南京理工大学光电检测习题解答.docx

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。 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 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 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 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。 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。 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，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的照射下会出现荧光反应，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。 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。 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，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：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。高频信号噪声干扰，因为高频电路能产生强电磁场，产生感应信号。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。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： 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。 光电变换 光电/热电器件、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。无光照时，阻值很大，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：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，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。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没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率，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t有关，减小t，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：减小负载电阻；减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；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，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: 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。 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。 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。 10、简述光电耦合器件的工作原理？P51 光电偶合器件是把发光器件和光敏器件组装在一起，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。 12、试分析图3-72，所示的放大电路中，光敏电阻Rp的作用。 答：无光照时，Rp阻值很大，即同相反馈支路的反馈电阻很大，输出电压高。光强增加，使得Rp，使得同相反馈支路阻值减小，输出电压下降。 无光照时，Rp阻值很大，输入近似开路，输出电压低。光强增加，使得Rp，使得输入信号进入，输出信号增大。 13、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？ 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？ 极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。 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。 15、光生伏特器件有几种偏置电路?各有什么特点? (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)特点：自偏置电路的特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载为最佳负载电阻时具有最大的输出功率，但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，因此在测量电路中好少采用自偏置电路。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，有利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，因此反向偏置电路被广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与入射辐射量或线性关系变化，因此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性曲线，说明它们的差异。 答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：当没有光辐射时，二者的伏安特性曲线是一样的；当有光辐射时，则硅光电二极管的全电流为负值，特性曲线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。但是硅整流二极管的伏安特性曲线不受光照的影响。此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端所加正向电压必须小于0.7V，否则不能产生光电效应。该值通常为负，即处于反偏状态；硅整流二极管两端所加偏压须为正，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？怎样提高硅光电二极管的频率响应? (1)影响光生伏特器件频率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dr，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p，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延迟时间RC。 (2) 对于PN结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间p是限制硅光电二极管频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间p很长，约为100ns，则其最高工作频率小于等于107Hz。 (3)1）减小PN结面积；2）增加势垒区宽度，提高材料体电阻率和增加结深；3）适当增加工作电压；4）尽量减少结构造成的分布电容；5）增加PN结深，减小串联电阻；6）设计选用最佳负载阻值。 20、为什么说发光二极管的发光区在PN结的P区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？ 答：对于PN结注入发光的发光二极管，当PN结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。当加正向偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，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。但由于电子的迁移率?N比空穴的迁移率?P高20倍左右，电子很快从N区迁移到P区，因而复合发光主要发生在P区。 