1、CH9光电式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答第9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
2、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 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、光电式传感器是利用（ ）把光信号转换成电信号。A. 被测量 B. 光电效应 C. 光电管 D. 光电器件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受一定波长范围的光
3、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 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
4、长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一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.
5、绝缘晶体 D.压电晶体18、利用光纤本身的某种敏感特性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.
6、光刻玻璃 B.石英玻璃 C.光刻硅 D.钛铝合金22、数值孔径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23、循环码0110对应的二进制码是（ ）。A. 0110 B. 0100 C. 0101 D. 100124、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距（ ）A与栅线的宽度成正比 B.与栅线间宽成正比C与夹角近似成正比 D.与栅距近似成正比25、现有一个采用4位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是0011，终止位置对应的编码是0
7、101，则该码盘转动的角度可能会是（ ）A45 B.60 C.90 D.12026、现有一个采用4位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是0011，终止位置对应的编码是1111，则该码盘转动的角度可能会是（ ）A60 B.90 C.180 D.270 27、一个6位的二进制光电式编码器，其测量精度约为（ ）A5.6 B. 0.17 C0.016 D. 6028、（ ）属于脉冲盘式编码器。A接触式编码器B光电式编码器C增量编码器D电磁式编码器29、采用50线/mm的计量光栅测量线位移,若指示光栅上的莫尔条纹移动了12条,则被测线位移为（ ）mm A0.02 B. 0.12 C 0.
8、24 D. 0.48 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
9、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内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6、以下传感器中属非接触式的有：（ ）A.电磁式编码器 B.光电式编码器 C.脉冲盘式编码器 D.计量光栅7、计量光栅的特点是（ ）。A测量精度高B成本低C非接触式D对环境要求不高三、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、光
10、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内部电阻率改变的 效应，这
11、类元件有 ；第三类是利用在光线作用下使物体内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。11、循环码1101对应的二进制码是 。12、采用4位二进制码盘能分辨的角度为 。13、计量光栅是利用光栅的 现象进行测量的。14、光栅测量原理是以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为 。15、莫尔条纹有 、 和 这三个重要特点。16、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距与 近似成反比。17、目前为止，数字式传感器最主要的两种类型是 和 。18、直线式编码器用于测量 ， 用于测量角位移。19、计量光栅主要由 和 两部分组成。20、计量光栅中的光电转换装置包括主光栅、 、 和
12、光电元件。21、为了提高光栅的分辨率，测量比栅距更小的位移量，光栅采用细分技术，常有的细分技术有直接细分、 和 。22、数字式传感器是能够直接将 转换为 的传感器。与模拟式传感器相比，具有测量精度和分辨率高、 、抗干扰能力强、便于与微机接口和适宜 的优点。23、数字式传感器主要有 和 两种类型，可用于 和 测量。24、编码器按结构形式可分为 和 两大类，分别用于测量 和 。25、计量光栅利用光栅的 现象，以线位移和 为基本测试内容，应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、制造大规模集成电路的设备及检测仪器等。26、计量光栅按应用范围不同可分为 和 ；按用途不同有测量线位移的 和 ；按光栅结构不同，
13、又可分为 和 。四、简答题1、什么是光电式传感器？2、光电式传感器的基本工作原理是什么？ 3、光电式传感器的基本形式有哪些？4、什么是光电器件？5、典型的光电器件有哪些？6、CCD的电荷转移原理是什么？7、什么是全反射？8、光纤的数值孔径有何意义？9、何谓CCD势阱？ 10、光电器件有哪几种类型？各有何特点？11、光在光纤中是怎样传输的？12、对光纤及入射光的入射角有什么要求？13、试述光敏电阻的工作原理。14、试述光敏二极管的工作原理。15、试述光敏三极管的工作原理。16、试述光电池的工作原理。17、简述什么是光电导效应？18、简述什么是光生伏特效应？19、简述什么是外光电效应？20、典型的
14、光电器件有哪些？21、简述光纤传感器的组成。22、简述光纤传感器的工作原理。23、请简述光导纤维传光原理。24、请简述半导体光吸收型光纤温度传感器的工作原理。25、什么是光电效应? 26、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。27、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？ 28、光纤损耗是如何产生的？29、光纤损耗对光纤传感器有哪些影响？30、什么是光电效应和光电器件？31、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。32、利用某循环码盘测得的结果为“0110”，其实际转过的角度是多少？33、透射式光栅传感器的
15、莫尔条纹是怎样产生的？条纹间距、栅距和夹角的关系是什么？ 34、如何判别光栅传感器的运动方向？ 35、如何实现提高光电式编码器的分辨率？36、二进制码与循环码各有何特点？并说明它们的互换原理。37、简述光栅莫尔条纹测量位移的三个主要特点?38、简述光栅读数头的组成和工作原理？39、简述计量光栅的结构和基本原理。40、试区分硅光电池和硒光电池的结构与工作原理。41、试介绍MOS光敏单元的工作原理。42、CCD的电荷转移原理是什么？43、试对面阵型CCD图像传感器进行分类，并介绍它们各自有何特点？44、为什么要求CCD器件的电荷转移效率要很高？45、举例说明CCD图像传感器的应用。46、试解释光电
16、式编码器的工作原理。47、计量光栅是如何实现测量位移的？48、计量光栅中为何要引入细分技术？49、细分的基本原理是什么？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。2、一个8位光电码盘的最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度至大为0.01mm，则码盘半径应有多大？3、一个21码道的循环码盘，其最小分辨力1=?，若一个1角对应圆弧长度至少为0.001mm，问码盘直径多大？4、若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指标光栅之间夹角。求：(1)求其形成的莫尔条纹间距是多少?(2)若采用四只光敏二
17、极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为，问此时光栅允许最快的运动速度是多少?5、利用一个六位循环码盘测量角位移,其最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度最大为0.01mm,则码盘半径应有多大?若码盘输出数码为“101101”,初始位置对应数码为“110100”,则码盘实际转过的角度是多少？6、设某循环码盘的电刷初始位置为“0000”，利用该循环码盘测得结果为“0110”，其实际转过的角度是多少？第9章 光电式传感器一、单项选择题题号答案知识点1D光电式传感器的类别2A光电效应与光电器件3B光电效应与光电器件4C光电效应与光电器件5C光电效应与光电器件6D光电效应与光
