《光电检测技术题库》Word格式文档下载.docx

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25.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和

等。

26.使用莫尔条纹法进行位移-数字量变换有两个优点，分别是

27.电荷耦合器件（CCD的基本功能是和。

28.光电成像器件的输出物理量与对应的输入物理量的比值关系常用转换特性来表示，不同

的光电成像器件往往用不同的参量来描述其转换特性，像管通常使用转换系数，像增强管常

使用，摄像器件采用。

29.几何中心检测法进行光学目标的形位检测主要的处理方法有差分法、调制法、补偿法和

跟踪法等，这些方法的主要依据是。

亮度中心检测法主要的处理方法有光学

像分解和多象限检测等，这些方法的主要依据是。

30.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

31.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。

32.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。

33.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。

34.发光二极管的峰值波长是由决定的。

35.光电成像器件的分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力，分辨率常用二种方

式来描述，一种为，另一种为。

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.空穴：

8.居里温度：

9.热敏电阻：

10.光电效应

11.量子效率

12.分辨率

13.二次调制

14.二值化处理

15.光电检测技术

16.响应时间

17.热电偶

18.亮度中心检测法

三、判断正误

1.对于PMT器件，使用时必须选用线性好、响应快的器件。

但仅能工作在可见光区，在红外

区和紫外区的光信号则无法使用。

（）

2.热电偶是一种热敏元件，使用时必须加外电源才能正常工作。

3.直线性光电导的弛豫时间与光强有关。

4.发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。

（）

5.热噪声不仅与温度成正比，还与频率有关。

6.热电检测器件是将辐射能直接转换为电能的器件。

7.探测器探测极限是由探测器材料的性质决定的。

8.光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于倍增级材料的性质。

9.由于频率和相位调制都表现为总相角的变化，因此统称为角度调制。

10.光敏电阻具有前历效应，因此其响应频率较高。

11.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。

12.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。

13.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。

14.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。

15.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。

（）

16.光敏电阻是光电导效应器件。

17.CCD驱动信号中三相与两相的电极结构是一样的。

18.CCD器件按像敏元的排列形式可以分为一维和二维两种。

19.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。

20.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•用图示的方法简述CCD的电荷转移过程。

4．简述光电检测电路设计依据及其设计要求。

5.什么是二次调制，二次调制的具有哪些作用

6•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

7•简述变像管和像增强管的工作原理及区别

8.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

9.简述光电池与光电二极管的相同点和区别。

10.简述光电检测电路的组成及各部分的作用。

11.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

11.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

12.简述像点轴外偏移检测的像偏移法测位移的工作原理.

