《傳感器與檢測技術(shù)簡明教程》-胡蓉 習(xí)題及答案 CH9 光電式傳感器

第9章光電式傳感器

一、單項(xiàng)選擇題

1、下列光電式傳感器中屬于有源光敏傳感器的是（）.

A.光電效應(yīng)傳感器B.紅外熱釋電探測器

C.固體圖像傳感器D.光纖傳感器

2、下列光電器件是根據(jù)外光電效應(yīng)做出的是（）。

A.光電管B.光電池

C.光敏電阻D.光敏二極管

3、當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光電管的

（）o

A.伏安特性B.光照特性

C.光譜特性D.頻率特性

4、下列光電器件是基于光導(dǎo)效應(yīng)的是（）。

A.光電管B.光電池

C.光敏電阻D.光敏二極管

5、光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為（

A.伏安特性B.光照特性

C.光譜特性D.頻率特性

6、下列關(guān)于光敏二極管和光敏三極管的對(duì)比不正確的是（）o

A.光敏二極管的光電流很小，光敏三極管的光電流則較大

B.光敏二極管與光敏三極管的暗點(diǎn)流相差不大

C.工作頻率較高時(shí)，應(yīng)選用光敏二極管；工作頻率較低時(shí)，應(yīng)選用光敏三極管

D.光敏二極管的線性特性較差，而光敏三極管有很好的線性特性

7、光電式傳感器是利用（）把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

A.被測量B.光電效應(yīng)

C.光電管D.光電器件

8、光敏電阻的特性是（）

A.有光照時(shí)亮電阻很大B.無光照時(shí)暗電阻很小

C.無光照時(shí)暗電流很大D.受一定波長范圍的光照時(shí)亮電流很大

9、基于光生伏特效應(yīng)工作的光電器件是（）

A.光電管B.光敏電阻

C.光電池D.光電倍增管

10>CCI）以（）為信號(hào)

A.電壓B.電流

C.電荷D.電壓或者電流

11、構(gòu)成CCD的基本單元是（）

A.P型硅B.PN結(jié)

C.光電二極管D.MOS電容器

12、基于全反射被破壞而導(dǎo)致光纖特性改變的原理，可以做成（）傳感器，用于探測

位移、壓力、溫度等變化。

A.位移B.壓力C.溫度D.光電

13、光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和（）兩個(gè)重要部件。

A.反射鏡B.透鏡C.光柵D.光探測器

14、按照調(diào)制方式分類，光調(diào)制可以分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、波長調(diào)制以及（）

等，所有這些調(diào)制過程都可以歸結(jié)為將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上。

A.偏振調(diào)制B.共振調(diào)制C.角度調(diào)制D.振幅調(diào)制

15、利用外界因素對(duì)于丑纖中光波相位的變化來探利各種物理量的傳感器，稱為（）。

A.相位調(diào)制型傳感器B.相位結(jié)合型傳感器

C.相位振動(dòng)型傳感器I）.相位干涉型傳感器

16、半導(dǎo)體激光發(fā)光是由（）之間的電子-空穴對(duì)復(fù)合產(chǎn)生的，激勵(lì)過程是使半導(dǎo)體中的

載流子從平衡狀態(tài)激發(fā)到非平衡狀態(tài)的激發(fā)態(tài)。

A.原子B.分子C,離子D.能帶

17、固體激光器是以固體為工作物質(zhì)的激光器，也就是以摻雜的離子型（）和玻璃作為

工作物質(zhì)的激光器。

A.石英晶體B.高純硅C,絕緣晶體D.壓電晶體

18、利用光纖本身的某種敏感特性或功能制作的傳感器稱為（）。

A.敏感型傳感器B.功能型傳感器C.傳光型傳感器D.功敏型傳感器

19、光纖僅起傳輸光波的作用,必須在光纖中間或端面加裝其他敏感元件才能構(gòu)成傳感器.

稱為（）。

A.光容型傳感器B.光感型傳感器C.傳光型傳感器D.光敏型傳感器

20、光纖振動(dòng)傳感器與其他光纖傳感器一樣，從原理上講也可以分為兩種類型，實(shí)際上，直

接以（）作為振動(dòng)信息的敏感元件，難以分離其他物理量變化產(chǎn)生的影響。

A.光纖B.電壓C.電流D.電阻

21、光纖是用（）作為主要原料的一種透明度很高的介質(zhì)材料，廣泛用于通信和傳感器。

A.光刻玻璃B.石英玻璃C.光刻硅D.鈦鋁合金

22、數(shù)值孔徑NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù)，以下說法不正確的是（）

A.數(shù)值孔徑反映了光纖的集光能力

B.光纖的數(shù)值孔徑與其幾何尺寸有關(guān)

