綜合習(xí)題與解答

光電技術(shù)綜合習(xí)題解答

一、選擇最適當(dāng)?shù)奶钊肜ㄌ?hào)中（只填寫其中之一的符號(hào)）

①用光電法測(cè)量某高速轉(zhuǎn)軸（15,000轉(zhuǎn)/分）的轉(zhuǎn)速時(shí)，最好選用（D）為光電接收器件。

A．PMT B．CdS光敏電阻

C．2CR42硅光電池 D．3DU型光電三極管②若要檢測(cè)脈寬為10-7S的光脈沖，應(yīng)選用（A）為光電變換器件。

A．PIN型光電二極管 B．3DU性光電三相管

C．PN結(jié)型光電二級(jí)管 D．2CR11硅光電池 2023最新整理收集do

something③在光電倍增管變換電路中，要想獲得理想的信噪比（壓低噪聲），較小的暗電流，適應(yīng)的靈敏度和較高的穩(wěn)定度，可以適當(dāng)?shù)兀˙）。

A．增加末三級(jí)并聯(lián)電容的容量

B．降壓電源電壓

C．減小末級(jí)倍增極與陽(yáng)極間的電壓

D．增加陰極與第一倍增極間的電阻阻值

④硅光電池在（D）偏置時(shí)，其光電流與入射輻射通量有良好的線性關(guān)系，且動(dòng)態(tài)范圍較大。

A．開路B．自偏置C．零伏偏置D．反向偏置

⑤硅光電池在（B）情況下有最大的功率輸出。

A．開路B．自偏置C．零伏偏置D．反向偏置二、在距離標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2m遠(yuǎn)處放置一個(gè)照度計(jì)探頭，已知探頭的光敏面積為0.5cm2，若照度計(jì)測(cè)得的最大照度為100(lx)，試求

1、標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在該方向的發(fā)光強(qiáng)度為多少？2、所發(fā)出的光通量為多少？3、它所發(fā)出的輻射通量又為多少？解：首先計(jì)算光電探頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈所張的立體角

再計(jì)算光電探頭所接收的光通量

φv=EvS=100×0.5cm2=5.0×10-3(lm)

因而可以計(jì)算出燈在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度Iv

Iv=φv/Ω=5.0×10-3/1.25×10-5=400(cd)三、今測(cè)得某液態(tài)金屬輻射體的光譜輻射峰值波長(zhǎng)λm=0.7245μm，試求該液態(tài)金屬的溫度T、峰值光譜輻射出射度Me，S，λm和總輻射出射度Me各為多少？

燈所發(fā)出的光通量為

燈所發(fā)出的輻射通量為

解：根據(jù)維恩位移定律，有

λm=2898/T

因此得到液態(tài)金屬的溫度T為

T=2898/0.7245=4000(K)四、某輸出功率為6mW的氦氖激光器，發(fā)出波長(zhǎng)為0.6328μm的光束，均勻地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系數(shù)為0.96，設(shè)光速C=3

108m/s，普朗克常數(shù)

h=6.626

10-34j·s，氦氖激光的視見函數(shù)V(6328)=0.268，

再根據(jù)斯忑潘-波爾茲曼定律得到液態(tài)金屬的峰值光譜輻射出射度Me，S，λm和總輻射出射度Me分別為

Me,s,λm=1.309×10-18T5=1.34(Wcm-2nm-1)

Me=σT4=5.67×10-12×40004=1.45×103(W/cm2)試求：（1）幕的光照度為多少lx？（2）幕的反射出射度為多少lx？（3）幕每秒鐘接收多少個(gè)光子？解：先將氦氖激光器輸出單色輻射的輻射功率轉(zhuǎn)換為光通量φvφv=KmV(λ)φe=683×0.268×6×10-3=1.098(lm)白色屏幕上的光照度應(yīng)為

Ev=φv/S=1.098/0.8×10-4=1.37×104(lx)幕的反射光照度為

Evr=rEv=0.96×1.37×104=1.32×104(lx)幕每秒鐘接收的光子為

（個(gè)/秒）五、GDB20的陰極光照靈敏度為60μA/lm，陰極面的有效直徑為15mm，倍增級(jí)數(shù)為11級(jí)，陽(yáng)極光照靈敏度為100A/lm，長(zhǎng)期使用時(shí)陽(yáng)極電流應(yīng)限制在4μA以下。