18、电器件7D概述8D光电效应与光电器件9C光电效应与光电器件10CCCD图像传感器11DCCD图像传感器12A光纤传感器13D光纤传感器14A光纤传感器15D光纤传感器16D光纤传感器17C光纤传感器18B光纤传感器19C光纤传感器20A光纤传感器21B光纤传感器22B光纤传感器23B光电式编码器24D计量光栅25C光电式编码器26C光电式编码器27A光电式编码器28C光电式编码器29C计量光栅二、多项选择题题号答案知识点1AB光纤传感器2ABCD光纤传感器3ABD光纤传感器4ABC光纤传感器5ABCD光纤传感器6ABD光电式传感器7AC计量光栅三、填空题 题号答案知识点1光路；电路光电式传感器
19、的基本形式2亮电流；暗电流光电效应与光电器件3处于反向偏置光电效应与光电器件4电荷CCD固体图像传感器5光的全反射光纤传感器6光导纤维；光通信技术光纤传感器7泵浦系统；滤光系统光纤传感器8光电效应传感器；光纤传感器光纤传感器9透射式；反射式光电式传感器的基本形式10外光电；光电管、光电倍增管；内光电；光敏电阻光电效应与光电器件111001 光电式编码器1222.5光电式编码器13莫尔条纹计量光栅14光栅栅距计量光栅15位移放大；辨别运动方向（辨向）；误差平均效应计量光栅16（刻线）夹角计量光栅17编码器；脉冲数字传感器光电式编码器18线位移；旋转式编码器光电式编码器19光电转换装置；光栅数显表
20、计量光栅20指示光栅；光路系统计量光栅21倍频细分；电桥细分 计量光栅22非电量；数字量；稳定性好；远距离传输光电式编码器23编码器；脉冲数字传感器；位移；计数光电式编码器24直线式；旋转式；线位移；角位移光电式编码器25莫尔条纹；角位移计量光栅26透射光栅；射光栅；长光栅；圆光栅；幅值（黑白）光栅；相位（闪耀）光栅计量光栅四、简答题1、答：光电式传感器（或称光敏传感器）：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。知识点：概述2、答：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。知识点：概述3、答：光电式传感器按测量光路组成来看，可分为
21、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知识点：光电式传感器的基本形式4、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。知识点：光电效应与光电器件5、答：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，基于内光电效应的光电池、光敏电阻、光敏二极管以及光敏三极管。知识点：光电效应与光电器件6、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
22、加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。 知识点：CCD图像传感器7、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内部，即发生全反射。知识点：光纤传感器8、答：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范围内输入全反射光，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。知识点：光纤传感器9、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，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si
23、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。知识点：CCD图像传感器10、答：光电器件有两种类型，一种是基于内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。内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。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
24、应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。知识点：光电效应与光电器件11、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。对光纤的要求是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。知识点：光纤传感器12、答：对入射角的要求是入射角小于临界角。知识点：光纤传感器13、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
25、，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。知识点：光电效应与光电器件14、答：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。 知识点：光电效应与光电器件15、答：光敏二极管是基于内光电效应中的光生伏特效应。知识点：光电效应与光电器件16、答：光敏三极管是基于内光电效应中的光生伏特效应。知识点：光电效应与光电器件17、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。知识点：光电效应与光电器件18、答：光生伏特效应
26、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。知识点：光电效应与光电器件19、答：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。知识点：光电效应与光电器件20、答：光电导效应的典型光电器件是光敏电阻；光生伏特效应的典型光电器件是光电池；外光电效应的典型光电器件是光电管（光电二极管、光电晶体管）、倍增管。知识点：光电效应与光电器件21、答：光纤传感器由光源、（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。知识点：光纤传感器22、答：光纤传感器的工作原理：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，在光的调制区内，使光
27、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。知识点：光电效应与光电器件23、答：当光线从折射率为n1的介质入射到折射率为的介质时，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：，其中是光纤纤芯的折射率，是其包层介质的折射率。因为 ，则，当入射角增大到某一角度时，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，当继续增大时，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
28、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。知识点：光电效应与光电器件24、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，测出光强变化就可知对应的温度变化。这类温度计的测温范围为-30300。知识点：光电效应与光电器件25、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、
29、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。知识点：光电效应与光电器件26、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。知识点：光电效应与光电器件27、答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，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内反射，并在光纤内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，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。知识点