13.雪崩光敏二极管和光电倍增管的异同

14.帧转移型面阵CCD的组成及工作过程

15.简单画出光电成像系统的原理方框图

16.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

17.画图说明用4象限光生伏特器件检测均匀光斑中心二维偏移量的检测方法。

18.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。

19.CMOS图像传感器与CCD图像传感器的主要区别是什么

20.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

21.单元光电信号的二值化处理方法有哪些，其各自有何特点

22.激光扫描系统的组成及测量原理

23.光栅莫尔条纹的产生原理及在位移测量中的作用和特点

24.光电导效应、光生伏特效应和光电发射效应有什么区别

25.简述光电倍增管的工作原理

26.为什么说受激辐射和分布反转是激光产生的必要条件

27.图示分析三相CCD勺电荷耦合过程

28.分析如何使用微分法进行光电信号的二值化处理，并给出原理框图

五、分析题

1.简述差动法双通道测量系统勺工作原理，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勺异同点。

3.分析热释电探测器勺工作原理，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勺测量。

5.如何使用激光扫描测量勺方式实现圆柱体直径勺测量

6.试说明脉冲法激光测距仪勺组成及工作原理，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

8.设计一直线度检测系统，画出简图，并叙述其工作原理。

9.使用相位法进行距离勺测量，画出简图，并说明系统测距原理。

六、设计题

1.某造纸厂生产勺纸张为宽1米勺长条状，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。

（a）浮动阈值二值化电路（b）裁纸机

2.利用激光扫描测量法设计回转体直径检测系统，画出典型激光扫描检测系统原理图，说明检测原理、使用勺器件和测量数学模型。

3.试说明脉冲法激光测距仪和相位法激光测距仪勺测距原理，并选用适当勺方法精确测量出

两座建筑物之间的距离L,要求△L~±

5cm,绘制相应的原理框图，并简述其工作原理。

4.根据实验课内容，试设计基于CCD器件的钢棒直径测量系统

5.运用所学知识，设计一套激光监听装置，要求在10米外用激光器照射房间玻璃，监听房

间内谈话内容。

《光电检测》题库答案

、填空题

2.灵敏度弛豫时间光谱响应

5.倍增极和阳极

6.光电转换光电流放大

7.电荷的存储电荷的转移

11.非平衡载流子的复合大致可以分为自由电子与自由空穴直接复合和通过复合

接复合。

高的是价电子填满的能带,称为价带。

价带以上的能带基本是空的，其中最低的能带常称为

导带，价带与导带之间的区域称为禁带_

13.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有电子，_

价带中没有空穴，所以不能导电。

14.载流子的运动有两种型式，扩散运动和漂移运动。

15.发光二极管发出光的颜色是由材料的禁带宽度决定的。

16.光电检测电路一般情况下由光电器件、输入电路、前置放大器组成。

17.光电效应分为内光电效应和外光电效应，其中内光电效应包括光电导效应和

生伏特效应，光敏电阻属于光电导效应效应。

18•本征吸收杂质吸收

19.二次发射倍增系统阴极光电阴极

20.峰值波长半宽度

21.电压放大型电流放大型阻抗变换型

22.位移的放大作用误差的平均效应

23.电荷的存储电荷的转移

24.像分析象限分割

25.亮度增益灵敏度

30.增量式编码器、绝对式编码器

31.上限截止频率

32.光电耦合器件

33._零

34.禁带宽度

、名词解释

温下，将束缚态中的电子激发到导带而使导带中的电子远多于价带中的空穴,子导电的半导体称为N型半导体。

在载流子浓度不均匀情况下，载流子无规则热运动的自然结果,

般将载流子由热运动造成的从高浓度处向低浓度处迁移的运动称为扩散运动。

是把光能转变为电能的一种效应，它是光照射不均匀半导体或均匀半导体中，光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。

光敏物质吸收光子后，电子从基态激发到高能态而脱离原子核的束缚，在

外电场使用下参与导电的现象。

10.光电效应：

当光照射到物体上使物体发射电子或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照引起物体电学特性的改变称为光电效应。

11.量子效率：

在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。

12.分辨率：

用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。

13.二次调制：

将载波随时间/空间变化，形成多变量载波信号，然后再使其特征参量随被测信息改变的方法称作二次调制。

14.二值化处理：

将光电信号转换成0、1数字量的过程称为光电信号的二值化处理。

15.光电检测技术：

是一种非接触测量的高新技术。

它以激光、红外、光纤等现代光电器件

为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射

并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经A/D转换输入计算

机进行运算处理，最后显示或打印输出。

16.响应时间：

描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数，即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的数值所需的时间称为响应时间。

