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光电检测技术与应用课后答案第1章1、举例说明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。
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一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。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（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，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。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
思索题及其答案习题01一、填空题1.一般把对应于真空中波长在（0.38 ）到（0.78 ）范围内旳电磁辐射称为光辐射。
2、在光学中, 用来定量地描述辐射能强度旳量有两类, 一类是（辐射度学量）, 另一类是(光度学量)。
3、光具有波粒二象性, 既是（电磁波）, 又是（光子流）。
光旳传播过程中重要体现为（波动性）, 但当光与物质之间发生能量互换时就突出地显示出光旳（粒子性）。
二、概念题1.视见函数: 国际照明委员会（CIE）根据对许多人旳大量观测成果, 用平均值旳措施, 确定了人眼对多种波长旳光旳平均相对敏捷度, 称为“原则光度观测者”旳光谱光视效率V(λ),或称视见函数。
2.辐射通量: 辐射通量又称辐射功率, 是辐射能旳时间变化率, 单位为瓦(1W=1J/s), 是单位时间内发射、传播或接受旳辐射能。
3、辐射亮度: 由辐射表面定向发射旳旳辐射强度, 除于该面元在垂直于该方向旳平面上旳正投影面积。
单位为 (瓦每球面度平方米) 。
4、辐射强度：辐射强度定义为从一种点光源发出旳, 在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出旳能量, 单位为W／sr(瓦每球面度)。
三、简答题辐射照度和辐射出射度旳区别是什么？答: 辐射照度和辐射出射度旳单位相似, 其区别仅在于前者是描述辐射接受面所接受旳辐射特性, 而后者则为描述扩展辐射源向外发射旳辐射特性。
四、计算及证明题证明点光源照度旳距离平方反比定律, 两个相距10倍旳相似探测器上旳照度相差多少倍？ 答:2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()122222222211221211001001010E E L IE L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴== 又的距离为第二个探测器到点光源，源的距离为设第一个探测器到点光 习题02一、填空题1.物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。
课程编号：ME3321286 课稈名称：光电检测技术学分/学时：2/32+实验适用专业：测控技术与仪器专业《光电检测技术》教学大纲英文名称：Optic-electronic detection technology课稈性质：选修课，建议开设学期：6先修课程：大学物理、电路、传感器、电了测量、电了测量技术、传感器与信号调理开课单位：机电工稈学院测控与仪器系一、课程的教学目标与任务木课稈是测控专业学生的一门技术基础课。
光电技术是将传统的光学技术与现代微电了技术、计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术，它已渗透到许多科学领域，并得到迅猛的发展。
光电技术是一门综合性的学科，是现代科学的重要组成部分。
由它产生的一门重要技术：光电检测技术是现代测量技术屮的一个重要组成部分。
特别是近年来，各种新型光电探测器件的出现，要求学测控专业的人才必须掌握这门课程。
二、课程具体内容及基本要求（一）光电信息技术（3学时）1.基木要求：了解信息与光电信息技术，光电信息技术与光电检测技术的关系，典型的光电测试系统，以及光电测试技术的发展及其特点。
强调：“重要的不是获取知识，而是发展思维能力”。
（二）光电检测技术基础（4学时）1.基本要求：掌握光度学的基本物理量和基木定律，光辐射在空气屮传播的基本概念; 了解和掌握光源的基木参数；了解光电系统中的常用光源：热辐射光源、气体放电光源、半导体发光器件及激光光源等的原理、特性及其对光电检测的影响。
2.重点和难点重点：光度学中各物理量的基木概念和基木定律。
难点：如何根据光电检测的实际要求，合理选用适当的光源。
（三）光电检测器件（6学时）1.基木要求：了解光电管；光电倍增管；光敏电阻；光敏二极管；光敏三极管；光电耦合器；光电池；位敏传感器；热释电；热电偶；光栅尺；光电编码器等光电传感器。
2.重点和难点重点光电探测器是光电探测系统的硬件支撑难点原理（四）光电探测系统的信噪比（4学时）1.基木要求：了解光电测试系统的精度与信噪比的关系，噪声的来源与分类，噪声的抑制。
/,(1t )e n N e ητλ∇=--代入（1-83），并对其求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为/2,(1t )g e dgq S d hcl e λτμλ-==-∅，由此可知时间t 响应越长，灵敏度越高。
解：在微弱信号的辐射下， 将式（1-80）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？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。
间常数不相同。
在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。
其材料性质已经一样，只是决定了的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子浓度和热生电子浓度各异，决定了值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决定热生电子浓度不同，同样也决定了值不同。
由（1-85）和（1-88）推出光电灵敏度不相解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时同，由（2-5）和（2-11）推出其时间常数不相同。
3 设某只CdS 光敏电阻的最大功耗为30mW ，光电导灵敏度S g =0.5⨯10-6S /lx ，暗电导g 0=0。
试求当CdS 光敏电阻上的偏置电压为20V 时的极限照度。
最大照度2(2P ()g gI PE US U S ==2=22500 lx最小照度2P gI PE US U S ===150 lxI p g US E r 得解：由式（2-1）应如何调整电阻器R ？4 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5K Ω，继电器的吸合电流为2mA ，电阻R =1K Ω。
求为使继电器吸合所需要的照度。
要使继电器在3lx 时吸合，问第三章 光电导器件光电探测技术与应用 主编：郝晓剑 李仰军 国防工业出版社*1000=208 V 由2()PgIE US == 369.8 lxU C r I p g US E 得，在光照度在3lx 时，入射辐射很弱，r=1，由Pg S E==220—0.002*（5+R ）*1000，推出R=820Ω，故应将R 值调到820Ω。
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答：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？P15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）光生伏效应中，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、P17第3章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。
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？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？答：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。
光电检测技术与应用课后答案第1章1、举例说明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？P112.2.1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？P154、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？损坏，即无论怎么调整电阻R，都不会使继电器吸合。
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。