試問(wèn):

(1)長(zhǎng)期使用時(shí)，光電倍增管陰極面的極限入射光通量為多少？

(2)設(shè)陽(yáng)極電阻為75KΩ，問(wèn)輸出電壓由背景光為0.1mV變化到0.25mV情況下入射光的照度變化為多少lx？

(3)已知GDB20的倍增極為Cs3Sb材料，倍增系數(shù)為δ=0.2(UDD)0.7，試計(jì)算它的供電電源電壓應(yīng)為多少？它的分壓電阻鏈的電阻值應(yīng)為多少？

(4)當(dāng)要求輸出信號(hào)的穩(wěn)定度為0.1%時(shí)，高壓電源電壓的穩(wěn)定度應(yīng)為多少？解：(1)先根據(jù)已知條件求出GDB20的增益G

G=Sa/Sk=100/(60×10-6)=1.67×106∵Ia=φkSkG,∴φkmax=Iam/SkG=(4×10-6)/(60×10-6×1.67×106)=3.99×10-8(lm)(2)設(shè)照度變化引起的輸出電壓變化為ΔUΔU=(0.25-0.1)×10-3=0.15×10-3(V)

陽(yáng)極電流的變化為

ΔIa

=ΔU/Ra=0.15×10-3/75×103=2×10-9(A)

陰極電流的變化為

ΔIk

=ΔIa

/G=1.2×10-9/1.67×106=1.2×10-15(A)

陰極的光通量變化為

Δφvk

=ΔIk

/Sk=1.2×10-15/60×10-6=2×10-11(lm)陰極的光照度變化為

ΔEvk

=Δφvk

/S=Δφvk/(πD2)/4=2×10-11/1.76×10-4=1.13×10-7(lx)(3)它的供電電壓應(yīng)為∵G=δN=(0.2(UDD)0.7)11=1.67×106

由此解出UDD為

UDD=64（V）

Ubb=(N+1.5)UDD=800(V)分壓電阻鏈的電阻Ri為

(N+1.5)Ri≤UDD/IRi六、在如圖所示的電路中，已知Rb=820Ω，Re=3.3kΩ，UW=4V，Ubb=12V；光敏電阻為RP，當(dāng)光照度為30lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為9V。（設(shè)該光敏電阻在30到100lx之間的

值不變）

而IRi應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Iam=10×4×10-6(A)，由此可以選出Ri

Ri=100kΩ;R1=150kΩ(4)由于輸出信號(hào)的穩(wěn)定度的要求為0.1%，供電電壓的穩(wěn)定度應(yīng)高于輸出信號(hào)的穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，供電電壓的穩(wěn)定度應(yīng)為0.01%。

試求：（1）

輸出電壓為8V時(shí)的照度為多少lx？

（2）

輸出電壓在8V時(shí)，變換電路的電壓靈敏度為多少（V/lx）？解：(1)首先看穩(wěn)壓二極管是否工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，bbDWRRRUUbe0穩(wěn)壓二極管工作在穩(wěn)壓區(qū)；

再求流過(guò)恒流偏置的光敏電阻的電流Ip,Ip=Ie=(Uw－Ube)/Re=1(mA)計(jì)算在不同照度下光敏電阻的阻值光照度為30lx時(shí),R1=(Ubb－Uo1)/Ip=6(kΩ);光照度為80lx時(shí),R2=(Ubb－Uo2)/Ip=3(kΩ);光照度為E3時(shí),R3=(Ubb－Uo3)/Ip=4(kΩ);由于且，光敏電阻在30到100lx之間的

值不變

七、已知光電三極管變換電路及其伏安特性曲線如圖所示，入射光照度變化為e=120+80sinωt（lx），為使光電三極管的集電極輸出電壓不小于6V的正弦信號(hào)。試用作圖法求解負(fù)載電阻RL，電源電壓EC，電流靈敏度和電壓靈敏度，并在光電三極管的伏安特性曲線的下方畫出輸出電壓的波形圖。因此，可由求得E3為

lgE3=(

lg3-lg4)/0.7+lg80=1.7246E3=53（lx）

(2)