C.數(shù)值孔徑越大，光纖與光源的耦合越容易

D.數(shù)侑孔徑越大，光信號(hào)的畸變也越大

23、循環(huán)碼0110對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼是（）o

A.0110B.0100C.0101D.1001

24、當(dāng)兩塊光柵的夾角很小時(shí)，光柵莫爾條紋的間距（）

A.與柵線的寬度成正比B.與柵線間寬成正比

C.與夾角近似成正比D.與柵距近似成正比

25、現(xiàn)有一個(gè)采用4位循環(huán)碼碼盤的光電式編碼器，碼盤的起始位置對(duì)應(yīng)的編碼是0011,

終止位置對(duì)應(yīng)的編碼是0101,則該碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可能會(huì)是（）

A.45°B.60°C.90°0.120°

26、現(xiàn)有一個(gè)采用4位循環(huán)碼碼盤的光電式編碼器，碼盤的起始位置對(duì)應(yīng)的編碼是0011,

終止位置對(duì)應(yīng)的編碼是1111,則該碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可能會(huì)是（）

A.60°B.90°C.180°D.270°

27、一個(gè)6位的二進(jìn)制光電式編碼器，其測量精度約為（）

A.5.6°B.0.17°C.0.016°D.60°

28、（）屬于脈沖盤式編碼器。

A.接觸式編碼器

B.光電式編碼器

C.增量編碼器

I）.電磁式編碼器

29、采用50線/mm的計(jì)量光柵測量線位移,若指示光柵上的莫爾條紋移動(dòng)了12條,則被測線

位移為（）mm

A.0.02B.0.12C.0.24D.0.48

二、多項(xiàng)選擇題

1、光纖傳感器用的光纖主要有兩種：（）

A.單模光纖B.多模光纖C.單晶光纖D.多晶光纖

2、光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點(diǎn)，包括以下哪兒種？（）

A.靈敏度高B.結(jié)構(gòu)簡單C.耗電量小D.絕緣性好

3、光探測器是光纖傳感器構(gòu)成的一個(gè)重要部分，它的性能指標(biāo)將直接影響傳感器的性能。

光纖傳感器對(duì)光探測器的要求包括以下那幾個(gè)？（）

A.線性好，按比例地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

B.靈敏度高，能敏度微小的輸入光信號(hào)，并輸出較大的電信號(hào)

C.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)

D.性能穩(wěn)定，噪聲小

4、光纖傳感器中常用的光探測器有以下哪幾種？（）

A.光電二極管B.光電倍增管C.光敏電阻D.固體激光器

5、光纖醫(yī)用傳感器是用來測量人體和生物體內(nèi)部有關(guān)醫(yī)療診斷等醫(yī)學(xué)參量的光纖傳感器,

目前使用的有以下哪幾種？（）

A.光纖氧飽和度傳感器B.光纖pH值傳感器

C.光纖體溫計(jì)D.光纖體壓計(jì)

6、以下傳感器中屬非接觸式的有：（）

A.電磁式編碼器B.光電式編碼器C.脈沖盤式編碼器D.計(jì)量光柵

7、計(jì)量光柵的特點(diǎn)是（）。

A.測量精度高

B.成本低

C.非接觸式

D.對(duì)環(huán)境要求不高

三、填空題

1、光電式傳感器由及兩大部分組成。

2、光敏電阻與之差稱為光電流。

3、光電池與光敏二極管、光敏三極管都是PN界，主要區(qū)別在于后者的PN結(jié)

4、CCD的突出特點(diǎn)是以作為信號(hào)。

5、光纖工作的基礎(chǔ)是o

6、光纖傳感器技術(shù)是本世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù),是傳感器技術(shù)的新成就,

光纖傳感器技術(shù)是隨著和的發(fā)展而形成的c

7、一般來說，固體激光器可以分為四個(gè)主要部分：工作物質(zhì)、、諧振，冷卻

系統(tǒng)以及o

8、按照工作原理的不同，可將光電式傳感器分為、紅外熱

釋傳感器、固體圖像傳感器和。

9、按照測量光路組成來看，光電式傳感器可以分為、、輻射式和開

關(guān)式光電傳感器。

10、光電傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為

三類。第一類是利用在光線作用下光電子逸出物體表面的效應(yīng)，這類元件

有:第二類是利用在光線作用下使材料內(nèi)部電阻率改變的

效應(yīng)，這類元件有:第三類是利用在光線作用下使物體內(nèi)部產(chǎn)生

一定方向電動(dòng)勢的光生伏特效應(yīng)，這類元件有光電池、光電儀表。

11、循環(huán)碼1101對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼是C.

