光電檢測系統作業答案：第一章：1-2：使用一定的敏感器和傳感器，對被測量感知，并轉化為電信號，實現非電量的檢測。1-7：題目自擬。第二章：2-2：光照PN結產生光生載流子，在PN結兩端出現電動勢，稱為光生伏特效應。在光生伏特效應中，與光照相聯系的是少數載流子的行為，少數載流子的壽命通常很短，所以光生伏特效應的探測器比光電導探測機器有更快的響應速度。2-4：光電效應是指光照射到物體表面上使物體發射電子、或電導率發生變化、或產生光電動勢的現象。光電效應實質上是入射光輻射與物質中束縛于晶格的電子或自由電子的相互作用所引起的。光電效應對光頻率(波長)具有選擇性，在光子與電子的相互作用下，其響應速度比較快。按照是否發射電子可將光電效應分為內光電效應和外光電效應，具體有光電子發射效應、光電導效應、光生伏特效應等。光熱效應是指探測元件在吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態的變化，而是把吸收的光能變為晶格的熱運動，引起探測元件溫度的上升，溫度上升的結果又使探測元件與溫度有關的電學性質或其他物理性質發生變化。原則上，光熱效應對光波頻率(波長)沒有選擇性，因而物質溫度的變化僅決定于光功率，而與入射光輻射的光譜成分無關。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應的響應速度一般比較慢，而且容易受環境溫度變化的影響。光熱效應包括熱釋電效應、溫差電效應和輻射熱計效應等。第三章3-4：該題參數不夠3-5：光電導器件響應時間受入射光的照度、所加電壓和負載電阻大小等因素限制。光伏器件的工作頻率比光電導器件的工作頻率高。實際使用中主要通過電路設計來改善工作頻率響應，如合理地設計負載電阻的大小。3-13:由于光照度增大到一定程度后，硅光電池的p-n結產生的光生載流子數達到飽和，其開路電壓也將受到勢壘高度的限制，因此不會再隨入射照度的增大而增大。硅光電池的最大開路電壓由表達式可得，其中UT≈0.26mV，S為光電靈敏度，?為光照度，通常Uoc≈0.45~0.6V。因為在有負載的情況下，，包含了擴散電流和暗電流的影響，使得硅光電池在有負載下的輸出電壓總小于開路電壓。3-19：影響光生伏特器件頻率響應特性的主要因素有：PN結面積、光照強度、偏置方式與偏置電壓、負載電阻大小等。PN結硅光電二極管的最高工作頻率≤107Hz的原因是：硅光電二極管的結面積較大、受材料限制PN結擊穿電壓不高。提高其頻率響應的主要方法是結構上增加I層，構成PIN光電二極管。第四章P1094-2：解：從圖中可以看出，暗電流,輸入光通量從0~150μlm之間，光電流變化為，因此，負載電阻為：4-3：解：由已知條件可得：初始電導：，最佳負載：，輸出電壓：輸出電流：，輸出功率：。4-5：解：由已知條件可得：，則陽極噪聲電流為：，負載上的噪聲電壓：，信噪比：。4-6：解：前置放大器的噪聲系數可由該公式表示：，當Rs較小時，放大器的噪聲電壓En項大于其他兩項，隨源電阻Rs的增加，熱噪聲增加，噪聲系數由于源電阻熱噪聲的增大而減小。當Rs增加到足夠大時，放大器的噪聲電流項InRs成為主要項，以至噪聲系數隨源電阻的增加而增加。在其中某個Rs值時，噪聲系數存在一個最小值，此時放大器在源熱噪聲基礎上噪聲增加最小，這個源電阻稱做最佳源電阻R0。，此時，稱為噪聲匹配條件，則噪聲系數最小值為：。第五章P1335-8:解：在脈沖激光測距機中，測量的空間分辨率，其中τ為脈沖寬度，c為空氣中的光速，則主時鐘頻率為：。5-9：解：脈沖激光測距的原理是由激光器對被測目標發射一個光脈沖，然后接收目標發射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經過的時間來計算出目標的距離，主要優點是其原理和結構簡單，測量距離遠，但絕對測距精度較低。相位激光測距的原理是通過測量從測距機發出的連續調制光在待測距離上往返所產生的相位移來計算待測距離的，其測距精度比脈沖測距法高，但系統結構和信號解調復雜，并且需要加合作目標。脈沖激光測距和相位激光測距都易受到大氣、地形等自然條件因素的限制和影響，降低其測量距離和測距精度。5-10：解：根據題目要求，系統測距精度為1cm，且測尺的精度為1%，因此最短測尺長度為：，由于最大測量距離為10km，當采用10km的測尺時，其測距精度為10km×1%=100m，此精度不能滿足0~100m間的測量精度，因此還需要長度為100m的測尺，其測量精度為100m×1%=1m，則該測距系統需要3個測尺，其長度分別為：，各測尺所對應的頻率為：，，。第六章P1556-2：解：光外差檢測中頻輸出有效信號功率：，則，。6-5：解：應用光的干涉效應進行測量的方法稱為干涉測量技術，目前常用來測量長度的干涉儀，主要是以邁克爾遜(Michelson)干涉儀為主，由穩頻激光光源，干涉系統，光電顯微鏡，干涉信號處理部分，構成一個具有干涉作用的測量系統，如圖所示。激光光經由分束鏡將光束一分為二，一束射向一個固定反射鏡形成參考路徑，一束射向可移動的反射鏡形成測量距徑。這二反射鏡所反射的光，回到分束鏡內重新會合，合并成一道光束并產生干涉條紋射至光電傳感器，因傳感器感測出這些條紋的明暗變化，經由后級信號處理電路加以處理，即能計算出移動反射鏡(待測物)所移動的距離，則距離，其中N為移動條紋數，λ為激光波長。圖1邁克爾遜干涉儀結構第七章P1867-2：解：功能型光纖傳感器利用光纖本身對被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強、相位、偏振態等光特性得到調制，調制后的信號攜帶了被測信息。傳光型光纖傳感器利用其他敏感元件感受被測量的變