光电检测技术第二版答案

光电检测技术第二版答案

【篇一：《光电检测技术-题库》(2)】

、填空题

1.对于光电器件而言，最重要的参数是、

和。

2.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成。

3.光电三极管的工作过程分为和。

4.激光产生的基本条件是受激辐射、和。

5. 非平衡载流子的复合大致可以分为和。

6.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填

满相应的能带，能量最高

的是填满的能带，称为价带。价带以上的能带，其中最低的能带常

称

为，与之间的区域称为。

7.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，

此时导带中没有，

价带中没有，所以不能。

8.载流子的运动有两种型式，和。

9. 发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。

10. 光电检测电路一般情况下由、、组成。

11. 光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光

敏电阻属于效应。

12.半导体对光的吸收一般有、、、和这

五种形式。

13. 光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。

14.半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。

15.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成，光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。

16.描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和。

17.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和等。

18..使用莫尔条纹法进行位移-数字量变换有两个优点，分别是和。

19.电荷耦合器件（ccd）的基本功能是和。

20.光电编码器可以按照其构造和数字脉冲的性质进行分类，按照信号性质可以分为和。

21.交替变化的光信号，必须使所选器件的大于输入信号的频率才能测出输

入信号的变化。

22.随着光电技术的发展，可以实现前后级电路隔离的较为有效的器件是。

23.硅光电池在偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。

24.发光二极管的峰值波长是由决定的。

二、名词解释

1. 光亮度：

2. 本征半导体：

3. n型半导体：

4. 载流子的扩散运动：

5. 光生伏特效应：

6. 内光电效应：

7.光电效应

8.量子效率

9.分辨率

10.二次调制

11.二值化处理

12.光电检测技术

13.响应时间

14.热电偶

15.亮度中心检测法

三、判断正误

1. a/d变换量化误差不随输入电压变化而变化，是一种偶然误差。（）

2. 采样/保持电路起到信号保持作用的保持电容，电容容量愈大电压下降愈慢，所以保持电

容越大越好。（）

3. 光电倍增管的光电阴极上发射出光电子的最大速度随入射光光子能量的增大而增大。

（）

4. 影响光电器件探测极限的因素是噪声，噪声是可以消除或减小的。（）

5. 光电倍增管的光谱响应曲线与光电阴极的光谱响应曲线相同，主

要取决于光电阴极材料

的性质。（）

6. 光敏电阻是光电导效应器件。（）

7. ccd驱动信号中三相与两相的电极结构是一样的。（）

8. ccd器件按像敏元的排列形式可以分为一维和二维两种。（）

9. 光电耦合器件具有信号传输的单向性，所以只适用于的直流或数

字脉冲信号。（）

10. 雪崩二极管在使用时要加高反向偏压。（）

四、简答题

1．光电检测器件和热电检测器件的比较。

2．简述光电池与光电二极管的区别。

3.简述光电检测电路设计依据及其设计要求。

4.对于扩散型pin硅光敏二极管来说，i层主要起到了什么作用？

5．简述变像管和像增强管的工作原理及区别？

6. 探测器件在进行极为微弱的信号探测时，有时要放入液氮中使用，为什么？

7.简述光电池与光电二极管的相同点和区别。

8. 简述光电检测电路的组成及各部分的作用。

9.以热敏电阻探测温度为例，分析热敏电阻典型桥路的输出电压变化?u与热敏电阻温度变化?t之间关系？

10.光电导体的灵敏度大小取决于哪些因素？为什么要把光敏电阻的

形状制成蛇形？在微弱的光照下，光电导和光强之间

是什么样的关系？

11.简述像点轴外偏移检测的像偏移法测位移的工作原理.