12、采用4位二進(jìn)制碼盤能分辨的角度為。

13、計(jì)量光柵是利用光柵的現(xiàn)象進(jìn)行測量的。

14、光柵測量原理是以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其分辨率為

15、莫爾條紋有、和這三個(gè)重要特

點(diǎn)。

16、當(dāng)兩塊光柵的夾角很小時(shí)，光柵莫爾條紋的間距與近似成反比。

17、目前為止，數(shù)字式傳感器最主要的兩種類型是和。

18、直線式編碼器用于測量,用于測量角位移。

19、計(jì)量光柵主要由和兩部分組成。

20、計(jì)量光柵中的光電轉(zhuǎn)換裝置包括中光柵、、和光電元件。

21、為了提高光柵的分辨率，測量比柵距更小的位移量，光柵采用細(xì)分技術(shù)，常有的細(xì)分技

術(shù)有直接細(xì)分、和。

22、數(shù)字式傳感器是能夠直接將轉(zhuǎn)換為的傳感器。與模擬式傳感器相比，

具有測量精度和分辨率高、、抗干擾能力強(qiáng)、便于與微機(jī)接口和適宜的

優(yōu)點(diǎn)。

23、數(shù)字式傳感器主要有和兩種類型，可用于和

______測量。

24、編碼器按結(jié)構(gòu)形式可分為和兩大類，分別用于測量

和O

25、計(jì)量光柵利用光柵的現(xiàn)象，以線位移和為基本測試內(nèi)容，

應(yīng)用于高精度加丁機(jī)床、光學(xué)坐標(biāo)鑲床、制造大規(guī)模集成電路的設(shè)備及檢測儀器等c

26、計(jì)量光柵按應(yīng)用范圍不同可分為和；按用途不同有測量

線位移的和;按光柵結(jié)構(gòu)不同，又可分為—

和O

四、簡答題

1、什么是光電式傳感器？

2、光電式傳感器的基本工作原理是什么？

3、光電式傳感器的基本形式有哪些？

4、什么是光電器件？

5、典型的光電器件有哪些？

6、CCD的電荷轉(zhuǎn)移原理是什么？

7、什么是全反射？

8、光纖的數(shù)值孔徑有何意義？

9、何謂CCD勢阱？

10、光電器件有哪兒種類型？各有何特點(diǎn)？

11、光在光纖中是怎樣傳輸?shù)模?/p>

12、對(duì)光纖及入射光的入射角有什么要求？

13、試述光敏電阻的工作原理。

14、試述光敏二極管的工作原理。

15、試述光敏三極管的工作原理。

16、試述光電池的工作原理。

17、簡述什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？

18、簡述什么是光牛伏特效應(yīng)？

19、簡述什么是外光電效應(yīng)？

20、典型的光電器件有哪些？

21、簡述光纖傳感器的組成。

22、簡述光纖傳感器的工作原理。

23、請(qǐng)簡述光導(dǎo)纖維傳光原理。

24、請(qǐng)簡述半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器的工作原理。

25＞什么是光電效應(yīng)？

26、光纖傳感器技術(shù)是一門多學(xué)科性科學(xué)，涉及到的知識(shí)面很廣泛，請(qǐng)列舉至少四門這樣的

學(xué)科。

27、光導(dǎo)纖維有哪些優(yōu)點(diǎn)？光纖式傳感器中光纖的主要優(yōu)點(diǎn)有哪些？

28、光纖損耗是如何產(chǎn)生的？

29、光纖損耗對(duì)光纖傳感器有哪些影響？

30、什么是光電效應(yīng)和光電器件？

31、常用的光電器件有哪幾大類？試解釋這幾類光電器件各自的工作基礎(chǔ)并舉例。

32、利用某循環(huán)碼盤測得的結(jié)果為“0110”，其實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度是多少？

33、透射式光柵傳感器的莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的？條紋間距、柵距和夾角的關(guān)系是什么？

34、如何判別光柵傳感器的運(yùn)動(dòng)方向？

35、如何實(shí)現(xiàn)提高光電式編碼器的分辨率？

36、二進(jìn)制碼與循環(huán)碼各有何特點(diǎn)？并說明它們的互換原理。

37、簡述光柵莫爾條紋測量位移的三個(gè)主要特點(diǎn)？

38、簡述光柵讀數(shù)頭的組成和工作原理？

39、簡述計(jì)量光柵的結(jié)構(gòu)和基本原理。

40、試區(qū)分硅光電池和硒光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理。

41、試介紹MOS光敏單元的工作原理。

42、CCD的電荷轉(zhuǎn)移原理是什么？

43、試對(duì)面陣型CCD圖像傳感器進(jìn)行分類，并介紹它們各自有何特點(diǎn)？

44、為什么要求CCD器件的電荷轉(zhuǎn)移效率要很高？

45、舉例說明CCD圖像傳感器的應(yīng)用。

46、試解釋光電式編碼器的工作原理。

47、計(jì)量光柵是如何實(shí)現(xiàn)測量位移的？

48、計(jì)量光柵中為何要引入細(xì)分技術(shù)？

49、細(xì)分的基本原理是什么？

五、計(jì)算題

1、試計(jì)算n】=l.46,n2=l.45的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑值。如光纖外部介質(zhì)的求最