21、为什么发光二极管必须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：由于LED的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因此要求有非平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情况下，PN结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足以使LED发光。因此，要使LED发光，必须加正向偏压。 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材料的种类、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无关。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处，与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长lp。在LED谱线的峰值两侧±Dl处，存在两个光强等于峰值一半的点，分别对应lp-Dl，lp+Dl，它们之间的宽度即为半谱线宽度，也称半功率宽度，它是一个反映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、产生激光的三个必要条件是什么？ 答：产生激光的三个必要条件是：必须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；要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗；有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。 24、半导体激光器有什么特点？LD与LED发光机理的根本区别是什么？为什么LD光的相干性要好于LED光？ 答：半导体激光器体积小，重量轻，效率高，寿命长，并可采用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，因而可以与之单片集成，并且还可用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，它广泛应用于光通信、光学测量、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发光的机理是非平衡载流子的复合发光。由于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干性。 25、为什么需要将发光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件？光电耦合器件的主要特性有哪些？ 答：将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，即为光电耦合器件。由于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、抗干扰性等方面都具有传统器件所无法比拟的优势。因此，在实际应用中它具有许多优点，被广泛应用于工业自动检测、自动控制、电信号的传输和处理及计算机系统等方面。光电耦合器件的主要特性有：具有电隔离的功能；信号传输具有单向性；具有抗电磁干扰和噪声的能力；响应速度快；实用性强；既具有耦合特性又具有隔离特性。 26、举例说明光电耦合器件可以用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器件？ 答：光电耦合器件目前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其它光电、电子技术中得到了广泛的应用。其具体应用实例可参见教材6.5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部件，将会大大提高传输中的信噪比。 27、为什么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。它有哪些特点？ 原理：半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件： 要产生足够的 粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数； 有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡； 要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质在能带间跃迁发光，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，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。 特点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。 31、 32、热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？ 第一阶段：器件吸收光辐射能量而使自身温度发生变化， 第二阶段：器件依赖某种温度敏感特性把辐射引起的温度变化转化为相应的电信号，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？热电检测器为什么只能检测变幅射信号？ 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）。 35、为什么半导体材料常具有负温度系数？ 热敏电阻是指电阻值随温度变化而变化的敏感元件。在工作温度范围内,电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电 热敏电阻器阻器。负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。 第四章 1:总结不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。 答：不同类型光电检测器确定静态工作点的方法主要有图解计算法和解析计算法。 2：如图所示电路中，设电源电压源为Ub=9V，光敏二极管的伏安特性曲线如图b所示。光 敏二极管上的光通量在0150lm变化。若光通量在此范围内做正弦变化，要是输出交变电压的幅值为3V，求所需的负载电阻RL,并作出负载线。3：已知某Si光电二极管的灵敏度为0.5A/W，结间电导G=0.01s，转折电压U0=10V,入射光功率从p"=15W变到P=25W，偏压Ub=50V。求最大输出功率时的最佳负载RL、输出电流L、输出电压U和输出功率PL。 5：光电倍增管偏置电路如图4-22所示。光电倍增管的阴极积分灵敏度SK=30A/lm，阳极积分灵敏度SA=10A/lm，阳极暗电流Id=4A，输入电路是电阻R=105和电容C0=0.1F的并联，阴极面积为80mm2，要求信号电流IL=10-4A，计算阳极噪声电流，负载电阻上的噪声电压和信噪比。 第五章 1：直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又称为包络检测？ 所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压信号。 光检测器输出的电流为： 式中：第一项为直流项。若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是包络检测的意思。 2：对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？ 答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生复合噪声；1/f噪声；温度噪声。 信号放大及处理电路噪声 在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。 因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入 白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。 将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。 采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比最大 3：什么是直接检测系统的量子极限？说明其物理意义。 答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声，其他噪声可忽略时，此时信噪比为： 该式为直接检测理论上的极限信噪比。也称为直接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态。 4：试根据信噪比分析具有内增益光电检测器的直接测量系统为什么存在一个最佳倍增系数。 答：当光检测器存在内增益时 当 很大时，热噪声可忽略。