處理后的普通紙進展制造，經(jīng)漂白處理后的紙張在紫外線〔波長為365nm的藍光〕的照射下會出現(xiàn)熒光反響〔在紫外線的激發(fā)下衍射出波長為420－460nm的藍光〕，人民幣那么沒有熒光反響。所以，用紫外光源對運動鈔票進展照射并同時用硅光電池檢測鈔票的熒光反映，可判別鈔票真假?！?〕紙寬的檢測—紅外發(fā)光二極管及接收二極管的應(yīng)用主要是用于根據(jù)鈔票經(jīng)過此紅外發(fā)光及接收二極管所用的時間及電機的轉(zhuǎn)速來間接的計算出鈔票的寬度，并對機器的運行狀態(tài)進展判斷，比方有無卡紙等；同時也能根據(jù)鈔票的寬度判斷出其面值?！?〕喂鈔臺、接鈔臺傳感器—紅外對管的應(yīng)用在點鈔機的喂鈔臺和取鈔臺局局部別有一個作為有無鈔票的發(fā)射接收紅外對管，用來檢測是否有鈔票放入或取出。2、若何實現(xiàn)非電量的測量為實現(xiàn)非電量的電測量，首先要實現(xiàn)從非電量到電量的變換，這一變換是靠傳感器來實現(xiàn)的。傳感器接口電路是為了與傳感器配合將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成低輸出電阻的電壓信號以方便后續(xù)電路的處理。一般說來，信號都需要進一步放大并濾除噪聲。放大后的信號經(jīng)模擬/數(shù)字變換后得到數(shù)字信號，以便于微處理器或微控制器。微處理器或微控制器是測控系統(tǒng)的核心，它主要有兩個作用：一是對數(shù)字信號進展進一步處理并將信號輸出顯示、存儲和控制。二是管理測控系統(tǒng)的各個局部以實現(xiàn)測控系統(tǒng)的智能化，即根據(jù)信號和測量條件的變化，自動地改變放大器的增益、濾波器的參數(shù)及其它的電路參數(shù)。在選用適宜的傳感器之后，就要設(shè)計傳感器的接口電路。從電子學的角度來看，不同的傳感器具有不同的電特性和需要不同的驅(qū)動信號〔也有的傳感器不需要驅(qū)動信號〕，為取得更高的精度和最正確的性能，需要設(shè)計傳感器接口電路。3、影響檢測測量精度的主要因素有哪些，而其中哪幾個因素有時最基本而且需要特別注意的測量器具本身存在的誤差。環(huán)境因素，如氣溫，氣壓，枯燥程度，震動，磁場等。人為因素，如視覺誤差等等。還有使用測量器具時的方法不得當造成的誤差。4、什么是噪聲和干擾什么是有用信號噪聲是來自元器件內(nèi)部粒子；而干擾是指其他的有害信號，有系統(tǒng)外部的，也可以有內(nèi)部的。有用信號指傳遞用戶所需信息的信號，或是用來讓接收設(shè)備收到信號后產(chǎn)生一個預(yù)先設(shè)定的動作的信號。從物理角度看，噪聲是由聲源作無規(guī)那么和非周期性振動產(chǎn)生的聲音。噪聲為電子系統(tǒng)中任何不需要的信號。噪聲會導致信號質(zhì)量下降以及準確測量方面的錯誤。噪聲包括固有噪聲及外部噪聲，這兩種基本類型的噪聲均會影響電子電路的性能。外部噪聲來自外部噪聲源，固有噪聲由電路元件本身生成，最常見的例子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲等。干擾分3局部，干擾源、耦合通道和敏感對象。在不同空間和時間尺度上偶然發(fā)生，不可預(yù)知。5、若何判斷干擾若何防止干擾常見的信號的干擾有：〔1〕器件工作的噪聲干擾，比方說數(shù)字電路正負邏輯的轉(zhuǎn)換導致的電磁場干擾，電搜索壓電流變化產(chǎn)生的電磁場干擾。〔2〕高頻信號噪聲干擾〔串擾和回損〕，因為高頻電路能產(chǎn)生強電磁場，產(chǎn)生感應(yīng)信號。〔3〕電源噪聲干擾，現(xiàn)在大局部電源系統(tǒng)采用的都是開關(guān)電源，開關(guān)電路的高頻開關(guān)動作會導致嚴重的高頻噪聲?！?〕地線噪聲干擾，都知道只要是線就會存在電阻，當一條地線上掛有多個設(shè)備時，而且工作電流較大時，小電阻也會產(chǎn)生電位差，從而影響設(shè)備。總之干擾無處不在，在設(shè)計電路或畫PCB時可以考慮從3點處理，即屏蔽干擾源、切斷耦合通道、保護敏感對象。6、電子計數(shù)器若何實現(xiàn)既能測量頻率又能測量周期為什么要通過測量周期的方法來測量低頻信號的頻率采用多周期同步測量技術(shù)，這種測量方法實際上是對信號周期進展測量，信號的頻率是經(jīng)過倒數(shù)運算求出來的。因而，從測頻的角度，上述測量方法也稱為倒數(shù)計數(shù)器法。數(shù)字頻率計測量頻率的原理：石英振蕩器1MHz標準脈沖信號，經(jīng)過分頻器分頻為1Hz周期1s的尖波信號接到控制門的控制端，被測信號通過放大整形變?yōu)檎氩饷}沖信號，接到控制器的信號端；第一個秒信號觸發(fā)控制門翻開，尖脈沖通過控制門，第二個秒信號到來后控制門關(guān)閉，脈沖計數(shù)器記錄兩個秒信號間隔時間內(nèi)通過控制門的尖脈沖個數(shù)就等于被測信號的頻率值。