光电技术及应用习题答案.docx
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1、1 章习题答案1 什么是人眼的视见函数,明适应和暗适应分别是什么意思?答:由于光度测量依靠于人的视觉器官的生理特性,为了统一评价标准,引入了视见函数、也称光谱 光视效率的概念。明适应是指正常人眼对亮度水平在几坎德拉每平方米以上的适应状态,处于明适应条件 卞的视觉叫明视觉。正常人眼所适应的亮度水平在百分之几坎德拉每平方米以下的视觉叫暗视觉。2. 试简述辐射量和光度量的区分。答:对电磁辐射能量进展客观计量的学科称辐射度学,与之测量相关的物理量即为辐射量;考虑到人 眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学;与之测量相关的即为光度量。3. 试表达光度量中几个光学量之间的关系。答:几个光学量之间的关系可以
2、如图 13 所示:4什么是外光电效应?其代表器件是什么?答:在光的作用下,”金属或半导体材料中的电子吸取足够高的光子能量,逸出物体外表对外放射的现 彖叫做外光电效应,也叫光电放射效应。它是真空光电器件光电阴极工作的物理根底。其代表器件是真空 光电管,或倍增光电管。5什么是光生伏特效应?光伏器件有哪些,试表达其各自的应用场合。答:光生伏特效应是基于半导体 PN 结根底上的一种将光能转换成电能的效应。 光伏器件有光电二极管、光电三极管、硅光电池等等。6. 简述光源的分类。答:光源可以分为自然自然光源和人造光源。人造光源又可以分为物理光源和电光源。物理光源 主要是从人工取火开头,到后来的油灯、蜡烛等
3、。而 1879 年爱迪生制造的白炽灯则开启了电光源的时代。 光源的分类如图 1J1 所示。光源心物理光源油灯、蜡烛3人造光源已 热辐射型白炽灯、卤铛灯3气体就:电型汞灯、钠灯、金卤灯,等 光致发光型荧光灯 2电致发光型LED、LD a7. 试比较气体发光型光源和热辐射型光源的不同和一样之处。答:两者的不同之处在于:气体放电光源是利用气体放电的发光原理制成的,如高压汞灯、高压钠灯、 金属卤化物灯等。热辐射光源是发光物体在热平衡状态下,使热能转变为光能的光源,如白炽灯,卤钩灯 等。一样之处在于两者都是非相干光源,发出的为非相干光,但是都为连续的光谱。38激光有哪些特点?激光器的根本构造如何?答:激
4、光的特点:单色性好,相干性好,方向性好,亮度高。激光器至少包括以卞三个局部:工作物质,泵浦源,光学谐振腔。9. 试表达 LED 和 LD 在构造上的差异,以及各自特性的差异。答:LED 与 LD 的根本区分在于:LED 没有谐振腔,它的发光是基于自发辐射,发出的是荧光,是非 相干光;而 LD 的发光基于受激辐射,发出的是相干光一一激光。10. 简述半导体激光器的最进展查阅资料。答:略。11. 简述白光 LED 的最进展查阅资料。答:略。2 章习题答案1. 简述真空光电管的和光电倍增管的区分。答:两者都是基于光电放射效应而工作的一种光电探测器,主要是能将微弱的光信号转换成可测电信 号的光电转换器
5、件。真空光电管主要由光电阴极和阳极两局部组成,内部为真空。光电倍增管是一种基于二次电子放射效应的电子真空器件,它主要由光电放射阴极光阴极和聚焦 电极、电子倍增极和电子收集极阳极等组成。相比于一般真空管,它具有极高的灵敏度和超快的时间 响应。2. 简述光电倍增管的工作原理,如何实现电压倍增。答:倍增管内除光电阴极和阳极外,两极间还放置多个倍增电极。使用时相邻两倍增电极间均加有电 压用来加速电子。光电阴极受光照后释放出光电子,在电场作用下射向第一倍增电极,引起电子的二次发 射,激发出更多的电子,然后在电场作用下飞向下一个倍增电极,又激发出更多的电子。如此电子数不断 倍增,阳极最终收集到的电子可增加
6、 104 108 倍。3. 简述光电倍增管技术的最进展查阅资料 答:略。4图2-21 所示的系统框图为单光子计数法的系统图,请分析它的工作过程。脉冲信号压比较爲赫放大签光阴极打拿极阳祓图 2-21 单光子计数法的系统图工作过程:光子检测装置的核心是光电倍增管,其各电极之间均加有规定值较高的直流电压。当光子 打到光阴极时,由于光电效应的作用,其外表可以产生能量微弱的游离电子,称为光电子;该电子在直流 高压产生的电场作用下离开光阴极,同时被加速,再次打到打拿极上并产生出能量更大数量更多的光电子, 就这样经过多个打拿极的反复放人,最终使阳极产生电脉冲信号,该信号经前置放大器放人,在经比较器 去除噪声
7、信号,最终由分频器换算出光子脉冲数。3 章习题答案1. 简述光敏电阻的工作原理。答:光敏电阻的工作原理是基于内光电效应的光电导效应。在黑暗环境里,它的电阻值很高,当受到 光照时,只要光子能量人于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸取一个光子的能量后可跃迁到导带, 并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子一空穴对了半导体材料中载流子的数目,使 其电阻率变小, 从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强,阻值愈低。入射光消逝后,由光子激发产生的电子一空穴对将复合,光敏电阻的阻值也就恢复原值。2. 如何检测光敏电阻的质量。答:1用一黑纸片将光敏电阻的透光窗 II 遮住,此时万用表的指针根本保
8、持不动,阻值接近无穷大。 此值越大说明光敏电阻性能越好。假设此值很小或接近为零,说明光敏电阻已烧穿损坏,不能再连续使用。2) 将一光源对准光敏电阻的透光窗 I I,此时万用表的指针应有较人幅度的摇摆,阻值明显减小,此 值越小说明光敏电阻性能越好。假设此值很人甚至无穷人,说明光敏电阻内部开路损坏,也不能再连续使用。3) 将光敏电阻透光窗 II 对准入射光线,用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动,使其连续受光, 此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摇摆。假设万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摇摆, 说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。3. 设计一个简洁的电路验证光敏电阻的光电特性。答:略。4.