大入射角。，的值。

2、一個(gè)8位光電碼盤的最小分辨率是多少？如果要求每個(gè)最小分辨率對(duì)應(yīng)的碼盤圓弧長度

至大為0.01mm,則碼盤半徑應(yīng)有多大？

3、一個(gè)21碼道的循環(huán)碼盤，其最少分辨力01=?,若一個(gè)9?角對(duì)應(yīng)圓弧長度至少為0.001mm,

問碼盤直徑多大？

4、若某光柵的柵線密度為50線/nm,主光柵與指標(biāo)光柵之間夾角6=0.01md。求：

(1)求其形成的莫爾條紋間距8〃是多少？

(2)若采用四只光敏二極管接收莫爾條紋信號(hào)，并且光敏二極管響應(yīng)時(shí)間為ICTS,問此時(shí)

光柵允許最快的運(yùn)動(dòng)速度v是多少？

5、利用一個(gè)六位循環(huán)碼盤測量角位移,其最小分辨率是多少？如果要求每個(gè)最小分辨率對(duì)應(yīng)

的碼盤圓弧長度最大為0.01mm,則碼盤半徑應(yīng)有多大?若碼盤輸出數(shù)碼為“101101",初始位

置對(duì)應(yīng)數(shù)碼為“110100”，則碼盤實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度是多少？

6、設(shè)某循環(huán)碼盤的電刷初始位置為“0000”，利用該循環(huán)碼盤測得結(jié)果為“0110”，其實(shí)際

轉(zhuǎn)過的角度是多少？

第9章光電式傳感器

一、單項(xiàng)選擇題

題號(hào)答案知識(shí)點(diǎn)

1D光電式傳感器的類別

2A光電效應(yīng)與光電器件

光電效應(yīng)與光電器件

RR

光電效應(yīng)與光電器件

4C

光電效應(yīng)與光電器件

5C

光電效應(yīng)與光電器件

6D

7D概述

光電效應(yīng)與光電器件

8I)

光電效應(yīng)與光電器件

9C

10CCCD圖像傳感器

11DCCD圖像傳感器

12A光纖傳感器

光纖傳感器

13D

光纖傳感器

14A

光纖傳感器

15D

光纖傳感器

16D

光纖傳感器

17C

光纖傳感器

18B

光纖傳感器

19C

光纖傳感器

20A

光纖傳感器

21B

22B光纖傳感器

23B光電式編碼器

24D計(jì)量光柵

光電式編碼器

25C

光電式編碼器

26C

光電式編碼器

27A

光電式編碼器

28C

29C計(jì)量光柵

二、多項(xiàng)選擇題

題號(hào)答案知識(shí)點(diǎn)

1AB光纖傳感器

光纖傳感器

2ABCD

光纖傳感器

3ABD

光纖傳感器

4ABC

光纖傳感器

5ARCD

6ABD光電式傳感器

7AC計(jì)量光柵

三、厚1空題

題號(hào)答案知識(shí)點(diǎn)

1光路；電路光電式傳感器的基本形式

2亮電流；暗電流光電效應(yīng)與光電器件

3處于反向偏置光電效應(yīng)與光電器件

4電荷CCD固體圖像傳感器

5光的全反射光纖傳感器

6光導(dǎo)纖維；光通信技術(shù)光纖傳感器

7泵浦系統(tǒng)；濾光系統(tǒng)光纖傳感器

8光電效應(yīng)傳感器：光纖傳感器光纖傳感器

9透射式；反射式光電式傳感器的基本形式

10外光電；光電管、光電倍增管；內(nèi)光電；光敏電阻光電效應(yīng)與光電器件

111001光電式編碼器

1222.5°光電式編碼器

13莫爾條紋計(jì)量光柵

計(jì)量光柵

14光柵柵距

計(jì)量光柵

15位移放大；辨別運(yùn)動(dòng)方向（辨向）；誤差平均效應(yīng)

計(jì)量光柵

16（刻線）夾角

17編碼器；脈沖數(shù)字傳感器光電式編碼器

18線位移；旋轉(zhuǎn)式編碼器光電式編碼器

19光電轉(zhuǎn)換裝置；光柵數(shù)顯表計(jì)量光柵

計(jì)量光柵

20指示光柵；光路系統(tǒng)

計(jì)量光柵

21倍頻細(xì)分；電橋細(xì)分

22非電量；數(shù)字量；穩(wěn)定性好；遠(yuǎn)距離傳輸光電式編碼器

23編碼器；脈沖數(shù)字傳感器；位移；計(jì)數(shù)光電式編碼器

24直線式；旋轉(zhuǎn)式；線位移；角位移光電式編碼器

25莫爾條紋；角位移計(jì)量光柵

26透射光柵；射光柵；長光柵；圓光柵；幅值（黑白）計(jì)量光柵

光柵；相位（閃耀）光柵

四、簡答題

1、答：光電式傳感器（或稱光敏傳感器）：利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電

流、電阻等）的裝置。

知識(shí)點(diǎn)：概述

2、答：光電式傳感器的基本工作原理是基于光電效應(yīng)的，即因光照引起物體的電學(xué)特性而

改變的現(xiàn)象。

知識(shí)點(diǎn)：概述

3、答：光電式傳感器按測量光路組成來看，可分為4種基本形式：

透射式光電傳感器

反射式光電傳感器

輻射式光電傳感器

開關(guān)式光電傳感器

知識(shí)點(diǎn)：光電式傳感器的基本形式

4、答：光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

5、答：典型的光電器件有基于外光電效應(yīng)的光電管和光電倍增管，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電

