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1、第八章 課后習(xí)題及答案,8.1 什么叫外光電效應(yīng)?由愛因斯坦光電效應(yīng)方程式得出的兩個基本概念是什么?,P230 答:1. 光線照射在某些物體上,使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 2.1 光的波長越短,也就是頻率越高,光子的能量也越大; 2.2 光的波長越長,其光子的能量也就越小。,8.2 什么叫內(nèi)光電效應(yīng)?什么叫內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)?,P231 答:1. 當(dāng)光照射在物體上,使物體的電阻率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 2. 在光線作用下,電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài),而引起材料電阻率的變化,這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 3. 在光線作用下能夠使物體
2、產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。,8.3 試述光電管的簡單結(jié)構(gòu)及其光譜特性、伏安特性、光電特性和暗電流的特點(diǎn)。,P232 答:1. 首先光電管有真空光電管和充氣光電管兩類,兩者結(jié)構(gòu)類似。就真空光電管來說它是一個真空玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極:光電陰極和陽極。 2. 光譜特性:一般對于光電陰極材料不同的光電管,它們具有不同的紅限頻率v0,因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外,即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0,并且強(qiáng)度相同,隨著入射光頻率的不同,陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會不同。即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同,這就是光電管的光譜特性。,3. 伏安特性:當(dāng)入射光的頻譜及光通量
3、一定時,陽極電壓與陽極電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。 4. 光電特性:當(dāng)光電管陽極與陰極間所加電壓和入射光頻譜一定時,陽極電流I與入射光在光電陰極上的光通量之間的關(guān)系。 5. 暗電流的特點(diǎn):沒有光信號輸入時,加上電壓后陽極仍有電流。,8.4 試述光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理與光電管的異同點(diǎn)。若入射光子為103個(1個光子等效于1個電子電量)。光電倍增管共有16個倍增極,輸出陽極電流為20A,且16個倍增極二次發(fā)射電子數(shù)按自然數(shù)的平方遞增,試求光電倍增管的電流放大倍數(shù)和倍增系數(shù)。,P234 答:1. 它由光電陰極,若干倍增極和陽極三部分組成。 2. 工作原理:入射光在光電陰極上激發(fā)出光電子,由于各極
4、間有電場存在,所以陰極激發(fā)出的光電子被加速后轟擊第一倍增極,第一倍增極受到一定能量的電子轟擊后,能放出更多的電子,稱為“二次電子”,每個極都能接受前一極的二次電子,而在各個倍增極上順序加上越來越高的正電壓。,這樣如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個光電子,這個電子被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極,設(shè)第一倍增極有個二次電子發(fā)出,這個電子又被第二倍增極加速后轟擊第二倍增極,而產(chǎn)生的二次電子又增加倍,由此經(jīng)過n個倍增極后,原先的一個光電子將變?yōu)閚個電子,這些電子最后被陽極所收集而在外電路形成電流。 3.解:=I/i =20/1000*1.6*10-19 =1.25*10-17 =12
5、+22+32+.+162 =1.496*103,8.5 試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管的性能差異,給出什么情況下應(yīng)選用哪種器件最為合適的評述。,答:1. 光敏電阻的光電流和電壓成線性關(guān)系。不同的光照度可以得到不同的伏安特性,表明電阻值隨光照度發(fā)生變化。光照度不變的情況下,電壓越高,光電流也越大,而且沒有飽和現(xiàn)象。由于光敏電阻的光照特性是非線性的,因此不適宜作線性敏感元件 ,這是光敏電 阻的缺點(diǎn)之一。所以在自動控制中光敏電阻常用作開關(guān)量的光電傳感器 。 2. 光電池的特點(diǎn)是工作時不需要外加偏壓,接收面積小,使用方便。缺點(diǎn)是響應(yīng)時間長。光電池的光照特性為開路電壓與光照度之間為對數(shù)關(guān)