數(shù)字頻率計測量周期的原理：采用上述方法測量低頻信號時可能產(chǎn)生較大的誤差，因為第一個秒信號到來的時間是隨機的，計數(shù)器從開啟到關(guān)閉可能多記一個或少記一個數(shù)；因此，為了保證低頻信號測量的精度，可以用周期測量法：即用被測信號脈沖去控制門電路的開啟，讓標準時間通過控制門，進入計數(shù)器進展計數(shù)，這樣計數(shù)器的值就等于一個被測電壓的周期內(nèi)有幾個標準時間脈沖通過，相當于一個周期等于幾個時間單位。這就是為什么要通過測量周期來測定低頻型號的頻率搜索的原因。8、試表達光電檢測系統(tǒng)的組成及特點。P6組成：〔1〕光學變換時域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學掃描光學參量調(diào)制：光強、波長、相位、偏振形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處理的光學信息。〔2〕光電變換光電/熱電器件〔傳感器〕、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動電路處理系統(tǒng)的電信息〔電信號的放大和處理〕。〔3〕電路處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機與接口、控制。第2章1、簡述光電效應(yīng)的工作原理。什么是暗電流什么是亮電流P112.2.1暗電流指的是在無光照時，由外電壓作用下P-N結(jié)內(nèi)流過的單向電流。光敏電阻兩端加電壓〔直流或交流〕。無光照時，阻值很大，電流〔暗電流〕很?。还庹諘r，光生載流子迅速增加，阻值急劇減少，在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成亮電流。2、簡述光生伏特效應(yīng)的工作原理。為什么光伏效應(yīng)器件比光電導效應(yīng)器件有更快的響應(yīng)速度答：〔1〕光生伏特效應(yīng)的工作根基是內(nèi)光電效應(yīng).當用適當波長的光照射PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用〔不加外電場〕，光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當于PN結(jié)上加一個正電壓?！?〕光伏效應(yīng)中，與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，因為少數(shù)載流子的壽命通常很短，所以以光伏效應(yīng)為根基的檢測器件比以光電導效應(yīng)為根基的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。3、簡述光熱效應(yīng)工作原理。熱電檢測器件有哪些特點P154、比較光電效應(yīng)和熱電效應(yīng)在作用機理、性能及應(yīng)用特點等方面的差異。答：所謂光電效應(yīng)是指，光輻射入射到光電材料上時，光電材料發(fā)射電子，或者其電導率發(fā)生變化，或者產(chǎn)生感生電動勢的現(xiàn)象。光電效應(yīng)實質(zhì)上是入射光輻射與物質(zhì)中束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用所引起的。光電效應(yīng)就對光波頻率〔或波長〕表現(xiàn)出選擇性。在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應(yīng)速度一般比較快。按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。具體有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光電磁效應(yīng)等。光熱效應(yīng)的實質(zhì)是探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件與溫度有關(guān)的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。原那么上，光熱效應(yīng)對光波頻率〔或波長〕沒有選擇性，因而物質(zhì)溫度的變化僅決定于光功率〔或其變化率〕，而與入射光輻射的光譜成分無關(guān)。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。光熱效應(yīng)包括熱釋電效應(yīng)、溫差電效應(yīng)和測熱輻射計效應(yīng)等第3章1、試說明為什么本征光電導器件在越微弱的輻射作用下，時間響應(yīng)越長，靈敏度越高。