光电检测技术B.doc

.一、 填空（每空1分，共20分）1. 一光电材料的电子逸出功为W，使其产生光电子发射的入射光的最低频率min=W/h，若入射光的波长为，则发射的光电子的最大动能Emax=hc/-W。2. 与光电二极管相比，光电三极管的输出光电流较大，线性较差，响应时间较长。3. 常用的弱光信号检测技术包括锁相放大、取样积分和光子计数技术。4. 半导体对光的吸收可分为本征吸收，杂质吸收和自由载流子吸收。5. 光电测量的核心是光学变换和光电转换。6. 按折射率不同，光纤可分为阶跃型和梯度型两种。7. 光电效应主要包括外光电效应和内光电效应。8. 常用的视频信号的二值化处理方法包括固定阈值法、浮动阈值法和微分法。二、 简答（每题5分，共10分）1.简述光电检测技术的主要特点。答：（1） 高精度从地球到月球激光测距的精度达到1米。（2） 高速度光速是最快的。（3） 非接触式检测不改变被测物体性质的条件下进行测量。（4） 远距离、大量程遥控、遥测和遥感。（5） 寿命长光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。（6） 数字化和智能化强的信息处理、运算和控制能力。2.简述激光器的组成，及激光的特性。答：激光器一般由工作物质、泵浦源、谐振腔组成。激光的基本特性如下：（1） 强度高（2） 单色性好（3） 方向性好（4） 相干性好三、 计算（共70分）1已知CdS光敏电阻的暗电阻Rd=5M，在照度E为200lx时亮电阻R=5k，用此光敏电阻控制继电器J，电源电动势为10V，如图1所示，若继电器的线圈电阻为4 k，继电器的吸合电流为2mA，问：（1）照度E至少为多少才能使继电器吸合？（2）如果需要在2000lx时继电器才能吸合，则电路需如何改进？（10分）10VCdSJ图1解：（1）暗电导Gd= 1/Rd=0.2S照度E=200lx时，亮电导Gl=1/R=1/5×103=0.2mS，故光电导灵敏度Sg=(Gl-Gd)/E=1S/lx继电器吸合时，光敏电阻R=1×103，则电导G=1/1×103=1 mS故，所需照度E=（G-Gd）/Sg=1000lx（2）设需要串联的电阻大小为Rx当照度E=2000lx时，光敏电阻的电导为G=Gd+E×Sg=2000.2S，即电阻R=1/2000.2×10-6=0.5 k则，Rx=50002有一光电二极管的电流灵敏度SI=0.4µA/µW，结间电导G=0.004µS，转折电压UM=5V，输入光通量=（8+4sint）µW，其输入电路的电源电压Ub=40V，直流偏置电阻为Rb，负载为电阻RL，求：（1）要使负载RL功率最大，Rb和RL应为多少？ （2）负载RL的峰值电压ULm、峰值电流ILm和有效功率PL? （15分）解：3有一光电检测输入电路的负载电阻RL=100K，电路通频带f=100KHz，试计算：（1）室温（300K）工作时，负载电阻RL上的热噪声电压UT（玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K）？（2）若要使热噪声电压UT不超过0.2µV，热噪声等效带宽fe应为多少？（3）需并联多大的电容？（4）该输入电路的时间常数和上限截至频率f上？（13分）解：（1） UT=(4kTRLf)1/2=1.29×10-10（105×105）1/2=12.9µV（2）fe= UT2/(4kTRL)=(0.2×10-6)2/(1.6×10-20×105)=25Hz(3)C=1/(4RLfe)=1/(4×105×25)=0.1µF(4) =RLC=0.01sf上=1/(2)=1/(6.28×10-2)=15.9Hz4有一光脉冲序列的幅度m=10-3lm、持续时间tu=10-4s、重复周期Tu=5×10-3s，若光电检测电路的电压灵敏度Sv=12V/lm，试求：（1）当电路时间常数1=10-5s时，输出电压的形式和幅度Ulm1？（2）当电路时间常数2=10-1s时，输出电压的形式和幅度Ulm2？（12分）解：（1）1<<tu， 输出信号能再现输入光信号的形状，为脉冲信号。电压幅度Ulm1=Sv×m=12mV。（2）2>>tu， 输出信号不能再现输入光信号的形状，只能是检测信号的平均值，为直流信号。电压幅度Ulm2=Sv×m×tu/Tu=240µV。5一光照度计如图2所示，已知光电池2CR21的电流灵敏度SI=10nA/lx·mm2，光敏面积Ad=20mm2，放大器为理想运算放大器。若用量程为10V的电压表作照度指示，试计算照度E分级为1000lx、100lx、10lx三档下的反馈电阻R1，R2，R3的大小？（10分）_+2CR21ARVR2R3R1图2解：光电流Ip通过反馈电阻Rf作负载，于是有UL =RfIp=Rf×SI=Rf×SIE对1000lx档：有10V= R1×10nA/lx·mm2×20mm2×1000lxR1=50K；100lx档：有10V= （R1+ R2）×10nA/lx·mm2×20mm2×100lxR1+ R2=500K，故R2=500- 50=450 K；10lx三档下：有10V= （R1+ R2+ R3）×10nA/lx·mm2×20mm2×10lxR1+ R2+ R3=5M，故R2=5-0.5= 4.5M；6 有一硅光电二极管，其光敏面积Ad为9mm2，在室温下测得输出光电流Ip为10A。若其灵敏度SI=1A/ W，噪声电流In为2nA，系统带宽f=100Hz，求其噪声等效功率NEP和比探测率D *？（12分）解： 信噪比光功率P=Ip/ SI=10W噪声等效功率NEP=P/SNR=0.4×10-12 W探测率D=1/NEP=2.5×1012 W-1归一化探测率D*=D·（Ad·f）1/2=75×1012 cmHz1/2W-1精选范本