池、光敏電阻、光敏二極管以及光敏三極管。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

6、答：CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS光敏元，這些光敏元使用同一半導(dǎo)

體襯底；氧化層均勻、連續(xù)；相鄰金屬電極間隔極小。任何可移動(dòng)的電荷都將力圖向表面勢

大的位置移動(dòng)。為了保證信號(hào)電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS尤敏元陣列上所加的各

路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。

知識(shí)點(diǎn)：CCD圖像傳感器

7、答：當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，光線就不會(huì)透過其界面而全部反射到光密介質(zhì)內(nèi)部，即發(fā)

生全反射。

知識(shí)點(diǎn)：光纖傳感器

8、答：光纖的數(shù)值孔徑是光纖的??個(gè)重要參數(shù)，它能反映光纖的集光能力，光纖的NA越大,

表面它可以在較大入射角范圍內(nèi)輸入全反射光，集光能力就越強(qiáng),光纖與光源的耦合越容易，

且保證實(shí)現(xiàn)全反射向前傳播。但NA越大，光信號(hào)的畸變也越大，所以要適當(dāng)選擇NA的大小。

知識(shí)點(diǎn)：光纖傳感器

9、答：如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓電時(shí)，P型

硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處

來，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱CCD勢阱。

知識(shí)點(diǎn)：CCD圖像傳感器

10、答：光電器件有兩種類型，一種是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件，一種是基于外光電效應(yīng)

的光電器件。

外光電效應(yīng)光電器件是基于外光電效應(yīng)的，當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上

時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，

電子會(huì)克服正離子對(duì)它的吸引力，脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。

即外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。

內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。這

種效應(yīng)可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢的光生伏特

效應(yīng)兩種。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

11、答：光在同一種介質(zhì)中是直線傳播的，當(dāng)光線以不同的角度入射到光纖端面時(shí)，在端面

發(fā)生折射進(jìn)入光纖后，又入射到折射率較大的光密介質(zhì)（纖芯）與折射率較小的光疏介質(zhì)（包

層）的交界面，光線在該處有一部分投射到光疏介質(zhì)，一部分反射【可光密介質(zhì)。

對(duì)光纖的要求是包層和纖芯的折射率不同，且纖芯的折射率大于包層的折射率。

知識(shí)點(diǎn)：光纖傳感器

12、答：對(duì)入射角的要求是入射角小于臨界角。

知識(shí)點(diǎn)：光纖傳感器

13、答：光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量,

若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì),使載流子濃度增加,

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低的現(xiàn)象。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

14、答：光電池是基于光生伏特效應(yīng)。在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的

現(xiàn)象。如光電池。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

15、答：光敏二極管是基于內(nèi)光電效應(yīng)中的光生伏特效應(yīng)。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

16、答：光敏三極管是基于內(nèi)光電效應(yīng)中的光生伏特效應(yīng)。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

17、答：光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收入射光子的能量，如果入射光子的

能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，將激發(fā)出電子一空穴對(duì)，使載流子濃度增加，導(dǎo)電

性增加，阻值降低的現(xiàn)象。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

18、答：光生伏特效應(yīng)是指在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

19、答：外光電效應(yīng)是指在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

20、答：光電導(dǎo)效應(yīng)的典型光電器件是光敏電阻；光生伏特效應(yīng)的典型光電器件是光電池;

外光電效應(yīng)的典型光電器件是光電管（光電二極管、光電晶體管）、倍增管。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

21、答：光纖傳感器由光源、（光纖或非光纖的）敏感元件、光纖、光探測器、信號(hào)處理系

統(tǒng)等組成。

知識(shí)點(diǎn)：光纖傳感器

22、答：光纖傳感器的工作原理：由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測參數(shù)（溫

度、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)等）作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)（光強(qiáng)、波

長/頻率、相位、偏振態(tài)）受到被測量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過接收光纖耦合到光探測

器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后經(jīng)過信號(hào)處理得到所需要的被測量。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

23、答：當(dāng)光線從折射率為外nl的介質(zhì)入射到折射率為%的介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)分界面上將產(chǎn)