2、對于同一種型號的光敏電阻來講，在不同光照度和不同環(huán)境溫度下，其光電導靈敏度與時間常數(shù)是否一樣為什么如果照度一樣而溫度不同時情況又會若何損壞，即無論若何調(diào)整電阻R，都不會使繼電器吸合。時間常數(shù)是否一樣為什么如果照度一樣而溫度不同時情況又會若何3、為什么結(jié)型光電器件在正向偏置時，沒有明顯的光電效應(yīng)它必須在哪種偏置狀態(tài)為什么答：因為p-n結(jié)在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級在增加，所以有光照時，光電效應(yīng)不明顯。p-n結(jié)必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應(yīng)產(chǎn)生，這是因為p-n結(jié)在反偏電壓下產(chǎn)生的電流要飽和，所以光照增加時，得到的光生電流就會明顯增加。4、在如圖3-70所示的照明燈控制電路中，將題3所給的CdS光敏電阻用作光電傳感器5、光電導器件響應(yīng)時間〔頻率特性〕受哪些因素限制光伏器件與光電導器件工作頻率哪個高實際使用時若何改善其工作頻率響應(yīng)響應(yīng)時間主要受光電導器件中載流子的平均壽命有關(guān)，減小，那么頻率響應(yīng)提高其次，光電導器件的響應(yīng)時間與運用狀態(tài)也有光，例如，光照強度和溫度的變化，因為它們都影響載流子的壽命。光伏特器件的工作頻率高于光電導器件。要改善光伏器件的頻率響應(yīng)，主要是減小響應(yīng)時間，所以采取的措施主要有：①減小負載電阻；②減小光伏特器件中的結(jié)電容，即減小光伏器件的受光面積；③適當增加工作電壓。6、硅光電池的開路電壓為什么隨著溫度的升高而下降影響光電倍增管工作的環(huán)境因素有哪些若何減少這些因素的影響溫度升高時，半導體的導電性將發(fā)生一定的變化，即少數(shù)載流子濃度隨著溫度的升高而指數(shù)式增大，相對來說多數(shù)載流子所占據(jù)的比例即越來越小，這就使得多數(shù)載流子往對方擴散的作用減弱，從而起阻擋作用的p-n結(jié)勢壘高度也就降低。從Fermi能級的變化上來理解：溫度越高，半導體Fermi能級就越靠近禁帶中央〔即趨于本征化〕，那么兩邊半導體的Fermi能級之差也就越小，所以p-n結(jié)勢壘高度也就越低，也就是開壓降低。光電倍增管的響應(yīng)度受多方面的因素影響，比方：偏置電壓的上下、環(huán)境光和溫度變化等多方面因素的影響。無光時光電倍增管對光的響應(yīng)度更趨于平穩(wěn)，使實驗數(shù)據(jù)也更具有可靠性。因此，無光環(huán)境是決定光電倍增管對微弱光信號的檢測能力的重要因素之一。光電倍增管工作時由于陰極材料發(fā)熱，這樣對光電倍增管的響應(yīng)度產(chǎn)生較大的影響，因此不穩(wěn)定的工作溫度對光電倍增管的響應(yīng)度也會帶來不同程度的影響。降低光電倍增管的使用環(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射,從而降低暗電流。另外,光電倍增管的靈敏度也會受到溫度的影響。7、分析光電信號輸出電路工作原理。試以光電導器件為例，說明為什么光電檢測器件的工作波長越長，工作溫度就越低8、簡述發(fā)光二極管的發(fā)光原理及半導體激光器的工作原理。P44它們的構(gòu)造簡單說就是三明治的夾心構(gòu)造，中間的夾心是有源區(qū)。二者的構(gòu)造上是相似的，但是LED沒有諧振腔，LD有諧振腔。LD工作原理是基于受激輻射、LED是基于自發(fā)輻射。LD發(fā)射功率較高、光譜較窄、直接調(diào)制帶寬較寬，而LED發(fā)射功率較小、光譜較寬、直接調(diào)制帶寬較窄。9、試判別以下結(jié)論，正確的在括號里填寫T，錯誤的那么填寫F:〔1〕光電導器件在方波輻射的作用下，其上升時間大于下降時間。〔F〕〔2〕光敏電阻的阻值與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度升高時光敏電阻的阻值也隨之升高?！睺〕〔3〕光敏電阻的是由于被光照后所產(chǎn)生的光生電子與空穴的復合需要很長時間，而且，隨著復合的進展，光生電子與空穴的濃度與復合幾率不斷減小，使得光敏電阻恢復被照前的阻值需要很長時間?！睺〕10、簡述光電耦合器件的工作原理P51光電偶合器件〔簡稱光耦〕是把發(fā)光器件〔如發(fā)光二極體〕和光敏器件〔如光敏三極管〕組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。11、利用光敏電阻等器件設(shè)計樓梯內(nèi)的節(jié)能燈控制電路及測量應(yīng)用中的自動增益控制電路。14、硅光電池的內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)在什么條件下硅光電池的輸出功率最大〔1〕極電容，串接電阻，串接電阻越小越好?！?