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光电检测技术光电检测技术试卷(练习题库)1、光电检测系统通常由哪三部分组成？2、光电效应包括哪些？3、外光电效应4、内光电效应5、简述内光电效应的分类？6、光电导效应7、光生伏特效应8、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？9、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？10、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？11、 CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么？12、根据检查原理，光电检测的方法有哪四种？13、光热效应应包括哪三种？14、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？15、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器16、响应度（或称灵敏度）17、亮电流18、光电信号的二值化处理19、亮态前历效应20、热释电效应21、暗态前历效应22、简述雪崩光电二极管的工作原理？23、简述光生伏特效应与光电导效应的区别？24、简述光生伏特效应与光电导效应的联系？25、什么是敏感器？26、简述敏感器与传感器的区别？27、简述敏感器与传感器的联系？28、简述发光二极管的工作原理？29、简述PIN型的光电二极管的结构？30、简述PIN型的光电二极管的工作原理？31、简述PIN型的光电二极管的及特点？32、简述光电检倍增管的结构组成？33、简述光电检倍增管的工作原理？34、简述CCD器件的结构？35、简述CCD器件的工作原理？36、举例说明补偿测量方法的原理？37、举例说明象限探测器的应用。
38、坎德拉（Candela，cd）39、象增强管40、本征光电导效应41、信息载荷于光源的方式信息载荷于透明体的方式、信息载荷于反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷42、光源选择的基本要求有哪些？43、光电倍增管的供电电路分为负__供电与正__供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪44、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？45、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？46、简述三种主要光电效应的基本工作原理？47、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？48、简述光电探测器的选用原则？49、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？50、叙述实现光外差检测必须满足的条件？51、光具有的一个基本性质是（）。
1.光学检测系统的组成：光源(辐射源)、信息载体、光电探测器、信息处理装置2.典型光电检测系统：红外报警系统、锅炉水位自动控制系统主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束(此光束的波长约在0.8-0.95μm之间)，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。
此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。
由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。
正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。
3.辐照度的余弦定律：任意表面上的辐照度随该表面法线和辐能传输方向之间夹角的余弦而变化。
E′=E cosθ4.朗伯余弦定律：朗伯辐射表面在某方面上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化。
Iθ=I0cosθ（朗伯表面是一个对入射辐射提供均匀的漫射的表面，从不同角度观察该表面，其明暗程度是一样的）5.距离平方反比定律：点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。
6.亮度守恒定律：光辐射能在传播介质中没有损失时表面2和表面1的辐亮度是相等的。
7.由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。
热辐射具有连续的辐射谱，且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度8.绝对黑体：物体在任何温度下，对任何波长的辐能的吸收比αλ(T)≡19.基尔霍夫辐射定律：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。
