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1、第 10 章 光电式传感器 一、单项选择题 1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。A.光电效应传感器 B.红外热释电探测器 C.固体图像传感器 D.光纤传感器 2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。A.光电管 B.光电池 C.光敏电阻 D.光敏二极管 3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。A.伏安特性 B.光照特性 C.光谱特性 D.频率特性 4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。A.光电管 B.光电池 C.光敏电阻 D.光敏二极管 5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。A.伏安特性 B.光照特性 C.光谱特性
2、D.频率特性 6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。A.光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大 B.光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大 C.工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管 D.光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性 7、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。A.光电效应传感器 B.红外热释电探测器 C.固体图像传感器 D.光纤传感器 8、光敏电阻的特性是（）A有光照时亮电阻很大 B无光照时暗电阻很小 C无光照时暗电流很大 D受一定波长围的光照时亮电流很大 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（）A光电管
3、 B.光敏电阻 C光电池 D.光电倍增管 10、CCD 以（）为信号 A.电压 B.电流 C电荷 D.电压或者电流 11、构成 CCD 的基本单元是（）A.P 型硅 B.PN 结 C.光电二极管 D.MOS 电容器 12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。A.位移 B.压力 C.温度 D.光电 13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和()两个重要部件。A.反射镜 B.透镜 C.光栅 D.光探测器 14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及()等，所有这些调制过程都可以归结为将一
4、个携带信息的信号叠加到载波光波上。A.偏振调制 B.共振调制 C.角度调制 D.振幅调制 15、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器，称为()。A.相位调制型传感器 B.相位结合型传感器 C.相位振动型传感器 D.相位干涉型传感器 16、半导体激光发光是由()之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。A.原子 B.分子 C.离子 D.能带 17、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型()和玻璃作为工作物质的激光器。A.石英晶体 B.高纯硅 C.绝缘晶体 D.压电晶体 18、利用光纤本身的某种敏感特性
5、或功能制作的传感器称为()。A.敏感型传感器 B.功能型传感器 C.传光型传感器 D.功敏型传感器 19、光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为()。A.光容型传感器 B.光感型传感器 C.传光型传感器 D.光敏型传感器 20、光纤振动传感器与其他光纤传感器一样，从原理上讲也可以分为两种类型，实际上，直接以()作为振动信息的敏感元件,难以分离其他物理量变化产生的影响。A.光纤 B.电压 C.电流 D.电阻 21、光纤是用()作为主要原料的一种透明度很高的介质材料，广泛用于通信和传感器。A.光刻玻璃 B.石英玻璃 C.光刻硅 D.钛铝合金 22、数值孔径
6、 NA 是光纤的一个重要参数，以下说法不正确的是（）A数值孔径反映了光纤的集光能力 B光纤的数值孔径与其几何尺寸有关 C数值孔径越大，光纤与光源的耦合越容易 D数值孔径越大，光信号的畸变也越大 二、多项选择题 1、光纤传感器用的光纤主要有两种：（）A.单模光纤 B.多模光纤 C.单晶光纤 D.多晶光纤 2、光纤传感器与传统传感器相比有许多特点，包括以下哪几种？（）A.灵敏度高 B.结构简单 C.耗电量小 D.绝缘性好 3、光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。光纤传感器对光探测器的要求包括以下那几个？（）A.线性好，按比例地将光信号转换为电信号 B.灵敏度
7、高，能敏度微小的输入光信号，并输出较大的电信号 C.产品结构简单，易维护 D.性能稳定，噪声小 4、光纤传感器中常用的光探测器有以下哪几种？（）A.光电二极管 B.光电倍增管 C.光敏电阻 D.固体激光器 5、光纤医用传感器是用来测量人体和生物体部有关医疗诊断等医学参量的光纤传感器，目前使用的有以下哪几种？（）A.光纤氧饱和度传感器 B.光纤 pH 值传感器 C.光纤体温计 D.光纤体压计 三、填空题 1、光电式传感器由 及 两大部分组成。2、光敏电阻 与 之差称为光电流。3、光电池与光敏二极管、光敏三极管都是 PN 界，主要区别在于后者的 PN 结 。4、CCD 的突出特点是以 作为信号。5