〕顯然，存在著最正確負載電阻Ropt，在最正確負載電阻情況下負載可以獲得最大的輸出功率Pmax。15、光生伏特器件有幾種偏置電路?各有什么特點?(1)光生伏特器件有反向偏置電路，零偏置電路，自偏置電路。(2)特點：自偏置電路的特點是光生伏特器件在自偏置電路中具有輸出功率，且當負載為最正確負載電阻時具有最大的輸出功率，但是自偏置電路的輸出電流或輸出電壓與入射輻射間的線性關(guān)系很差，因此在測量電路中好少采用自偏置電路。反向偏置電路：光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運動，使光生伏特器件的線性范圍加寬，因此反向偏置電路被廣泛應(yīng)用到大范圍的線性光電檢測與光電變換中。零偏置電路：光生伏特器件在零伏偏置下，輸出的短路電流Isc與入射輻射量〔如照度〕或線性關(guān)系變化，因此零伏偏置電路是理想的電流放大電路。16、試比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線，說明它們的差異。答：比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線可知：當沒有光輻射時，二者的伏安特性曲線是一樣的；當有光輻射時，那么硅光電二極管的全電流為負值，特性曲線向下平移，且向下平移的程度隨輻照度的不同而變化。但是硅整流二極管的伏安特性曲線不受光照的影響。此外，正常工作狀態(tài)下，硅光電二極管兩端所加正向電壓必須小于0.7V，否那么不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。該值通常為負，即處于反偏狀態(tài)；硅整流二極管兩端所加偏壓須為正，且要大于開啟電壓Uth值。17、寫出硅光電二極管的全電流方程，說明各項的物理意義。19、影響光生伏特器件頻率響應(yīng)特性的主要因素有哪些?為什么PN結(jié)型硅光電二極管的最高工作頻率小于等于107Hz若何提高硅光電二極管的頻率響應(yīng)?(1)影響光生伏特器件頻率響應(yīng)的主要因素有三點：1〕在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時間τdr，即漂移時間；2〕在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需的時間τp，即擴散時間；3〕由PN結(jié)電容Cj、管芯電阻Ri及負載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時間τRC。(2)對于PN結(jié)型硅光電二極管，光生載流子的擴散時間τp是限制硅光電二極管頻率響應(yīng)的主要因素。由于光生載流子的擴散運動很慢，因此擴散時間τp很長，約為100ns，那么其最高工作頻率小于等于107Hz。(3)1〕減小PN結(jié)面積；2〕增加勢壘區(qū)寬度，提高材料體電阻率和增加結(jié)深；3〕適當增加工作電壓；4〕盡量減少構(gòu)造造成的分布電容；5〕增加PN結(jié)深，減小串聯(lián)電阻；6〕設(shè)計選用最正確負載阻值。20、為什么說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)這與電子、空穴的遷移率有關(guān)嗎答：對于PN結(jié)注入發(fā)光的發(fā)光二極管，當PN結(jié)處于平衡位置時，存在一定的勢壘區(qū)。當加正向偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復合發(fā)光，并主要發(fā)生在P區(qū)。這是因為發(fā)光二極管在正向電壓的作用下，電子與空穴做相對運動，即電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴向N區(qū)運動。但由于電子的遷移率?N比空穴的遷移率?P高20倍左右，電子很快從N區(qū)遷移到P區(qū)，因而復合發(fā)光主要發(fā)生在P區(qū)。21、為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓下才能發(fā)光反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎答：由于LED的發(fā)光機理是非平衡載流子即電子與空穴的擴散運動導致復合發(fā)光，因此要求有非平衡載流子的相對運動，使電子由N區(qū)向P區(qū)運動，而空穴由P區(qū)向N區(qū)運動。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結(jié)內(nèi)部的漂移運動占主要優(yōu)勢，而這種少子運動的結(jié)果是電子與空穴的復合幾率小，而且表現(xiàn)在數(shù)量上也是很微弱的，缺乏以使LED發(fā)光。因此，要使LED發(fā)光，必須加正向偏壓。