10.维恩位移定律：λm T=2897.9 (μm∙K)11.斯忒藩-玻尔兹曼定律：M vb(T)=σT4σ=5.670×108(J m2⁄∙s∙K4)12.n型(电子型)半导体放电子(n n>p n)，施主；p型(空穴型)半导体收电子(n n<p n)，受主13.复合过程：直接复合、间接复合(①电子俘获；②空穴俘获；③电子发射；④空穴发射)14.在热平衡条件下，半导体中能级被电子的占据率分布服从费米统计分布规律15.光电导效应和光生伏特效应属于内光电效应，是光照到半导体材料时，材料由于光子的加入引起载流子的浓度变化，导致材料电导率或使产生内建电场16.光电发射效应属于外光电效应，是光子和物质材料相互作用，光子能量足够大，才使电子获得能量而逸出物质表面光电发射第一定律-斯托列夫定律：当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流与入射光强度成正比，即I k=S k F0光电发射第二定律-爱因斯坦定律：光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关，即12m e v max2=ℎν−W17.光电测量系统的噪声：①光子噪声。
第一章1.光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器答案:对2.PN结型的光电传感器有光电二级管、光电晶体管光电晶闸管等答案:对3.非PN结的光电传感器有光敏电阻、热敏电阻及光电管等答案:错4.一般的电子检测系统由三部分构成，分别是（）、（）和（）答案:传感器;输出环节;信号调制器5.光电检测系统频率量级上比电子检测系统提高了几个数量级，因此在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率上大大提高答案:对第二章1.热效应较小的光是答案:紫外2.半导体中受主能级的位置位于答案:禁带3.波长为500nm的波属于答案:可见光4.光度量是辐射度量的()倍答案:683V(λ)5.本征半导体在绝对零度时，在不受光的照射下，导带中没有电子，价带中没有空穴，此时不能导电。
答案:对第二章1.建筑产品组合包括三个因素：广度、深度和相关性答案:对2.建筑企业组织再就是以工作流程为中心，重新设计建筑企业组织的结构形式及运作方式（）答案:对3.自我超越是五项修炼的重要内容之一（）答案:对4.授权以项目为对象，建筑企业将完成某项工作所必须的权力授给企业代理人（）答案:错5.在建筑企业项目控制过程中，最重要的项目报告是（）答案:专题报告6.麦克莱兰的激励需要理论、成就需要理论、成就动机理论也称三种需要理论。
答案:对7.强化理论是美国的心理学家和行为科学家（）等人提出的一种理论答案:马斯洛8.信息的信噪比的大小决定了光电探测器件能否测量出改信息。
答案:错9.根据噪声来源，光电探测器的噪声有几种形式？答案:热噪声;低频噪声;散粒噪声10.设计光电信号检测电路必须满足下列哪些要求？答案:长期工作的稳定性和可靠性;快速的动态响应能力;灵敏的光电转换能力;最佳的信号检测能力11.对于光伏型的光电信号输入电路，当入射光通量一定时，负载增大，输出电压也增大，但是当电阻达到一定值后输出电压变饱和。
答案:对12.光电、热电检测器件对检测电路中的高频信号的衰减影响较大。
第7章 光外差检测系统光电直接检测的光强信号及光电探测器转换后的电信号通常情况下是直流量。
而直流漂移是形成误差的重要原因，信号处理及细分都比较困难。
光外差检测采用两束具有微小频率差的光产生干涉，产生的信号为交流电，不仅克服了上述光电直接检测的漂移问题，而且使细分变得更容易，显著提高了抗干扰性能。
光外差检测（Optical heterodyne detection ）广泛应用于激光通信、干涉测长、测角、激光雷达和测速等当面。
光外差检测与光直接检测比较，其测量精度要高7-8个数量级。
它的灵敏度接近了量子噪声限，可以检测单个光子，进行光子计数。
使用外差技术的双频激光干涉仪早已实现商品化，大量用于长度、位移、速度等的超精密测量，相对测量精度可优于百万分之一。
使用外差检测通信技术的工作距离比直接检测远的多，在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段，能够做到上万公里的通信距离和1Gbps 以上的通信速率。
7.1 光外差检测原理光外差检测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进行光学混频（相乘）。
由于光电探测器的响应远远低于光波频率，其输出是频率为二光波的差频电信号。
这个输出信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。
显然，外差检侧也是相干检测．与非相干检测的直接检测法相比，外差检测具有灵敏度高、输出信噪比高、精度高、探测目标的作用距高远等优点。
因而在精密测量中得到了广泛的应用。