12.雪崩光敏二极管和光电倍增管的异同？

13.帧转移型面阵ccd的组成及工作过程？

14.简单画出光电成像系统的原理方框图？

15.在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点？当辐

射增强，该特点有何变化？

16.psd器件的主要特点是什么？画图说明激光三角法测量中psd的作用。

17.cmos图像传感器与ccd图像传感器的主要区别是什么？

18.说明热释电摄像管中斩光器的作用。当斩光器的微电机出现不转

或转速变慢故障时，会发生什么现象？

19.单元光电信号的二值化处理方法有哪些，其各自有何特点？

20.激光扫描系统的组成及测量原理

21.光栅莫尔条纹的产生原理及在位移测量中的作用和特点？

五、分析题

1. 简述差动法双通道测量系统的工作原理，分析双通道测量系统比

单通道测量系统相比有什么优点。

2. 分析比较增量式编码器与绝对是编码器的异同点。

3.分析热释电探测器的工作原理，并进一步说明为什么热释电探测

器件要工作在居里温度以下？

4.火炮身管直线度测量系统主要由哪些部分组成？分析如何进行身

管内膛直线度的测量。

5.如何使用激光扫描测量的方式实现圆柱体直径的测量？

6.试说明脉冲法激光测距仪的组成及工作原理，并分析其测距精度？

7.如下图电路所示，简要说明如何使用光敏电阻实现路灯自动点熄

控制？

六、设计题

1.某造纸厂生产的纸张为宽1米的长条状，需要切成长2米/张，根

据下图裁纸机和浮动阈值二值化电路，试设计一个光电检测系统来

实现，阐述其原理并画出系统示意图。

【篇二：光电检测技术作业答案】

1. 设某只cds光敏电阻的最大功耗为30mw，光电导灵敏度

sg?=?0.5x10?-6 s/lx，暗电导 g0=0 。试求当 cds 光敏电阻上的偏

置电压为 20v 时的极限照度。

2. 在如图所示的照明灯控制电路中，将上题所给的cds光敏电阻用作光电传感

器，若已知继电器绕组的电阻为5 k??，继电器的吸合电流为2ma，电阻r ??1k??。求为使继电器吸合所需要的照度。要使继电器在

3lx时吸合，问应如何调整电阻器r？

3. 在如图所示的电路中，已知rb ??820??，re ??3.3k?,uw ??4v，光敏电阻为rp，当光照度为40lx时输出电压为6v，80lx时为9v。

设该光敏电阻在30~100lx之间的??值不变。试求：

（1）输出电压为8v时的照度。

（2）若re增加到6k??，输出电压仍然为8v，求此时的照度。

（3）若光敏面上的照度为70lx，求re ??3.3k??与re ??6k??时输出的电压。

（4）求该电路在输出电压为 8v时的电压灵敏度。

4. 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么pn

结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于107hz？

5为什么在光照度增大到一定程度后，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？为什么

硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下的开路电压？

6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？

答：（1）极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。

（2）显然，存在着最佳负载电阻ropt，在最佳负载电阻情况下负

载可以获得最大的输出功率pmax

7 光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？

8. 选择最适当的答案填入括号中（只有一个答案正确）

（1）用光电法测量某高速转轴（15000r/min）的转速时，最好选

用（d）为光

电接收器件。

apmt b cds光敏电阻 c 2cr42硅光电池 d 3du型光电三极管

（2）若要检测脉宽为10?7 s的光脉冲，应选用（a）为光电变换

器件。

a pin型光电二极管

b 3du型光电三极管

c pn结型光电二极管 d2cr11硅光电池

（3）硅光电池在（d）偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的

线性关系，且动态范围较大。

a恒流 b 自偏置 c零伏偏置 d反向偏置

（4）硅光电池在（b）情况下有最大的功率输出。

a开路 b自偏置 c零伏偏置 d反向偏置

9. 假设调制波是频率为500hz，振幅为5v，初相位为0的正弦波，载波频率为10khz，振幅为50v，求调幅波的表达式、带宽及调制度。

10. 利用 2cu22 光电二极管和 3dg40 三极管构

成如下图所示的探测电路。已知光电二极管的电

流灵敏度 si =?0.4?a / ?w ，其暗电流id=?0.2?a ，三极管3dg40

的电流放大倍数 =50 ，最高入射辐射功率为 400 ?w 时的拐点电压

uz =?1.0v 。求入射辐射功率最大时，电阻 re 的值与输出信号uo

的幅值。入射辐射变化 50?w 时的输出电压变换量为多少？利用

2cu22光电二极管和3dg40三极管构成如图3-46所示的探测电路。已知光电二极管的电流灵敏度si ??0.4?a/?w，其暗电流id ??0.2?a，三极管3dg40 的电流放大倍数????50 ，最高入射辐射功率为

400 ?w时的拐点电压uz ??1.0v。求入射辐射功率最大时，电阻re

的值与输出信号uo的幅值。入射辐射变化50?w时的输出电压变换

量为多少？

11.真空光电倍增管的倍增极有哪几种结构？各有什么特点？

13光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？