17.热电偶是一种热敏元件，在接收辐射后引起温度升高，随之产生温差电势，使用时不外加电源。

18.亮度中心检测法：

通过测量目标物空间的亮度分布相对应的像空间照度分布，确定目标能

量中心位置的方法称作亮度中心检测法

11.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。

（X）

（X）

（V）

（X）

（V）

（V）

（X）

（V）

1.光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，响应波长有选择性，相应快；

热电检测器件是将辐射能转换成热能，再将热能转换成电能的器件。

响应波长无选择性，相应慢。

2.相同点：

均为光生伏特器件；

不同点：

光电二极管PN结面积小于光电池；

光电池无需偏压，光敏二极管一般在负偏压的情况下使用。

4.灵敏的光电转换能力

快速的动态响应能力

最佳的信号检测能力长期工作的稳定性和可靠性

6．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

答：

i层为高阻区，承受大部分外加电压，使耗尽区增大，展宽了光电转换的有效工作区域；

提高了灵敏度；

i层一般选择高电阻率的基体材料，提高了串联电阻，提高了击穿电压；

提高了频率响应。

7．简述变像管和像增强管的工作原理及区别工作原理：

都是光电阴极接收辐射，将光学图像转换为电子数密度图像，加有正高压的阳

极起到了电子透镜的作用，使阴极发出的电子聚焦成像在荧光屏上，最终得到目标物的图

像。

区别是：

变像管是将不可见图像转换为可见图像的器件，而像增强管是把强度低于视觉阈

值的图像增强到可以观察程度的光电成像器件。

载流子无规则的热运动造成的噪声称为热噪声。

当温度高于绝对零度时，导体

或半导体中每一电子都携带着1.591019C的电量作随机运动，尽管其平均值为零，但

瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。

其平均值为：

2

当T0时，Unt0

而且，光电探测器件绝大多数都是半导体材料，受温度影响很大。

综上所述，当探

测器件在对微弱的信号探测时，为了减少温度的影响，放入液氮中使用，是非常行之有

效的办法。

相同点：

光敏二极管和光电池都是利用入射光照射到P-N结上产生光生伏特效应的器件；

光电池结面积较大而光电二极管的结面积较小，光电池不需要加偏置电压而光

电二极管需要通过施加负偏压提高灵敏度。

答:

光电检测电路由光电器件、输入电路和前置放大器组成。

光电器件把被测光信号转换成

相应的电信号，而输入电路则是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时

完成和前置放大器的电路匹配。

光电器件输出的微弱电信号由前置放大器进行放大，前置放

大器另一作用是匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。

11.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

电桥电路如图下所示，其中，Rt1和Rt2的其暗电阻分别为Ro1和R02,并且有R1R2R,

R01R02R0与RR01R1关系存在。

当无外来辐射照射时，调节补偿电阻R2，使电桥平衡。

此时&

1只2&

2尺，电桥输

出U。

0。

当有辐射作用于热敏电阻Rt1上时，升温T引起电阻的变化为

RT1R01R，此时平衡被破坏，开路输出电压为：

又由给出的已知条件，上式可以化简为：

可见输出电压与R成比例，并与负载电阻R有关。

11.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

命越快，迁移率越大，电极间距越小灵敏度越高。

（2分）

做成蛇形使电极间距1变小，提高了光敏电阻的灵敏度。

微弱的光照下，光电导和光强之间是直线性光电导关系。

（1分）

12.简述像点轴外偏移检测的像偏移法测位移的工作原理

当将光束照射到被测物体时.用成像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过三

角测量关系可以计算出物面的轴向偏移。

激光器发出的光线，经汇聚透镜聚焦后垂直入射

到被测物体表面上。

物体移动或其表面的变化入射点沿光轴方向移动。

入射点处的散射光

径接收透镜入射到（CCD或PSD光电探测器上。

被测表面偏移Z时，照明光点从°

1移

算出待测的物面轴

13.光电倍增管由光入子光学系统、倍增极、光电阴极产生电子发场和电子光学系统的增极上，经N级倍增次，最后最阳极收集。

速、精密微光测量的场

是基于内增益机理，当所加的反向偏压足够大时，在结区产生

一个很高的电场，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。

14.该器件由相同像素数量的成像部分、存储部分和读出寄存器三个基本部分组成。

场正程期间（18.4ms）图像的二维信号电荷被积累在成像区；

场逆程期间（1.6ms）通过加

在成像区和存储区电极上的时钟脉冲使成像区的整场信号电荷快速转移到存储区；

下一个场

正程期间，成像区积累光生电荷生成下一场电像，存储区所存的上一场图像信号电荷在时钟

脉冲作用下，在行逆程期间（12微秒）将一行光生电荷送进读出寄存器，从而使存储区内各行光生电荷向读出寄存器方向进一次；

在行正程期间，在读出寄存器脉冲的驱动下，使

行信号电荷向输出结构依次转移，经输出极输出。

愷喙部分

■■

传送-

—同步扫描

—-视频解调一

*再现

■

显槪記分

此喟呢像系统原屋S框週

16.微弱辐射作用下，输出光电流与输入辐射通量具有线性关系；

辐射增强，呈抛物线光电导。

18.PSD对入射到光敏面上的光位置敏感，对光斑的形状没有严格要求，光敏面无需分割可以连续测量光斑在光敏面上的位置变化。

19.CCD以电荷耦合为基本特征，围绕信号的产生、存储、转移和读取来工作，以行为单位对信号进行读取。

CMOS的信号读取方式相对灵活，既可以以移位寄存器的形式以行为单位读取信号，也可以只输出某一行或某一列的信号，还可以输出某些点的信号。

20.斩光器的主要作用是将恒定的辐射变为交变辐射作用在热释电器件上，当输入辐射恒定，

而斩光器微电机不转或

转速变慢时，输出信号为零或很小。

21.固定阈值法：

当输入光电信号高于固定电位Uth时，比较器输出高电平，即为1;