8、、光纤工作的基础是 。6、光纤传感器技术是本世纪 70 年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就，光纤传感器技术是随着 和 的发展而形成的。7、一般来说，固体激光器可以分为四个主要部分：工作物质、谐振，冷却系统以及 。8、按照工作原理的不同，可将光电式传感器分为 、红外热释传感器、固体图像传感器和 。9、按照测量光路组成来看，光电式传感器可以分为 、辐射式和开关式光电传感器。10、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的 效应,这类元件有 ；第二类是利用在光线作用下使材料部电阻率改变的 效应，这类
9、元件有 ；第三类是利用在光线作用下使物体部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。四、简答题 1、什么是光电式传感器？光电式传感器的基本工作原理是什么？2、光电式传感器的基本形式有哪些？3、什么是光电器件？典型的光电器件有哪些？4、CCD 的电荷转移原理是什么？5、什么是全反射？光纤的数值孔径有何意义？6、何谓 CCD 势阱？7、光电器件有哪几种类型？各有何特点？8、光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求 9、试述光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池的工作原理。10、简述什么是光电导效应？光生伏特效应？外光电效应？这些光电效应的典型光电器件各自有哪些
10、？11、简述光纤传感器的组成和工作原理。12、请简述光导纤维传光原理。13、请简述半导体光吸收型光纤温度传感器的工作原理。14、什么是光电效应?15、光纤传感器技术是一门多学科性科学，涉及到的知识面很广泛，请列举至少四门这样的学科。16、光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些？17、光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？18、什么是光电效应和光电器件？常用的光电器件有哪几大类？试解释这几类光电器件各自的工作基础并举例。五、计算题 1、试计算 n1=1.46,n2=1.45 的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如光纤外部介质的 n0=1，求最大入射角c的值。第 10 章 光电
11、式传感器 一、单项选择题 1、D 2、A 3、B 4、C 5、C 6、D 7、D 8、D 9、C 10、C 11、D 12、A 13、D 14、A 15、D 16、D 17、C 18、B 19、C 20、A 21、B 22、B 二、多项选择题 1、AB 2、ABCD 3、ABD 4、ABC 5、ABCD 三、填空题 1、光路；电路 2、亮电流；暗电流 3、处于反向偏置 4、电荷 5、光的全反射 6、光导纤维；光通信技术 7、泵浦系统；滤光系统 8、光电效应传感器；光纤传感器 9、透射式；反射式 10、外光电；光电管、光电倍增管；光电；光敏电阻；四、简答题 1、答：光电式传感器（或称光敏传感器）
12、：利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。光电式传感器的基本工作原理是基于光电效应的，即因光照引起物体的电学特性而改变的现象。2、答：光电式传感器按测量光路组成来看，可分为 4 种基本形式：透射式光电传感器 反射式光电传感器 辐射式光电传感器 开关式光电传感器 3、答：光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。典型的光电器件有基于外光电效应的光电管和光电倍增管，基于光电效应的光电池、光敏电阻、光敏二极管以及光敏三极管。4、答：CCD 器件基本结构是一系列彼此非常靠近的 MOS 光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电
13、极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在 MOS 光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。SiO21GV2GVP-Si 5、答：当入射角大于临界角时，光线就不会透过其界面而全部反射到光密介质部，即发生全反射。光纤的数值孔径是光纤的一个重要参数，它能反映光纤的集光能力，光纤的 NA 越大，表面它可以在较大入射角围输入全反射光，集光能力就越强，光纤与光源的耦合越容易，且保证实现全反射向前传播。但 NA 越大，光信号的畸变也越大，所以要适当选择 NA 的大小。6、答：如果 MOS 电容器中的半导体是 P 型硅，当在金属电极上施加
14、一个正电压Ug 时，P 型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体的少数载流子（电子）吸引到 P-Si 界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称 CCD 势阱。7、答：光电器件有两种类型，一种是基于光电效应的光电器件，一种是基于外光电效应的光电器件。外光电效应光电器件是基于外光电效应的，当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变
15、化或产生光生电动势的现象。这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。8、答：光在同一种介质中是直线传播的，当光线以不同的角度入射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤后，又入射到折射率较大的光密介质（纤芯）与折射率较小的光疏介质（包层）的交界面，光线在该处有一部分投射到光疏介质，一部分反射回光密介质。对光纤的要包层和纤芯的折射率不同，且纤芯的折射率大于包层的折射率。对入射角的要入射角小于临界角。9、答：光敏电阻是基于光电导效应。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓
16、度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。2ciin0n2n1纤芯包层光电池是基于光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。光敏二极管和光敏三极管是基于光电效应中的光生伏特效应。10、答：光电导效应是指在光线作用下，半导体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导体材料的禁带宽度，将激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，导电性增加，阻值降低的现象，如光敏电阻。光生伏特效应是指在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象，如光电池。外光电效应是指在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象，如光电管（光电二极管、光电晶体管）、倍增管。11、答：光纤
17、传感器由光源、（光纤或非光纤的）敏感元件、光纤、光探测器、信号处理系统等组成。其工作原理：由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数（温度、压力、应变、振动等）作用于敏感元件，在光的调制区，使光的某一性质（光强、波长/频率、相位、偏振态）受到被测量的调制，调制后的光信号经过接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经过信号处理得到所需要的被测量。12、答：当光线从折射率为1nn1 的介质入射到折射率为2n的介质时，在介质分界面上将产生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即：1221sinsinnn，其中1n是光纤纤芯的折射率，2n是其包层介质的折射
18、率。因为1n 2n，则21，当入射角1增大到某一角度c时，折射率将等于 90，这时入射光线不再进入包层介质，而开始产生全反射的入射角称为临界角，当1继续增大时，902，发生了全反射，于是光便在光纤中沿轴向前传播。这就是光纤的传光原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射，势必有一些能量会辐射到包层中去，致使光能量不能有效传播。通常能在波导再传播的光为传输模（导模），不能传播的光为辐射模。13、答：半导体光吸收型光纤温度传感器利用半导体的光吸收响应随温度高低而变化的特性，根据透过半导体的光强变化检测温度。温度变化时，半导体的透光率亦随之变化。当温度升高时，其透过光强将减弱，测出光强变
19、化就可知对应的温度变化。这类温度计的测温围为-30300。14、答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。15、答：纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术以及微型计算机技术等等。16、答：光导纤维工作的基础是光的全反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全反射，并在光纤部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。它的优点有：具有优良的传旋光性能，传导损耗小；频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好；能在恶劣的环境下工作，
20、能进行远距离信号的传送。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导，而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。17、答：光纤损耗产生的原因有：吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗。散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成散射性损耗。辐射性损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射磁粒。它对光纤
21、传感器的影响有：弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲；微弯曲：当把光纤组合成光缆时，可能使光纤的轴线产生随机性的微曲。18、答：所谓光电效应，是指物体吸收了具有一定能量的光子后所产生的的电效应。根据光电效应原理工作的光电转换元件称为光电器件。常用的光电器件主要有外光电效应器件和光电效应器件两大类。外光电效应器件的工作基础是基于外光电效应。所谓外光电效应，是指在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。相应光电器件主要有光电管和光电倍增管。光电效应器件的工作基础是基于光电效应。所谓光电效应，是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象，它可分为光导效应和光生伏特效应。光电效应器件主要有：光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管。五、计算题 1、解：2222122.91NASin cnn1.461.450.1710 2222121201Sin cnnnnn 2212carcsin nnarcsin 0.17=9.8