14. 怎样理解光电倍增管的阴极灵敏度和阳极灵敏度？二者的区别是什么？二者有什么关系？

【篇三：光电检测习题解答】

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、产品缺陷、装配定位?

（2）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：

夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术

激光测距仪：可精确的定位目标

光电检测技术应用实例简介点钞机

（1）激光检测—激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五

版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此

激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制困难，故用于辨伪很准确。（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

人民币的纸张比较坚固、密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度

较高，因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票的真假。人民币

的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异，用红外信号对钞票进

行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，利用这一原理，可以实现辨伪。

（3）荧光反应的检测—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。人民币采用专用纸张制造（含85％以上

的优质棉花），假钞通常采用经漂白处理后的普通纸进行制造，经

漂白处理后的纸张在紫外线（波长为365nm的蓝光）的照射下会出

现荧光反应（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应。所以，用紫外光源对运动钞票进行

照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映，可判别钞票真假。

（4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用

于根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，比如

有无卡纸等；同时也能根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

检测是否有钞票放入或取出。

2、如何实现非电量的测量？

为实现非电量的电测量，首先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

传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方便后续电路的处理。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/数字变换后得到数字信号，以便于微处理器或微控制器。微

处理器或微控制器是测控系统的核心，它主要有两个作用：一是对

数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、存储和控制。二是管

理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化，即根据信号和测

量条件的变化，自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其它的

电路参数。在选用合适的传感器之后，就要

设计传感器的接口电路。从电子学的角度来看，不同的传感器具有

不同的电特性和需要不同的驱动信号（也有的传感器不需要驱动信号），为取得更高的精度和最佳的性能，需要设计传感器接口电路。

3、影响检测测量精度的主要因素有哪些，而其中哪几个因素有时最基本而且需要特别注意的？

测量器具本身存在的误差。环境因素，如气温，气压，干燥程度，

震动，磁场等。人为因素，如视觉误差等等。还有使用测量器具时

的方法不得当造成的误差。

4、什么是噪声和干扰？什么是有用信号？

噪声是来自元器件内部粒子；而干扰是指其他的有害信号，有系统

外部的，也可以有内部的。有用信号指传递用户所需信息的信号，

或是用来让接收设备收到信号后产生一个预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。噪声会导致信号质量下降以

及精确测量方面的错误。噪声包括固有噪声及外部噪声，这两种基

本类型的噪声均会影响电子电路的性能。外部噪声来自外部噪声源，固有噪声由电路元件本身生成，最常见的例子包括宽带噪声、热噪

声以及闪烁噪声等。干扰分3部分，干扰源、耦合通道和敏感对象。在不同空间和时间尺度上偶然发生，不可预知。

5、如何判断干扰？如何避免干扰？

常见的信号的干扰有：（1）器件工作的噪声干扰，比如说数字电路

正负逻辑的转换导致的电磁场干扰，电搜索压电流变化产生的电磁

场干扰。（2）高频信号噪声干扰（串扰和回损），因为高频电路能

产生强电磁场，产生感应信号。（3）电源噪声干扰，现在大部分电

源系统采用的都是开关电源，开关电路的高频开关动作会导致严重

的高频噪声。（4）地线噪声干扰，都知道只要是线就会存在电阻，

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，从而影响设备。总之干扰无处不在，在设计电路或画pcb时可以考虑从3点处理，即屏蔽干扰源、切断耦合通道、保护