6、系,因而具有飽和性。因此,把硅光電池作為敏感元件時,應(yīng)該把它當(dāng)作電流源的形式使用,即利用短路電流與光照度成線性的特點(diǎn),這是硅光電池的主要優(yōu)點(diǎn)。,3. 光敏二極管的光照特性亦呈良好線性,這是由于它的電流靈敏度一般為常數(shù)。而光敏三極管在弱光時靈敏度低些,在強(qiáng)光時則有飽和現(xiàn)象,這是由于電流放大倍數(shù)的非線性所至,對弱信號的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時,可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。 4. 光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大好幾十倍,零偏壓時,光敏二極管有光電流輸出,而光敏三極管則無光電流輸出。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動勢,只因光電三極管的集電結(jié)在無反向偏壓時沒有放大作用,所以此時沒有
7、電流輸出(或僅有很小的漏電流)。,8.6 光電效應(yīng)器件中哪種響應(yīng)快?比較內(nèi)光電效應(yīng)器件的頻率特性。,答:1. 光伏效應(yīng)中,與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為,因?yàn)樯贁?shù)載流子的壽命通常很短,所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。 2. 光敏電阻:其頻率特性與材料有關(guān) 光敏管:具有一定頻率的調(diào)制光照射光敏管時,光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨調(diào)制頻率而變化。其頻率響應(yīng)與其自身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長等因素有關(guān)。 光電池:其頻率特性是輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。,8.7 當(dāng)采用波長為800-900nm的紅外光源時,宜采用哪幾種光電器件作
8、為測量元件?為什么?,答:硅光電池,鍺管等 硅光電池的光譜響應(yīng)范圍在400-1200nm范圍,用紅外光進(jìn)行探測時鍺管較為適宜。,8.8 試分別使用光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管設(shè)計(jì)一個適合TTL電平輸出的光電開關(guān)電路,并敘述其工作原理。,使用開關(guān)量來控制,串聯(lián)光敏電阻、光電池、光敏二極管作為開關(guān)。三極管注意極性,e接地,b為接受光源端,c接電源+。,8.9 假如打算設(shè)計(jì)一種光電傳感器,用于控制路燈的自動亮滅(天黑自動點(diǎn)亮,天明自動熄滅)。試問可以選擇哪種光電器件?這里利用該光電器件什么特性?,8.10 光電轉(zhuǎn)速傳感器的測量原理是將被測軸的轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)頻率的脈沖信號,然后,測出脈沖頻
9、率即可測得轉(zhuǎn)速的數(shù)值。試根據(jù)這一思路畫出光電轉(zhuǎn)速傳感器的檢測變換部分的工作原理示意圖,圖中的光電轉(zhuǎn)換元件選用哪種光電器件比較合適?為什么?,8.11 利用光敏三極管和NPN硅三極管實(shí)現(xiàn)圖8-38的控制電路,并敘述其工作過程。,8.12 簡述發(fā)光二極管的工作原理及其光譜特性。,在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中,電子與空穴(電洞)復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 課件有,8.13 光電耦合器的基本結(jié)構(gòu)是什么?它有哪些優(yōu)點(diǎn)?,發(fā)光器件與光敏元件集成 優(yōu)點(diǎn)(1) 能夠有效抑制接地回路的噪聲,消除地干擾,使信號現(xiàn)場與主控制端在電氣上完全隔離,避免了主控制系統(tǒng)受到意外損壞. (
10、2) 可以在不同電位和不同阻抗之間傳輸電信號,且對信號具有放大和整形等功能,使得實(shí)際電路設(shè)計(jì)大為簡化. (3) 開關(guān)速度快,高速光電耦合器的響應(yīng)速度到達(dá)ns數(shù)量級,極大的拓展了光電耦合器在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用. (4) 體積小,器件多采用雙列直插封裝,具有單通道、雙通道以及多達(dá)八通道等多種結(jié)構(gòu),使用十分方便.,(5) 可替代變壓器隔離,不會因觸點(diǎn)跳動而產(chǎn)生尖峰噪聲,且抗震動和抗沖擊能力強(qiáng). (6) 高線性型光電耦合器除了用于電源監(jiān)測等,還被用于醫(yī)用設(shè)備,能有效地保護(hù)病人的人生安全. 具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)無觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等。,8.14 試敘述光纖