生折射現(xiàn)象。其規(guī)律是：入射角于折射角的正弦之比與兩種介質(zhì)的折射率成反比，即：

sin族_%

不7=7,其中々是光纖纖芯的折射率，/是其包層介質(zhì)的折射率。因?yàn)?>%，

則創(chuàng)<02,當(dāng)入射角加增大到某一角度〃時(shí)，折射率將等于90。，這時(shí)入射光線不再進(jìn)入

包層介質(zhì)，而開始產(chǎn)生全反射的入射角稱為臨界角，當(dāng)如繼續(xù)增大時(shí)，^2>90°,發(fā)生了全

反射，于是光便在光纖中沿軸向前傳播。這就是光纖的傳光原理。不滿足全反射條件的光線,

由于在界面上只能部分反射，勢必有一些能量會(huì)輻射到包層中去，致使光能量不能有效傳播。

通常能在波導(dǎo)再傳播的光為傳輸模（導(dǎo)模），不能傳播的光為輻射模。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

24、答:半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器利用半導(dǎo)體的光吸收響應(yīng)隨溫度高低而變化的特性,

根據(jù)透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)變化檢測溫度。溫度變化時(shí)，半導(dǎo)體的透光率亦隨之變化。當(dāng)溫度升

高時(shí)，其透過光強(qiáng)將減弱，測出光強(qiáng)變化就可知對(duì)應(yīng)的溫度變化。這類溫度計(jì)的測溫范圍為

-30C—300℃。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

25、答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電

子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢等）。這種現(xiàn)

象稱為光電效應(yīng)。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

26、答：纖維光學(xué)、光電技術(shù)、彈性力學(xué)、電磁學(xué)、電子技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)技術(shù)等等。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

27、答：光導(dǎo)纖維工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射，當(dāng)射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨

界角時(shí)，就會(huì)在光纖的接口上產(chǎn)生全內(nèi)反射，并在光纖內(nèi)部以后的角度反復(fù)逐次反射，直至

傳遞到另一端面。它的優(yōu)點(diǎn)有：具有優(yōu)良的傳旋光性能，傳導(dǎo)損耗?。活l帶寬，可進(jìn)行超高

速測量，靈敏度和線性度好；能在惡劣的環(huán)境下工作，能進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)的傳送。

功能型光纖傳感器其光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)，而且具有測量的功能。它可以利用外

界物理因素改變光纖中光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長，從而對(duì)外界因素進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)傳

輸。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

28、答：光纖損耗產(chǎn)生的原因有：①吸收性損耗：吸收損耗與組成光纖的材料的中子受激和

分子共振有關(guān)，當(dāng)光的頻率與分子的振動(dòng)頻率接近或相等時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，并大量吸收光能

量，引起能量損耗。②散射性損耗：是由于材料密度的微觀變化、成分起伏，以及在制造過

程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起。一部分光就會(huì)散射到各個(gè)方向去，不能傳輸?shù)浇K

點(diǎn)，從而造成散射性損耗。③輻射性損耗：當(dāng)光纖受到具有一定曲率半徑的彎曲時(shí)，就會(huì)產(chǎn)

生輻射磁粒。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

29、答：光纖損耗對(duì)光纖傳感器的影響有：①彎曲半徑比光纖直徑大很多的彎曲；②微彎曲:

當(dāng)把光纖組合成光纜時(shí)，可能使光纖的軸線產(chǎn)生隨機(jī)性的微曲。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

30、答：所謂光電效應(yīng)，是指物體吸收了具有一定能量的光子后所產(chǎn)生的的電效應(yīng)。根據(jù)光

電效應(yīng)原理工作的光電轉(zhuǎn)換元件稱為光電器件。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光申器件

31、答：常用的光電器件主要有外光電效應(yīng)器件和內(nèi)光電效應(yīng)器件兩大類。

外光電效應(yīng)器件的工作基礎(chǔ)是基于外光電效應(yīng)。所謂外光電效應(yīng)，是指在光線作用下，

電子逸出物體表面的現(xiàn)象。相應(yīng)光電器件主要有光電管和光電倍增管。

內(nèi)光電效應(yīng)器件的工作基礎(chǔ)是基于內(nèi)光電效應(yīng)。所謂內(nèi)光電效應(yīng)，是指在光線作用下，

物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象，它可分為光導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。內(nèi)

光電效應(yīng)器件主要有：光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管.

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

32、答：循環(huán)碼“0110”對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼是“0100”，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)是4,

該4位碼盤的最小分辨率為360°/2=22.5°

所以實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度為4X22.5°=90°。

知識(shí)點(diǎn)：光電式編碼器

33、答：①把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）疊合在一起，中間留有很小的間隙，

并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角，，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明

暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大,

形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f線上，兩塊光柵的柵線錯(cuò)開,

形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮

光和透光效應(yīng)形成的。

②莫爾條紋的間距均與兩光柵線紋夾角。之間的關(guān)系為：

nW/2W

4二十萬

sin-

2

知識(shí)點(diǎn)：計(jì)量光柵

34、答：為了能夠辨向，需要有相位差為兀/2的兩個(gè)電信號(hào)。在相隔序/4間距的位置上,

放置兩個(gè)光電元件1和2,得到兩個(gè)相位差”/2的電信號(hào)力和勿（圖中波形是消除直流分

量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個(gè)方波信號(hào)和〃2'。

當(dāng)光柵沿/方向移動(dòng)時(shí)，經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖，正好發(fā)生在出'的“1”電平