輸出電壓在8V時(shí)，變換電路的電壓靈敏度為Sv

Sv=ΔU/ΔE=（

Uo3

－Uo2）/（E3

－E2）

=1/27=0.037(V/lx)解：此題可以用“圖解法”解，

(1)6V正弦信號(hào)的雙峰值為Up~p=17（V）

(2)

RL=ΔU/ΔI=42.5(kΩ),取RL=43(kΩ)；

八、已知RL2048DKQ[像敏單元為26(H)×13(L)μm2]在250~580(nm)波段的光照靈敏度SV=4.5V/(μJcm-2)。若用它為探測(cè)器，并用16位A/D(ADC700輸入電壓范圍為10V)轉(zhuǎn)換器采集被測(cè)光譜，測(cè)得幅度為43200，中心位于1252像元。若積分時(shí)間為0.1s，背景為2100。當(dāng)儀器被2條已知譜線標(biāo)定(一條譜線為260nm，中心在280像元上，另一條為400nm，中心在2500像元)。

（3）由圖可以確定電源電壓EC應(yīng)大于（5+17）V；故取為EC=24V的標(biāo)稱電源電壓。

（4）由圖可知電路的電壓靈敏度Sv為

Sv=ΔU/ΔE=－0.106(V/lx)

而電路的電壓靈敏度SI為

SI=ΔI/ΔE=2.5(μA/lx)試計(jì)算：1、該光譜的輻射出射度為多少W/(cm-2nm)？

2、譜線的中心波長(zhǎng)為多少nm？

解：1、該光譜的輻射出射度由輸出信號(hào)的數(shù)字幅度43200與器件的光照靈敏度SV=4.5V/(μJcm-2)決定

Me,λ=Uo/SVTc=10×[(43200－2100)/(216－1)]×4.5×10-6/0.1

=0.282×10-3W/(cm-2nm)2、譜線的中心波長(zhǎng)的計(jì)算單位像元表征的波長(zhǎng)為

l=Δl/Δn=(400－260)/(2500－280)=0.063(nm)

被測(cè)光譜距第1條標(biāo)定譜線的距離為

Δl=(1252－280)×0.063=61.24(nm)

故，被測(cè)光譜的的中心波長(zhǎng)λ為λ=260+61.24=321.24(nm)九、生產(chǎn)線上軋制的鋼板寬度為1860~2000mm，線速度為4m/s，要實(shí)時(shí)地檢測(cè)鋼板的寬度，檢測(cè)的精度要求為±0.1mm。問(wèn)：1、采用怎樣的技術(shù)措施？（以原理方框圖的方式說(shuō)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案與技術(shù)措施）

2、選用什么樣的CCD？（描述所選CCD的像敏單元尺寸和像素?cái)?shù)及其他特性）

3、CCD的最低工作頻率為多少？最長(zhǎng)積分時(shí)間為多少？

解：1、采用如下方框圖所示的兩個(gè)線陣CCD拼接方式進(jìn)行測(cè)量，用二值化數(shù)據(jù)采集接口方式進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集后，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出鋼板的寬度式中，N1、N2分別為被測(cè)鋼板兩個(gè)邊沿在兩個(gè)線陣CCD所成像的邊沿像元數(shù)，l0為CCD的像元長(zhǎng)度，L為兩個(gè)線陣CCD的間距，β1、CCD1CCD2驅(qū)動(dòng)器并行二值化數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)接口電路2、根據(jù)測(cè)量速度和精度的要求，可選用512像元的線陣CCD器件。它的像敏單元長(zhǎng)為14μm；高14μm；中心距14μm；共計(jì)1024個(gè)有效像素單元，總長(zhǎng)為7.168mm。3、在一個(gè)積分時(shí)間內(nèi)被測(cè)鋼板的運(yùn)動(dòng)不應(yīng)大于測(cè)量精度要求的長(zhǎng)度，故積分時(shí)間應(yīng)小于0.1mm/4m/s=0.1×10-3/4=0.025(ms)

最低工作頻率fR為fR=(512+16)/0.025×10-3=21.12(MHz)β2分別為兩個(gè)攝像機(jī)鏡頭的橫向放大倍率。十、在7-62圖所示的光電變換電路中，若已知3DU2的電流靈敏度SI=0.15mA/lx，電阻RL=51kΩ，三