部分習題參考答案第9章新型光電傳感器9.1象限探測器與PSD光電位置傳感器有什么異同？各有哪些特點？9.2敘述SSPD自掃描光電二極管陣列工作原理及主要參數特征。9.3CCD電荷耦合器主要由哪兩個部分組成？試描述CCD輸出信號的特點。9.4試述CCD的光敏元和讀出移位寄存器工作原理。9.5用CCD做幾何尺寸測量時應該如何由像元數確定測量精度。9.6CCD信號二值化處理電路主要有哪種電路形式，可起到什么作用？9.7說明光纖傳感器的結構和特點，試述光纖的傳光原理。9.8當光纖的折射率N1=1.46，N2=1.45時，如光纖外部介質N0=1，求最大入射角θc的值。9.9什么是光纖的數值孔徑？物理意義是什么？NA取值大小有什么作用？有一光纖，其纖芯折射率為1.56，包層折射率為1.24，求數值孔徑為多少？9.10光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區別？9.11圖9-36為Y結構型光纖位移測量原理圖，光源的光經光纖的一個分支入射，經物體反射后光纖的另一分支將信號輸出到光探測器上。光探測器的輸出信號與被測距離有什么樣關系，試說明其調制原理，畫出位移相對輸出光強的特性曲線。9.12光纖可以通過哪些光的調制技術進行非電量的檢測，說明原理。9.13埋入式光纖傳感器有哪些用途，舉例說明可以解決哪些工程問題。答案9.1答：1）象限探測器它是利用光刻技術，將一個整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分隔成若干個面積相等、形狀相同、位置對稱的區域，這就構成了象限探測器。PSD光電位置傳感器是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電器件。兩種器件工作機理不同，但其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關。光電位置傳感器被廣泛應用于激光束對準、平面度檢測、二維坐標檢測以及位移和振動測量系統。2）象限探測器有幾個明顯缺點：它需要分割從而產生死區，尤其當光斑很小時，死區的影響更明顯。若被測光斑全部落入某個象限時，輸出的電信號無法表示光斑位置，因此它的測量范圍、控制范圍都不大，測量精度與光強變化及漂移密切相關，因此它的分辨率和精度受到限制。與象限探測器相比PSD傳感器有以下特點：（1）它對光斑的形狀無嚴格要求，即輸出信號與光的聚焦無關，只與光的能量中心位置有關，這給測量帶來很多方便。（2）光敏面上無須分割，消除了死區，可連續測量光斑位置，位置分辨率高，一維PSD可達0.2μm。（3）可同時檢測位置和光強，PSD器件輸出的總光電流與入射光強有關，而各信號電極輸出光電流之和等于總光電流，所以由總光電流可求得相應的入射光強。9.2答：（略）9.3答：1）CCD基本結構由MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器兩部分組成。2）CCD電極傳輸電荷方向（向右或向左）是通過改變三相時鐘脈沖的時序來控制的，輸出的幅值與對應的光敏元件上電荷量成正比。信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出和電壓輸出兩種，電流輸出型是輸出電流與電荷成正比，在輸出電路負載上形成輸出電流。9.4答：（略）9.5答：兩個光敏像元的空間尺寸必須小于被測量的最小尺寸。可測量的范圍是像元總寬度：如，1024（相元數）×0.014mm（光敏像元的空間尺寸）=14.39.6答：普遍采用的CCD視頻信號二值化處理電路是電壓比較器，比較器的反相端接一個閾值電平，視頻信號電平高于閾值電平的部分均輸出高電平，而低于閾值電平部分均輸出低電平，在比較器的輸出端就得到只有高低兩種電平的二值信號，二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。反映在CCD視頻信號中所對應的圖像尺寸邊界處會有明顯的電平急劇變化，通過二值化處理把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。9.7答：（略）9.8解：9.9答：1）數值孔徑定義為：，表示了光纖的集光能力，無論光源的發射功率有多大，只有在2張角之內的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。2）NA越大集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易，但NA越大光信號畸變越大，所以要選擇適當。3）9.10答：光纖傳感器大致可分為功能型和非功能型兩大類，它們的基本組成相似，有光源、入射光纖、調制器、出射光纖、光敏器件。功能型又稱傳感型，這類傳感器利用光纖本身對外界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使光強、相位、偏振態等光學特性得到調制，調制后的信號攜帶了被測信息。如果外界作用時光纖傳播的光信號發生變化，使光的路程改變，相位改變，將這種信號接收處理后，可以得到與被測信號相關的變化電信號。非功能型又稱傳光型，這時光纖只作傳播光媒介，待測對象的調制功能是由其它轉換元件實現的，光纖的狀態是不連續的，光纖只起傳光作用。9.11答：（略）9.12答：光強度調制：利用外界物理量改變光纖中的光強度，通過測量光強的變化測量被測信息。根據光纖傳感器探頭結構形式可分為透射、反射、折射等方式調制。相位調制：一般壓力、張力、溫度可以改變光纖的幾何尺寸（長度），同時由于光彈效應光纖折射率也會由于應變而改變，這些物理量可以使光纖輸出端產生相位變化，借助干涉儀可將相位變化轉換為光強的變化。干涉系統的種類很多，