敏感对象。

6、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期？为什么要通过

测量周期的方法来测量低频信号的频率？

采用多周期同步测量技术，这种测量方法实际上是对信号周期进行

测量，信号的频率是经过倒数运算求出来的。因而，从测频的角度，上述测量方法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1mhz标准脉冲信号，经

过分频器分频为1hz周期1s的尖波信号接到控制门的控制端，被测

信号通过放大整形变为正半波尖脉冲信号，接到控制器的信号端；

第一个秒信号触发控制门打开，尖脉冲通过控制门，第二个秒信号

到来后控制门关闭，脉冲计数器记录两个秒信号间隔时间内通过控

制门的尖脉冲个数就等于被测信号的频率值。数字频率计测量周期

的原理：采用上述方法测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，计数器从开启到关闭可能多记

一个或少记一个数；因此，为了保证低频信号测量的精度，可以用

周期测量法：即用被测信号脉冲去控制门电路的开启，让标准时间

通过控制门，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通过，相当于一个周期等于几

个时间单位。这就是为什么要通过测量周期来测定低频型号的频率

搜索的原因。

8、试叙述光电检测系统的组成及特点。p6

组成：

（1）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。

（2）光电变换

光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大

将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。

（3）电路处理

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

2.2.1

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。

光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，

在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。

2、简述光生伏特效应的工作原理。为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度？

答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应.当用适当波长的光照射pn结时，由于内建场的作用（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数载流子的行为，因为少数载流子

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点？p15

4、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差异。

答：所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发

射电子，或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势的现象。光

电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子

的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）表现出选

择性。在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。按照是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效

应和光电磁效应等。

光热效应的实质是探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部

电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起

探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件与温度有关的电

学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率

（或波长）没有选择性，因而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无关。因为温度升高是热

积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环

境温度变化的影响。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

第3章

1、试说明为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下，时间响应越长，灵敏度越高。

2、对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

时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会

如何？

3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？

答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电

压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反

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，所以光照增加时，得到的光生电流就会

明显增加。

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？实际使用时如何改善其工作频率响应？响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命?有关，减小?，则

频率响应提高；其次，光电导器件的响应时间与运用状态也有光，

例如，光照强度和温度的变化，因为它们都影响载流子的寿命。光

伏特器件的工作频率高于光电导器件。要改善光伏器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有：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

当增加工作电压。

6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升高而下降？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？

温度升高时，半导体的导电性将发生一定的变化，即少数载流子浓

度随着温度的升高而指数式增大，相对来说多数载流子所占据的比

例即越来越小，这就使得多数载流子往对方扩散的作用减弱，从而

起阻挡作用的p-n结势垒高度也就降低。从fermi能级的变化上来理解：温度越高，半导体fermi能级就越靠近禁带中央（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，比如：偏置电压的高低、环境光和温度变化等多方面因素的影响。无光时光电倍增管对光的

响应度更趋于平稳，使实验数据也更具有可靠性。因此，无光环境

是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要因素之一。光电

倍增管工作时由于阴极材料发热，这样对光电倍增管的响应度产生

较大的影响，因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带

来不同程度的影响。降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电

子发射,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

影响。

7、分析光电信号输出电路工作原理。试以光电导器件为例，说明为什么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。

二者的结构上是相似的，但是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、试判别下列结论，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，其上升时间大于下降时间。（ f ）

（2）光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高时光敏电阻的阻值也随之升高。（ t ）

（3）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间，而且，随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断减小，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）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。

11、利用光敏电阻等器件设计楼梯内的节能灯控制电路及测量应用中的自动增益控制电路。