如图7-1所示，考虑频率为νM 和νL 两束互相平行的平面光，其空间任意点P 的电分量分别表示为：)2cos()(M M M M t a t E ϕπν+= (7.1) 和)2cos()(L L L L t a t E ϕπν+= (7.2)图7-1外差检测原理示意图其中，a M 和a L 分别表示两光束的振幅，φM 和φL 分别表示两光束在P 点的相位。
则两光束相叠加所得到的光强为：)2cos()2cos(2)2(cos )2(cos )]()([)(22222L L L M M M L L L M M M L M t a t a t a t a t E t E t I ϕπνϕπνϕπνϕπν++++++=+= (7.3)使用三角函数对上述表达式进行变换可得：)]()(2cos[)]()(2cos[)]24cos()24cos([2/12/2/)(2222L M L M L M L M L M L M L L L M M M L M t a a t a a t a t a a a t I ϕϕννπϕϕννπϕπνϕπν-+-++++++++++= （7.4） 上式共分5项，其中前两项组成了光强的直流部分，我们注意到第3项和第4项的频率在光频量级（1014Hz ），现有的光探测器都无法达到这么高的响应速度（通常在1010Hz 以下），故这两项不对探测器产生影响，而最后一项为光强信号的交流部分，其信号振幅为a M a L ，频率νM - νL 为两束相干光的频率差，也叫拍频。
光电检测方法2.1直接探测2.1.1基本物理过程直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光信号直接转化为电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。
一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。
这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。
信号光场可表示为()cos S E t A t ω=，式中，A 是信号光电场振幅，ω是信号光的频率。
则其平均功率P 为（2.1.1）光探测器输出的光电流为（2.1.2）若光探测器的负载电阻为L R ,则光探测器输出的电功率为（2.1.3）光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。
从而可知，光探测器对光的响应特性包含两层含意，其一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。
如果入射信号光为强度调制（TM ）光，调制信号为()d t 。
从而得（2.1.4）式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是直接探测的基本物理过程，需强调指出，探测器响应的是光场的包络，目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。
2.1.2信噪比设入射到光探测器的信号光功率为S P,噪声功率为n P，光探测器输出的信号电功率为P S，输出的噪声功率为P N。
可得（2.1.5）根据噪声比的定义，则输出功率信噪比为（2.1.6）从上式可以看出I.若，则有（2.1.7）输出信噪比等于输入信噪比的平方。
由此可见，直接探测系统不适于输入信号比小于1或者微弱光信号的探测。
II.若，则（2.1.8）输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光—电转换后信噪比损失了3dB ，在实际应用中还是可以接受的。
由此可见，直接探测方法不能改善输入信噪比。
如果考虑直接探测系统存在的所以噪声，则输出噪声总功率为（2.1.9）式中，222NS NB ND i i i ++分别为信号光，背景光和暗电流引起的散粒噪声。
一、填空题1.光电信息技术和微电子技术一样，是一种（渗透）性极强的综合技术，是以光集成技术为有关点学元、器件制造的（应用）技术。
2.（光学）变换与光电转换是广电（测量）的可信部分。
3.光电式发动机转速传感器一般安装载（分电器）内或（曲轴）前段，由信号发生器和带光孔德信号盘组成。
4.外光电效应是指受到（光辐射）的作用后，产生（电子）发射的现象。
5. 光敏电阻具有体质小、坚固耐用、价格低廉、（光谱）响应范围宽等优点，广泛应用于（微弱）辐射信号的检测技术领域。
6.由于增益过程将同时使（噪声）增加，故存在一个最佳增益（系数）。
7.（视场角）亦是直接检测系统的性能指标之一，它表示系统能“观察”到的（空间）范围。
8.外差检测是利用运动目标与检测仪器之间因（相对）运动而产生的（多普顿）频移来实现其测距、测速和跟踪的。
9.在测量光强信息时需要把光的（强弱）变为数字量才能进行数字显示，或送入计算机进行计算或分析，既需要对光电进行（A/D）转换。
10.光电信机技术是将电子学与广西（浑然）一体的技术，是光与电子（转换）及其应用的技术。
11.光电检测系统虽具体构成形式各不相同，单但有一个共同的特征，既都具有（光发射机）、光学（信道）和光接收机这一基本环节。
12.汽车的光电式位置传感器是利用光电元件的光电效应测量位置信号的，主要应用有（曲轴位置）、车身高度、（转向盘转角）等检测。