9、分析图 3-13 所示的电路的工作过程,并分析该电路可以实现什么功能。图 3-13 光敏电阻电路图答:工作过程:当环境光变暗时,光敏电阻 Rg 阻值变大,VT1 导通,4 章习题答案1. 什么是光生伏特效应?其应用器件有哪些?答:利用半导体 PN 结光生伏特效应制成的器件称为光生伏特器件简称光生伏器件,也称结型光电 器件。这类器件品很多,其中包扌舌各种光电池、光电二极管、光电三极管、光电 PIN 管、雪崩光电二极管、 位置敏感探测器PSD等。2. 简述光电二极管、光电三极管和光电池的区分和联系。答:区分:光电二极管工作在光伏探测器的伏安特性曲线的光电导工作模式;而光电池通常工作在光 伏工作模式
10、;光电三极管也同样工作在光电导模式,但是其受光激发产生的光电流比光电二极管要强一些。联系:三者都是光伏器件,其工作原理都是基于光生伏特效应。3. PIN 和 APD 这两种光电二极管有什么特点?其各自的应用场合是?答:PIN 光电二极管最大特点是频带宽,可达 1 GHz。另一个特点是,由于 I 层很厚,在反偏压下运 用可承受较高的反向电压,线性输出范闱宽。它可用作各种数字与模拟光纤传输系统,各种家电遥控器的 接收管红外波段、UHF 频带小信号开关、中波频带到 1000MHZ 之间电流掌握、可变衰减器、各种通 信设备收发天线的高频功率开关切换和 RF 领域的高速开关等。特别构造的 PIN 二极管
11、还可用于测量紫外 线或射线等。APD 有很高的内增益,可到达几百;当电压等于反向击穿电压时,电流增益可达 106,即产生所谓的 雪崩效应;此外,它响应时间极短,灵敏度很高,可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。4. 请分析如图 4-80 所示的光电二极管电路。图 4-80答:工作原理:该图为一个光电二极管的光开关电路,当环境光照很弱时,光电二极管的电阻格外大 , 故3DG6 导通,从而 9013 导通,继电器 J 工作;当环境光照较强时,光电二极管的电阻较小,3DG6 不导 通,9013 截止,从而继电器不工作。5. 光电池的工作原理是什么?