若光电倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。 5：对于点检测光电系统，怎样提高系统的作用距离？ 第六章 1：试从工作原理和系统性能两个方面比较直接检测系统和光外差检测系统的特点。 答:工作原理上： 直接探测系统是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面上，光探测器响应的是光辐射强度而输出相应的电流和电压； 光外差检测是利用两束频率不同的相干光在满足波前匹配条件下，在光电探测器上进行光学混频，探测器输出的信号是两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。 系统性能上： 直接探测系统检测方法简单，易于实现，可靠性高，但是不能改善输入信噪比，不适宜检测微弱信号； 光外差检测系统复杂，对光外差两输入信号有严格的空间条件和频率条件，但检测距离远，检测精度高，灵敏度高，是天然检测微弱信号的方法。 2: 有一光子探测器运用于相干探测。假设入射到光混频器上的本振光功率PL=10mW，光混频器的量子效率=0.5，入射的信号光波长=1m，负载电阻RL=50，试求该光外差探测系统的转换增益PIF/PS=?3: 试述实现外差检测必须满足的条件。 答： 1）要求参于混频的信号光和本振光应是理想相干的单频单模光，要有稳定的振荡频率和相位。 2）在光混频器上信号光与本振光要求偏振方向一致。 3）信号光与本振光要求空间波前匹配，即要求空间调准，波面吻合垂直入射于光混频表面。二光束入射角偏斜应满足关系0/L, 其中0是本振光波长，L是光电探测器光敏面尺寸。 4: 求光零差相干检测在输出负载Rl端的峰值信号功率 5试述激光干涉测长的基本原理。 答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。6:如何实现干涉信号的方向判别与计数。 由于测量反射镜在测量过程中可能需要进行正、反两个方向的移动，或在测量过程中由于各种干扰因素的影响，可能使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反射移动。 若测量系统中没有判向能力，则由光电检测器接收信号后，由计数器所显示的计数值是测量镜正反移动的总和，而不是真正的被测长度。 测量系统的电路中必须设计有方向判别部分，把计数脉冲分为加、减两种脉冲。 当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲，则测量镜反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计数，即可得出测量镜的真正位移量。 7：试述多普勒测速原理。 当光照射运动物体或流体时，其反射光或散射光将产生多普勒频移，用它与本振光进行混频可测得物体或流体的速度。 第七章： 1：用射线理论简述光纤的导波工作原理。 NA定义为光纤的“数值孔径”，为衡量光纤集光性能的主要参数。 在光纤端面，只有入射角小于的光才能在光纤中传输。 2：试述传光型和功能型光纤传感器的基本含义。 功能型传感器：是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，即光纤与被测对象相互作用，使得光纤结构参数发生变化，使其传光特性发生相关变化。 非功能型传感器：是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质。 3：什么是单模光纤？成为单模光纤的基本条件是什么？ 单模光纤只能传输一种模式，纤芯直径仅几个微米，接近波长。单模光纤的有点是没有模式散射，可利用波导色散抵消材料色散，以得到零色散。同时，信息容量极大，可进行理论预测，可利用光的相位等。但缺点是，芯径很小，因而使用不变。 4：举例说明光纤中光波的各种调制技术。 光调制分为：强度调制、相位调制、偏振调制、 频率调制和光谱调制等。 5：分光式光纤传感器有哪些特点？ 分布式光纤传感器：是将传感光纤沿场排布，并采用独特的检测技术，对沿光纤传输路径上场的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。 分布式光纤传感器能同时测量空间多个点的环境参数，甚至能测量空间连续分布的环境参数。 6：构成分布式光纤传感器的主要技术有哪些？ 一、反射法：即利用光纤在外部扰动作用下产生的瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等效应进行测量的方法。 二、波长扫描法：用白光照射保偏光纤，运用快速付里叶算法来确定模式耦合系数的分布，当高双折射保偏光纤受到外部扰动作用时，会引起相位匹配的模式耦合，即光由一种模式转换为另一种模式。由于本征模以不同的速度在光纤中传播，所以从两个本征模的相对幅度的大小可以得到被测参数的信息。 三、干涉法：利用干涉仪把被测量对干涉光路中光波的相位调制进行解调，从而得到被测量信息。 第九章 1：试列表比较所介绍的几种微弱信号检测系统的特点与应用场合。为什么说微弱信号检测基本要素是以时间为代价来换取高灵敏度的测量。 答：1 锁相放大器 特点：要求对入射光进行斩光调制，适用于调幅光信号的检测； 为极窄带高增益放大器； 是交流信号-直流信号变换器。相敏输出正比于输入信号的幅度和它与参考电压的相位差。 可以补偿光检测器中的背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声。信噪比改善可高达1000倍。 2 取样积分器 3 光子计数器 特点：只适合于极弱光的测量，不能测量包含许多光子的短脉冲强度； 不论是连续的、斩光的、脉冲的光信号都可以使用，能取得良好的信噪比； 可直接提供数字输出。 设输入信号为 ，经积分器 次积累后所得到的输出电压为： 输出信号平均功率为： 噪声电压 的数学期望 是随机量，则 噪声平均功率为： 也为随机量，但 通过积累后获得的功率信噪比为： 经过 次积累后，功率信噪比可提高 倍。信号噪声幅值比为： 可见，取点测量次数越大，信噪比改善越明显，但需要的积累时间也越长。微弱信号检测都是以牺牲时间为代价的。 2：以锁相放大器为例，说明去除噪音改善检测信噪比的机理。 答：设输入到乘法器的输入信号和参考信号分别为： 乘法器的输出为： 为差频成分；滤波得到窄带的差频信号，输出为： 为和频成分。经低通 ，输在输出信号中只是那些与参考电压同频率的分量才使差频为0，即 出直流信号，即： 在输入信号中，只有被测信号本身由于和参考信号有同频锁相关系而得到最大的直流输出。其他噪声和干扰信号或者由于频率使得 ，被相敏检波器截止。 噪声中那些与参考信号同频率、或 ）、同相位的噪声分量也能够输出相应的直流信号与被测信号相叠加，但这一部分噪声占白噪声的极小部分。 锁相放大器能以极高的信噪比由噪声中提取出信号。 3：说明取样放大器的去噪原理和工作过程。 答：原理：是利用周期性信号的重复特性，在每个周期的同一个位处多次采集波形上某点的数值，算术平均值与该点处的瞬时值成比例，于是各周期内取样平均信号也为待测信号的波形。而噪声多次重复的统计平均值为0。 多周期同相位取值平均，可大大提高信噪比、再现被噪声淹没的信号波形。 1、周期信号的取样：满足取样定理 2、 取样信号的积累平均 4：什么叫光子计数技术？试说明光子计数系统可分为几种类型，说明各种类型的工作原理。 答：光子计数器是利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号。 光子计数器分为三种类型：基本型、辐射源补偿型和背景补偿型。 5：电子开关有哪些应用方式？试简述他们的应用特点。 答：光电开关分为主动型光电开关和被动型光电开关。 1、 透射分离型主动开关 2反射型主动开关：当发光管发出的光遇到障碍时，在距离足够近时，由障碍物反射回来的光被接收管接收而使开关运作。可用于位置传感、汽车的紧急制动等。 3光电耦合器:若发光管接在低压电路中，光电接收管接于高压电路中，则可实现由低压电路控制高压电路。 4编码技术型主动开关:发光管发出频率确定的光脉冲；快门打开期间，计数器计数此期间光电的脉冲数，即可计算出快门的时间 5被动开关:利用自然光源的特性对光电开关提供信号。因此，被动开关的接收器常用。常用于自动开门或报警系统的控制。 6:电子转速计在进行正反向转速测量时，如何进行判向？给出一种设计方案。 7：试根据光电遥控框图，说明光电遥控原理。 原理：发射出一束较宽的光束，所发的光束里含有控制功能的编码信号。 8：试述条形码识别原理，条形码识别一般要经过哪几个环节？ 答：原理：利用计算机“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的宽窄条纹来表示数字或字符。条形码系统由条形码符号、符号载体、打印设备和扫描阅读设备组成。 环节：1要求建立一个光学系统。2要求一个接受系统能够采集到光点运动时打在条形码条符上反射回来的反射光，同时，要求这一接受系统对反射光具有一定的敏感系统。3要求一个电子电路将接受到的光信号不失真的转换为电脉冲。 9：针对基于调制盘的红外方位监测系统，试设计出仍一种调制图案。