22、發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定光譜的半寬度有何意義發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質(zhì)及發(fā)光中心的構(gòu)造決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處〔光輸出最大〕，與之相對應(yīng)有一個波長，此波長即為峰值波長p。在LED譜線的峰值兩側(cè)處，存在兩個光強等于峰值一半的點，分別對應(yīng)p，它們之間的寬度即為半譜線寬度，也稱半功率寬度，它是一個反映LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，那么發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。23、產(chǎn)生激光的三個必要條件是什么答：產(chǎn)生激光的三個必要條件是：〔1〕必須將處于低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，為此需要泵浦源；〔2〕要有大量的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以口服損耗；〔3〕有一個諧振腔為出射光子提供正反響及高的增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。24、半導體激光器有什么特點LD與LED發(fā)光機理的基本區(qū)別是什么為什么LD光的相干性要好于LED光答：半導體激光器體積小，重量輕，效率高，壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦。其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可以與之單片集成，并且還可用高達GHz的頻率直接進展電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，它廣泛應(yīng)用于光通信、光學測量、自動控制等方面。LD的發(fā)光機理是激光工作物質(zhì)的受激輻射，而LED發(fā)光的機理是非平衡載流子的復合發(fā)光。由于LD的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的時間和空間相干性。25、為什么需要將發(fā)光二極管與光電二極管封裝在一起構(gòu)成光電耦合器件光電耦合器件的主要特性有哪些答：將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成的具有信號傳輸功能的器件，即為光電耦合器件。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。同時，它在信號傳輸速度、體積、抗干擾性等方面都具有傳統(tǒng)器件所無法比較的優(yōu)勢。因此，在實際應(yīng)用中它具有許多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動檢測、自動控制、電信號的傳輸和處理及計算機系統(tǒng)等方面。光電耦合器件的主要特性有：〔1〕具有電隔離的功能；〔2〕信號傳輸具有單向性；〔3〕具有抗電磁干擾和噪聲的能力；〔4〕響應(yīng)速度快；〔5〕實用性強；〔6〕既具有耦合特性又具有隔離特性。26、舉例說明光電耦合器件可以用在哪些方面為什么計算機系統(tǒng)常采用光電耦合器件答：光電耦合器件目前在自動控制、遙控遙測、航空技術(shù)、電子計算機和其它光電、電子技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。其具體應(yīng)用實例可參見教材6.5小節(jié)所述。在計算機主體運算局部與輸入、輸出之間，用光電耦合器件作為接口部件，將會大大提高傳輸中的信噪比。27、為什么由發(fā)光二極管與光電二極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比小于1，而由發(fā)光二極管與光電三極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比大于等于130、簡述半導體激光器的工作原理。它有哪些特點原理：半導體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件：〔1〕要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；〔2〕有一個適宜的諧振腔能夠起到反響作用，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；〔3〕要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。