否则输出低电平。

该电路简单可靠，但受光源的不稳定影响较大，需要稳定光源。

浮动阈值法：

阈值电压为从光源分得一部分光加到光电二极管上，光电二极管在适当偏压下

输出与光源的发光度成线性变化的电压信号，以此信号作阈值，即可得到随发光强度浮动的

阈值Uth。

将Uth加到比较器的反向输入端，将检测信号的输出加到电压比较器的同向输入端，在输出端得到的信号为随发光强度浮动的二值化信号，当被测信号高于阈值时输出高电

平。

浮动阈值法避免了光电检测系统的精度受光源的稳定性的影响。

22.系统组成：

激光器、扫描阵镜、f透镜、物镜、接收器件

23.两个光栅以一定角度相互重叠，产生的明暗交错的条纹就是光栅莫尔条纹。

光栅莫尔条纹具有位移放大作用、位移对应关系和误差平均效应。

五、分析题

1.答：

差动法双通道测量系统工作原理：

光源发出的光借助于反射镜和透镜分

别沿着基准通道和测量通道并行传送，在基准通道放置具有已知透过率的标准样

品，出射光经检测器件1接收作为参考信号，在测量通道放置待测样品，出射光

经检测器件2接收并与参考信号比较处理，从而得到测量结果。

与单通道相比，双通道测量系统能够消除由于光源波动和温度变化带来的影响。

2.答：

（1）增量式编码器图案均匀，光信号脉冲一样，可把任意位置作为基准点，从该点起将位移或转角按一定的量化单位检测，计量脉冲数即可折算成位移或转角。

零点可以任意

予置，测量范围仅受计数器容量限制而与光学器件无关。

没有确定的测量点，断电则丢失当

前位置，噪声的影响造成计数误差会逐渐积累，无法输出绝对位置信息。

（2）绝对式编码器图案不均匀，光信号脉冲不一样，它是在可运动的光学元件的各位置

坐标上刻制出表示相应坐标的代码形式的绝对地址，在元件运动过程中读取这些代码实现实

时测量坐标的变化。

坐标固定，与测量前的状态无关，不需要运动时的位置重合；

抗干扰能

力强，无误差累积；

切断电源信号消失，但通电后能恢复原状态；

信号并行传送，不需要方向判别和可逆计数等。

可将任意位置取作零点时需进行一定的运算。

（3分）

3•工作原理：

用交变的入射辐射照射热释电晶体，使得晶体的温度、晶体的自发计划以及由此因此的面束缚电荷均随入射辐射的频率变化而变化，如果频率较大，体内电荷来不及中和，

结果就使得晶体在与极轴垂直的两端面间出现开路交流电压。

如果接上相应负载，就会在负

载的两端产生交流信号电压。

热释电器件的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度降低，升高到一定温度，自发极化

就突然消失，这个温度称为“居里温度”。

在居里点以下，极化强度是温度的函数，热释电

探测器件就是利用这点制造出的热敏类探测器。

即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激光器、光束准直系统和光电接收及处理电路组成。

激光

器可采用氦氖激光器，激光器、接收器选用四象限光电池，固定在靶标上，两者分别放置于炮口和炮尾。

将激光束的强度中心作为直线基准，调整使其对准四象限光电池的检测中心,移动靶标，探测器件输出信号，信号处理后输入到记录器上记录不直度曲线。

5.

激光光束入射到以固定角速度旋转的转镜反射面上，反射光束经反射光学系统变成平行于光轴的扫描光束，再通过接收光学系统被光电传感器接收。

接收器采集到这种光强调制信号后，经光电转换系统变成电信号，由微机实时数据处理，便可得到工件被测部位的直径测量