11、傳感器所用光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理。,課件有 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,就會在光纖的接口上產(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。,8.15 什么是單模光纖和多模光纖?并敘述駐波和模的關(guān)系。,答:單模光纖(Single Mode Fiber):中心纖芯很細(xì)(芯徑一般為9或10m),只能傳一種模式的光。因此,其模間色散很小,適用于遠(yuǎn)程通訊,但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散,這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求,即譜寬要窄,穩(wěn)定性要好。 多模光纖(Multi Mode Fiber) 芯較粗(50或62.5m),可傳
12、多種模式的光。但其模間色散較大,這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率,而且隨距離的增加會更加嚴(yán)重。因此,多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近,一般只有幾公里。,8.16 在自由空間,波長0=500m的光從真空進(jìn)入金剛石(nd=2.4)。在通常情況下當(dāng)光通過不同物質(zhì)時頻率是不變的,試計(jì)算金剛石中該光波的速度和波長。,解: v=c/nd =c/2.4=0.4167c ,c為光速; =0 / nd =0 /2.4=0.41670 =208.3m , 0 為光速,8.17 利用Snell定律推導(dǎo)出臨界角c的表達(dá)式。計(jì)算水與空氣分界面(n水=1.33)的c值。,解:n水sinc =n0 sin/2=n0 sinc= n0
13、 / n水 c =arcsin1/1.33=48.76,8.18 求光纖n1=1.46,n2=1.45的NA值;如果外部的n0=1,求光纖的臨界入射角。,解:當(dāng)n0 =1時 NA= = =0.1706 所以, c =sin-1 NA =9.82,8.19 一邁克爾遜干涉儀用平均波長為634.8nm、線寬0.0013nm的鎘紅光源,初始位置時光成差為零,然后,慢慢移動圖8-52所示系統(tǒng)中的可移動四面體5,直到條紋再消失。求該鏡子必須移動多少距離?它相當(dāng)于多少個波長?,8.20 光纖傳感器有哪兩大類型?它們之間有何區(qū)別?,光纖傳感器可以分為兩大類:一類是功能型(傳感型)傳感器;另一類是非功能型(傳
14、光型)傳感器。 功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制,使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化,再通過對被調(diào)制過的信號進(jìn)行解調(diào),從而得出被測信號。 非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。,8.21 相位調(diào)制型光纖傳感器的基本檢測方法是什么?該類傳感器的主要技術(shù)難點(diǎn)是什么?,試說明相位調(diào)制傳感器的工作原理、應(yīng)用及特點(diǎn)。 352答:其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或變化,而導(dǎo)致光的相位變化,然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。通常有:利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動
15、傳感器;利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器;利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器(光纖陀螺)等。這類傳感器的靈敏度很高,但由于需用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng),因此成本高。,8.22 根據(jù)頻率調(diào)制原理,設(shè)計(jì)一個用光纖傳感器測試石油管道中原油流速的系統(tǒng),并敘述其工作原理。,試說明頻率調(diào)制光纖傳感器的工作原理、應(yīng)用。 360答:這是一種利用由被測對象引起的光頻率的變化來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。通常有利用運(yùn)動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器;利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器;以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。,8.23 試說明有關(guān)輻射的基爾霍夫定律、斯忒藩-波爾茲曼定律和維思位移定律各自所闡述的側(cè)重點(diǎn)是什么?,8.24 計(jì)算一塊氧化鐵被加熱到100時,它能輻射出多少瓦的能量?(鐵塊的比輻射率在100時為0.09,鐵塊表面積為0.9m2)。,解: E=T
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