半導體激光器工作原理是鼓勵方式，利用半導體物質(zhì)〔即利用電子〕在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反響，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。特點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。34、簡述熱電偶工作原理熱電檢測器為什么只能檢測變幅射信號熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect〕。35、為什么半導體材料常具有負溫度系數(shù)熱敏電阻是指電阻值隨溫度變化而變化的敏感元件。在工作溫度范圍內(nèi),電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電熱敏電阻器阻器。負溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子〔電子和空穴〕數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。第四章1:總結(jié)不同類型光電檢測器確定靜態(tài)工作點的方法主要有圖解計算法和解析計算法。答：不同類型光電檢測器確定靜態(tài)工作點的方法主要有圖解計算法和解析計算法。2：如以以下圖電路中，設(shè)電源電壓源為Ub=9V，光敏二極管的伏安特性曲線如圖b所示。光敏二極管上的光通量在0~150μlm變化。假設(shè)光通量在此范圍內(nèi)做正弦變化，要是輸出交變電壓的幅值為3V，求所需的負載電阻RL,并作出負載線。第五章1：直接檢測系統(tǒng)的基本原理是什么為什么說直接檢測又稱為包絡(luò)檢測所謂光電直接檢測是將待測光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應(yīng)于光輻射強度〔幅度〕而輸出相應(yīng)的電流或電壓信號。光檢測器輸出的電流為：式中：第一項為直流項。假設(shè)光檢測器輸出端有隔直流電容，那么輸出光電流只包含第二項，這就是包絡(luò)檢測的意思。2：對直接檢測系統(tǒng)來說，若何提高輸入信噪比答：對于光電檢測系統(tǒng)來說，其噪聲主要有三類：〔1〕光子噪聲包括：A.信號輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲。〔2〕探測器噪聲包括：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生—復合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲?！?〕信號放大及處理電路噪聲在實際的光電探測器中，由于光電轉(zhuǎn)換機理不同，各種噪聲的作用大小亦各不一樣。假設(shè)綜合上述各種噪聲源，其功率譜分布可用以以以下圖表示。由圖可見：在頻率很低時，1/f噪聲起主導作用；當頻率到達中間范圍頻率時，產(chǎn)生——復合噪聲比較顯著；當頻率較高，甚至于截至頻率時，只有白噪聲占主導地位，其它噪聲影響很小。很明顯，探測器應(yīng)當工作在1/f噪聲小、產(chǎn)生-復合噪聲為主要噪聲的頻段上。因此，對于直接探測系統(tǒng)，提高輸入信噪比的措施有：〔1〕利用信號調(diào)制及選頻技術(shù)可抑制噪聲的引入白噪聲的大小與電路的頻帶寬度成正比，因此放大器應(yīng)采用帶寬盡可能窄的選頻放大器或鎖相放大器?！?〕將器件制冷，減小熱發(fā)射，降低產(chǎn)生-復合噪聲。采用半導體制冷、杜瓦瓶液態(tài)氣體制冷或?qū)Ｓ弥评錂C制冷。〔3〕采用最正確條件下的偏置電路，使信噪比〔S/N〕最大3：什么是直接檢測系統(tǒng)的量子極限說明其物理意義。答：當入射信號光波所引起的散粒噪聲為主要噪聲，其他噪聲可忽略時，此時信噪比為：該式為直接檢測理論上的極限信噪比。也稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限。量子極限檢測為檢測的理想狀態(tài)。4：試根據(jù)信噪比分析具有內(nèi)增益光電檢測器的直接測量系統(tǒng)為什么存在一個最正確倍增系數(shù)?！矃⒖肌炒穑寒敼鈾z測器存在內(nèi)增益〔如：光電倍增管〕時當很大時，熱噪聲可忽略。假設(shè)光電倍增管加致冷、屏蔽等措施以減小暗電流和背景噪聲，那么可到達散粒噪聲極限。在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力高于光電導器件，采用有內(nèi)增益的檢測器是直接檢測系統(tǒng)可能趨近檢測極限的唯一途徑。