13.内光电效应是指受到光照射的物质内部电子（能量）状态产生变化，但不存在（表面）发射电子的现象。
14.（光生伏特）效应是少数载流子到店的光电效应，而（光电导）效应是多数载流子到店的光电效应。
15.在光电的直接检测中，光电（培增管）、（雪崩管）的检测能力高于光电导器件。
16.影响检测距离的因素很多；发射系统，接收系统的（大气）特性以及目标特性都将影响检测距离。
（反射）17在有噪声随机（叠加）在信号上时，使信号产生（畸变）18.单元光电信号的（A/D也就是对单元光电器件构成的光电变换电路的信号进行数字化处理的过程。
光电信号检测的技术方法在光电系统中，通常要借助于几何光学、物理光学和光电子学的方法对信号进行变换，包括将一种光量变换为另一种光量，将非光量转换为光量或将连续光量转换为脉冲光量等。
光电探测系统具有传感信息，传递信息，测量信息（未知的光学量或非光学量），存储信息的多种功能和用途，对各种系统具有不同的技术要求。
但是，它们的共同特点都是接受光信号，并最终以电信号形式将信息输出。
其输出电学量是模拟信号或数字信号。
光电转换与测量系统的目的在于：1）将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号；2）改善系统的时间或空间分辨力和动态品质，提高传输效率和检测精度； 3）改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性和系统对环境的适应能力。
光电信号的变换方法从光学原理来看，可分为几何光学法、物理光学法和光电子学方法。
表6—1给出了典型的光电信号变换方法和应用范围。
表6—1 光电信号变换方法和应用范围检测系统的分类：1、主动系统与被动系统（按携带信息的光源来分，由光源是否受到人工干预决定）；2、可见光系统与红外探测系统（按光谱范围分）；3、点探测系统与面探测系统（按被探测目标的相对面积大小来分）；4、模拟探测系统与数字探测系统（按信号调制方法与信号处理类型分）；5、直接探测与相干探测系统（按光波对信息信号的携带方式来分）。
不论光源是相干光源还是非相干光源，光电器件只能对接收到的光强度产生响应。
光载波所携带的被测光信息有多种，若光信息为光强，即被测信息携带于光载波的强度之中，这时光电器件直接接收光强度变化，然后用解调的方法检出被测信息称为直接检测光电系统。
如果光信息加载于相干光源的光载波的振幅、频率或相位变化之中，通过光学相干的方法检测出被测信息，则称为相干检测系统。
6.1光电检测系统的工作原理6.1.1光电检测的物理过程待测光直接（或经光学成象系统会聚后）照射到光探测器的光敏面上，光探测器将其光强信号（光通量）直接转化为相应的电压或电流，经后续处理（放大、滤波、信号处理）后输出。
1.简述光电检测系统的基本组成，各部分的主要作用。
光电检测系统的基本组成包括：光源、被检测对象及光信号的形成、光信号的匹配处理、光电转换、电信号的放大与处理、微机、控制系统和显示等部分。
各部分的主要作用：（1）光源：光源是广义的，可以是人工光源，也可以是自然光源。
光源具有一定辐射功率、一定光谱范围及一定的发光空间分布，同时发出的光束作为携带待测信息的物质，光源本身也可以作为待测对象；（2）被检测对象及光信号的形成：光源所发出的光束携带利用各种光学效应，如发射、吸收、折射、干涉、衍射等，是光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号；（3）光信号的匹配处理：使光源发出的光或产生携带各种待测信号的光与光电检测器等环节间实现合理的匹配，即通过对光信号的处理或调制满足后面光电转换的需要；（4）光电转换：将光信号转换为电信号，以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等；（5）电信号的放大与处理：为实现各种检测目的，可按需要采用不同功能的电路来完成对具体系统的具体分析；（6）微机及控制系统：通过反馈、分析、计算或判断等方式实现对信号的利用，从而控制整个光电检测装置更加精确，符合人性化的需求；（7）显示：将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。
2.试述辐射度量与光度量的联系和区别。
辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量；光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小。
光通量 V 和辐射通量 e 可通过人眼视觉特性进行转换，即式中，Km 最大光谱光视效能，V( )是平均人眼光谱光视效率(或称视见函数)3. 朗伯辐射体是怎样定义的?其有哪些主要特性?朗伯辐射源：某些自身发射辐射的辐射源，其辐射量度与方向无关，即辐射源各个方向的福亮度不变，这类的辐射源称为朗伯辐射源。
其主要的性质（1）亮度不随辐射角变化（2）其单位表面积向空间规定方向单位里提交内发射（或反射）的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角α的余弦成正比（3）辐射亮度与辐射出射度的关系。