時(shí)，從而經(jīng)J］輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；而為'經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與〃2’的“0”

電平相遇，與門診被阻塞，無脈沖輸出。

在光柵沿一力方向移動(dòng)時(shí)，的微分脈沖發(fā)生在"'為“0”電平時(shí)，與門-1無脈沖

輸出；而的反相微分脈沖則發(fā)生在u2'的“1”電平時(shí)，與門與輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。

u2'的電平狀態(tài)作為與門的控制信號(hào),來控制在不同的移動(dòng)方向時(shí)，“'所產(chǎn)生的脈沖輸出。

這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確地給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)脈沖，再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器，

實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。

知識(shí)點(diǎn)：計(jì)量光柵

35、答：光電式編碼器的分辨率與碼道數(shù)有關(guān)，如果分辨率要求很高，采用單盤方式不僅要

求圓盤直徑增大，而且精度也難以達(dá)到，因此可考慮采用雙編碼器，月兩個(gè)較低分辨率的碼

盤來組合成一個(gè)較高分辨率的編碼器。

知識(shí)點(diǎn)：光電式編碼器

36、答：二進(jìn)制碼盤簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)碼盤的制作和電刷的安裝要求十分嚴(yán)格，任

何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因?yàn)槎M(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改

變時(shí)，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時(shí)改變。

為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰

數(shù)時(shí)，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一

個(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個(gè)比特。

二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)循環(huán)碼：G=B〃[

G=8?%（i=On-\\

循環(huán)碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制碼：Bn=Cn

十耳+|（i=On-1）/

知識(shí)點(diǎn)：光電式編碼器

37、答：光柵莫爾條紋測位移的三個(gè)主要特點(diǎn)：

（1）位移的放大作用：光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)寬度3〃，莫爾

條紋的間距BH與兩光柵夾角夕的關(guān)系為：

n2WW

H.00

sin

2

由此可見，。越小，3〃越大，3〃相當(dāng)于把W放大了1/夕倍。即光柵具有位移放大作

用，從而可提高測量的靈敏度。

（2）莫爾條紋移動(dòng)方向：當(dāng)固定一個(gè)光柵時(shí)，另一個(gè)光柵向右移動(dòng)時(shí)，則莫爾條紋將

向上移動(dòng)；反之，如果另一個(gè)光柵向左移動(dòng)，則莫爾條紋將向下移動(dòng),因此，莫爾條紋的移

動(dòng)方向有助于判別光柵的運(yùn)動(dòng)方向。

（3）誤差的平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線形成的，對(duì)線紋的刻劃誤差有平

均抵消作用。

知識(shí)點(diǎn)：計(jì)量光柵

38、答：光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。其工作原理:

標(biāo)尺光柵固定在被測物體上，指示光柵相對(duì)于光電元件固定，兩光柵在光照下可形成具有明

暗相間帶的莫爾條紋。標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)柵距恍光強(qiáng)變化一個(gè)周期，用光電元件接收莫爾

條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，就可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為接近于正弦周期函數(shù)的電信號(hào)輸出，從而可知

被測物體移動(dòng)位移的大小。

知識(shí)點(diǎn)：計(jì)量光柵

39、答：計(jì)量光柵傳感器的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分：光電轉(zhuǎn)換裝置和光柵數(shù)顯表，其中前者又包

括以下四個(gè)部分：①主光柵（又稱標(biāo)尺光柵），均勻地刻劃有透光和不透光的線條；②指示

光柵，刻有與主光柵同樣刻線密度的條紋：③光路系統(tǒng)，包括光源和誘鏡：④光電元件。計(jì)

量光柵主要利用了莫爾條紋現(xiàn)象。主光柵與指示光柵的柵線疊合在一起，中間保持很小的夾

角在大致垂直于柵線的方向上會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋。光柵測量原理就

是以移動(dòng)的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。

知識(shí)點(diǎn)：計(jì)量光柵

40、答：硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法滲入一下P型雜質(zhì)形成PN結(jié)。當(dāng)

入射光照射在PN結(jié)上時(shí)。若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)附近激發(fā)出

電子空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，N型區(qū)的光生空穴被拉向P型區(qū)，P型區(qū)的光生電子

被拉向N型區(qū)，結(jié)果使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，這樣PN結(jié)就產(chǎn)生了電位差，若將PN結(jié)兩

端用導(dǎo)線連接起來，電路中就有電流流過，電流方向有P型區(qū)流經(jīng)外電路至N型區(qū)。若將外

電路斷開，就可以測出光生電動(dòng)勢。

硒光電池是在鋁片上涂硒（P型），再用濺射的工藝，在硒層生形成一層半透明的氧化鎘（N

型）。在正、反兩面噴上低隔合金作為電極，在光線照射下，鎘材料帶負(fù)電，硒材料帶正電,

形成電流或者電動(dòng)勢。

知識(shí)點(diǎn)：光電效應(yīng)與光電器件

41、答：對(duì)于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時(shí)，在光子的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，