12、光电池有哪些种类?各自的特点是什么?答:光电池是一种在光的照耀下产生电动势的半导体元件,又称光伏电池。由于光电池常常用于把太 阳能直接变成电能,因此又称为太阳能电池。光电池发电的原理主要是基于半导体内光电效应的光生伏特 效应。光电池包括硅光电池、硒光电池、错光电池、硅光电池、和硫化镉、砂化稼、碘化锢光电池等,主要用于仪表,自动化遥测和遥控等方面。6. 请分析如图 4 81 所示的“硅光电池电唱鸟”电路,图中 L 可用收音机的输入变压器初级线圈代替,次 级不用。4图 481 硅光电池的电唱鸟电路答:当硅光电池受到光照时,集聚光能,且把其转化成电能,闭合开光 K 时,R、L、C 组成振荡电 路,发
13、出如鸟叫的声音。7如何检测光电三极管的好坏以及检测光电三极管的三个或两个管脚。答:测电阻法:检测时首先选一块黑布遮住起接收窗II,将万用表置 R*1K 挡,两表笔任意接两管脚, 测得结果其表针都不动电阻无穷人o 移去遮光布或改为白炽灯光照,万用表指针向右偏转至十几千欧 几T欧, 其向右偏转角度越人说明其灵敏度越高,此时,万用表照表笔所接为集电极c,红表笔所接为发 射极 e;而此时假设万用表指针微动变化不大,则黑表笔所接为发电极“红表笔所接为集电极 c。8. 请分析图 482 所示的光电三极管电路。图 4- 82 光电三极管电路答:这是一个检测遥控器好坏的电路图,电路原理:由IC、R3 和 R4
14、、C1 组成一个音频振荡器,其 振荡频率由公式 1.443 / R3+R4JC1 进展估算。该电路音频设置在 580Hz 左右。光敏三极管 VT1 没有受 到光的作用时, 其内部电阻很人,使得 VT2 截止,且 IC 的复位端 4 脚为低电平而处于主复位状态,3 脚 为低电平,故使电路不发出声光信号。当按下被测红外线遥控放射器的任意一个遥控键时,其红外脉冲信 号被 VT1 接收,使得VT1 内部电阻很小,相应VT2 导通,IC 的 4 脚为高电平,这时IC 处于音频振荡工 作阶段,则 3 脚输出音频信号,故使压电陶瓷片 E 发出声音,且 LED 被点亮。9. 请阐述一下半导体色敏传感器的工作原
15、理。答:半导体色敏传感器的工作原理:半导体色敏传感器构造中不同的区域对不同波长分别具有不同灵 敏度, 浅结对紫外光有较高灵敏度,深结对红外光有较高的灵敏度,利用不同结深二极管的组合,即可构 成测定波长的半导体色敏传感器。10图483 为一种肌型硅集成三色色敏器件的颜色识别电路方框图,请依据图分析一卜色敏传感器颜色识别工作原理。sawr放人卅irA/DS&K&转换签微处理II2X图 4-83 典型 RGB 颜色识别电路框图答:从标准光源光发出的光,经被测物反射,投射到色敏传感器后,RGB3 个敏感元件输出不同的光 电流。经运算放大器放大、A/D 转换后,将变换后的数字信号输入到微处理器中。测量前
16、应对放人器进展调整,使标准光源发出的光,经标准白板反射后,照到色敏器件上时应满足。11请阐述 PSD 的工作原理。答:PSD 的工作原理:当光束入射到 PSD 器件光敏层上距中心点的距离为 X A 时,在入射位置上产生 与入射辐射成正比的信号电荷,此电荷形成的光电流通过电阻 p 型层分别由电极 1 与 2 输出。当入射光斑 落在器件感光面的不同位置时,PSD 将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理,即可确定入 射光斑在 PSD 的位置。12. 查阅资料,表达 PSD 的最应用状况。答:略13. 光耦的种类有哪些?各有什么用途?答:光耦可分为线性光耦和非线性光耦。线性光耦常用于开关电源
17、中,起隔离作用;非线性光耦常用 于开关信号的传输,如 4N 系列光耦。14. 分析图 4-84 所示的光电耦合器件构成的规律门电路。图 4-846答:a图光电耦合器构成了与门运算,b图光电耦合器构成了或门运算,c图光电耦合器构成了与非门运算,d光电耦合器图构成了或非门运算。15. 试分析图 4-85,该电路可以实现什么功能?负戦+L输入乙匕大功率双 向可控硅图 4-85230V答:该电路可以实现光电隔离作用。5 章习题答案1. 热敏电阻的分类有哪些?各自的特点是什么? 答:热敏电阻有 PTC、NTC、CTR 三类。PTC 热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体发热陶瓷,超过肯定的温度居里温度
18、时,其电阻 值随着温度的上升呈阶跃性的增高,当外界温度降低,PTC 的电阻值随之减小,发热量反而会相应增加。NTC 是以镒、钻、線和铜等金属氧化物为主要材料,承受陶瓷工艺制造而成的。温度低时,这些氧化 物材料的载流子电子和孔穴数目少,所以其电阻值较高;随着温度的上升,载流子数目增加,所以电 阻值降低。CTR 是临界温度热敏电阻。它具有负电阻突变特性,在某一温度卞,电阻值随温度的增加急剧减小, 具有很大的负温度系数。2. 如何检测热敏电阻。答:检测时,用万用表欧姆档视标称电阻值确定档位,一般为 R“扌当,用鳄鱼夹代替表笔分别夹 住热敏电阻的两引脚测出其实际阻值,并与标称阻值相比照,二者相差在2Q
19、 内即为正常。实际阻值假设与 标称阻值相差过大,则说明其性能不良或已损坏。在常温测试正常的根底上,即可进展其次步测试一加温检测,将一热源例如打火机靠近热敏电阻 对其加热,观看万用表示数,此时如看到万用示数随温度的上升而转变,这说明电阻值在渐渐转变负温 度系数热敏电阻器 NTC 阻值会变小,正温度系数热敏电阻器 PTC 阻值会变人,当阻值转变到肯定数值 时显示数据会渐渐稳定,说明热敏电阻正常,假设阻值无变化,说明其性能变劣,不能连续使用。3. 通过查阅资料,设计一个简洁的热敏电阻的电路。答:略。4. 分析如图 5-26 所示的电机过宠保护电路。图 5-26 电机过宠保护电路答:该电路由 PTC
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