5：對于點檢測光電系統(tǒng)，若何提高系統(tǒng)的作用距離第六章1：試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個方面比較直接檢測系統(tǒng)和光外差檢測系統(tǒng)的特點。答:工作原理上：①直接探測系統(tǒng)是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探測器光敏面上，光探測器響應(yīng)的是光輻射強度而輸出相應(yīng)的電流和電壓；②光外差檢測是利用兩束頻率不同的相干光在滿足波前匹配條件下，在光電探測器上進展光學混頻，探測器輸出的信號是兩光波頻差的拍頻信號，該信號包含有調(diào)制信號的振幅、頻率和相位特征。系統(tǒng)性能上：①直接探測系統(tǒng)檢測方法簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，但是不能改善輸入信噪比，不適宜檢測微弱信號；②光外差檢測系統(tǒng)復雜，對光外差兩輸入信號有嚴格的空間條件和頻率條件，但檢測距離遠，檢測精度高，靈敏度高，是天然檢測微弱信號的方法。2:有一光子探測器運用于相干探測。假設(shè)入射到光混頻器上的本振光功率PL=10mW，光混頻器的量子效率η=0.5，入射的信號光波長λ=1μm，負載電阻RL=50Ω，試求該光外差探測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換增益PIF/PS=?6:若何實現(xiàn)干預(yù)信號的方向判別與計數(shù)。由于測量反射鏡在測量過程中可能需要進展正、反兩個方向的移動，或在測量過程中由于各種干擾因素的影響，可能使測量鏡在正向移動過程中產(chǎn)生一些偶然的反射移動?！舱?、反方向移動均使干預(yù)信號產(chǎn)生明、暗的變化〕假設(shè)測量系統(tǒng)中沒有判向能力，那么由光電檢測器接收信號后，由計數(shù)器所顯示的計數(shù)值是測量鏡正反移動的總和，而不是真正的被測長度。測量系統(tǒng)的電路中必須設(shè)計有方向判別局部，把計數(shù)脈沖分為加、減兩種脈沖。當測量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖，那么測量鏡反向移動時所產(chǎn)生的脈沖為減脈沖。這兩種脈沖送入可逆計數(shù)器進展可逆計數(shù)，即可得出測量鏡的真正位移量。7：試述多普勒測速原理。當光〔激光〕照射運動物體或流體時，其反射光或散射光將產(chǎn)生多普勒頻移，用它〔即反射光或散射光〕與本振光進展混頻可測得物體或流體的速度。第七章：1：用射線理論簡述光纖的導波工作原理。NA定義為光纖的“數(shù)值孔徑〞，為衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。在光纖端面，只有入射角小于的光才能在光纖中傳輸。2：試述傳光型和功能型光纖傳感器的基本含義。功能型傳感器〔即FF型光纖傳感器、傳感型光纖傳感器。〕：是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，即光纖與被測對象相互作用，使得光纖構(gòu)造參數(shù)發(fā)生變化，使其傳光特性發(fā)生相關(guān)變化。非功能型傳感器〔即NF型光纖傳感器、傳光型光纖傳感器〕：是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)。3：什么是單模光纖成為單模光纖的基本條件是什么單模光纖只能傳輸一種模式，纖芯直徑僅幾個微米，接近波長。單模光纖的有點是沒有模式散射，可利用波導色散抵消材料色散，以得到零色散。同時，信息容量極大，可進展理論預(yù)測，可利用光的相位等。但缺點是，芯徑很小，因而使用不變。4：舉例說明光纖中光波的各種調(diào)制技術(shù)。光調(diào)制分為：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和光譜調(diào)制等。5：分光式光纖傳感器有哪些特點分布式光纖傳感器：是將傳感光纖沿場排布，并采用獨特的檢測技術(shù)，對沿光纖傳輸路徑上場的空間分布和隨時間變化的信息進展測量或監(jiān)控。分布式光纖傳感器能同時測量空間多個點的環(huán)境參數(shù)，甚至能測量空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)。6：構(gòu)成分布式光纖傳感器的主要技術(shù)有哪些一、反射法：即利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等效應(yīng)進展測量的方法。二、波長掃描〔WLS〕法：用白光照射保偏光纖，運用快速付里葉算法來確定模式耦合系數(shù)的分布，當高雙折射保偏光纖受到外部擾動作用時，會引起相位匹配的模式耦合，即光由一種模式轉(zhuǎn)換為另一種模式〔即波長〕。由于本征模以不同的速度在光纖中傳播，所以從兩個本征模的相對幅度