空穴被排斥，電子被電子勢阱俘獲。這種光生電子作為反映光強(qiáng)的載體一一電荷包被收集，

成為光電荷注入，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)變。

知識(shí)點(diǎn)：CCD圖像傳感器

42、答：CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS光敏元，這些光敏元使用同一

半導(dǎo)體襯底；氧化層均勻、連續(xù)；相鄰金屬電極間隔極小。任何可移動(dòng)的電荷都將力圖向表

面勢大的位置移動(dòng)。為了保證信號(hào)電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏元陣列上所加

的各路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。

%@

P-Si

知識(shí)點(diǎn)：CCD圖像傳感器

43、答：面陣型CCD可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。

行傳輸特點(diǎn)：有效光敏面積大、轉(zhuǎn)移速度快、轉(zhuǎn)移效率高。

幀傳輸特點(diǎn)：單元密度高、電極簡單。

行間傳輸特點(diǎn)：感光單元面積小，密度高，圖像清晰。

知識(shí)點(diǎn)：CCD圖像傳感器

44、答：由于信號(hào)電荷在傳輸過程中持續(xù)的光照會(huì)產(chǎn)生電荷，使信號(hào)電荷發(fā)生重疊，在顯示

器中出現(xiàn)模糊現(xiàn)象。因此在CCD攝像器件中有必要把攝像區(qū)和傳輸區(qū)分開，并且在時(shí)間上保

證信號(hào)電荷從攝像區(qū)轉(zhuǎn)移到傳輸區(qū)得時(shí)間小于攝像時(shí)間。

知識(shí)點(diǎn)：CCD圖像傳感器

45、答：計(jì)量檢測儀器，光學(xué)信息處理，生產(chǎn)過程自動(dòng)化，軍事應(yīng)用。

知識(shí)點(diǎn)：CCD圖像傳感器

46、答：光電式編碼器：是將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的位移（模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電信號(hào)的傳感器。

光電式編碼器從結(jié)構(gòu)上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。

碼盤式編碼器由光源、與旋轉(zhuǎn)軸相連的碼盤、車縫、光敏元件等組成。當(dāng)來自光源（多

采用發(fā)光二極管）的光束經(jīng)聚光透鏡投射到碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，光束經(jīng)過碼盤進(jìn)行角度編

碼，再經(jīng)窄縫射入光敏元件（多為硅光電池或光敏晶體管）組。光敏元件的排列與碼道一一

對(duì)應(yīng)，即保證每個(gè)碼道有一個(gè)光敏元件負(fù)責(zé)接收透過的光信號(hào)。光碼盤轉(zhuǎn)至不同的位置時(shí)，

光敏元件組輸出的信號(hào)反映了碼盤的角位移大小。

脈沖盤式編碼器是在圓盤上開有兩圈相等角矩的縫隙，外圈A為增量碼道、內(nèi)圈B為辨

向碼道，內(nèi)、外圈的相鄰兩縫隙之間的距離錯(cuò)開半條縫寬，另外，在內(nèi)外圈之外的某一徑向

位置，也開有一縫隙，表示碼盤的零位，碼盤每轉(zhuǎn)一圈，零位對(duì)應(yīng)的光敏元件就產(chǎn)生一個(gè)脈

沖，稱為“零位脈沖”。在開縫圓盤的兩邊分別安裝光源及光敏元件，光欄板上有兩個(gè)狹縫,

其距離是碼盤上兩個(gè)相鄰狹縫距離的四分之一倍，并設(shè)置了兩組對(duì)應(yīng)的光敏元件（稱為cos.

sin元件），對(duì)應(yīng)兩個(gè)信號(hào)（四分之一間距差保證了兩路信號(hào)的相位差為90°,便于辨向）。

當(dāng)碼盤隨被測工作軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線明暗的變化，通過光敏元件產(chǎn)

生一次電信號(hào)的變化，所以每圈碼道上的縫隙數(shù)將等于其光敏元件每一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)。利

用計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)，就能反映碼盤轉(zhuǎn)過的角度。

知識(shí)點(diǎn)：光電式編碼器

47、答：兩塊具有相同柵距的長光柵疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的棚

線之間形成一個(gè)很小的夾角夕，則在大致垂直于柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的莫爾條紋。

莫爾條紋測位移具有以下特點(diǎn)：

①對(duì)位移的放大作用

光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距8”。莫爾條紋的間距與兩光柵夾

角。的關(guān)系為：

nW

BH~----

HO

式中：

卬一光柵的柵距

6一刻線夾角。

8越小，8〃越大，8H相當(dāng)于把W放大了1/6倍。即光柵具有位移放大作用，從而可

提高測量的靈敏度。

②莫爾條紋移動(dòng)方向

光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵間距W，條紋跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度6”。當(dāng)固定