2025年光电工程及自动化考试题及答案

2025年光电工程及自动化考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于外光电效应的描述中，正确的是（）A.发生在半导体内部，产生光生载流子B.典型器件为光电二极管C.光子能量需大于材料逸出功D.响应速度受载流子扩散时间限制答案：C2.某He-Ne激光器的谐振腔长度为30cm，中心波长为632.8nm，其纵模间隔约为（）A.5×10⁸HzB.1×10⁹HzC.2×10⁹HzD.5×10⁹Hz答案：A（纵模间隔Δν=c/(2L)，c=3×10⁸m/s，L=0.3m，计算得Δν=5×10⁸Hz）3.在自动控制系统中，积分（I）环节的主要作用是（）A.提高系统响应速度B.消除稳态误差C.抑制高频噪声D.改善动态稳定性答案：B4.以下哪种调制方式属于内调制？（）A.电光调制器对激光的强度调制B.LED直接调制驱动电流C.声光调制器对激光的频率调制D.机械斩波器对光束的幅度调制答案：B（内调制是指在光源内部直接调制，如LED或半导体激光器的注入电流调制）5.CCD图像传感器中，电荷转移的关键是（）A.势阱的深度差异B.像素的尺寸大小C.光敏单元的量子效率D.暗电流的抑制能力答案：A（CCD通过相邻电极间的势阱梯度实现电荷包转移）6.某光电探测器的响应度R=0.5A/W，入射光功率为2mW时，输出电流为（）A.0.1mAB.0.5mAC.1mAD.2mA答案：C（I=R×P=0.5×2×10⁻³=1×10⁻³A=1mA）7.自动控制中，根轨迹法主要用于分析系统的（）A.稳态性能B.动态性能C.抗干扰能力D.非线性特性答案：B（根轨迹反映闭环极点随参数变化的轨迹，用于分析动态性能如超调、调节时间等）8.激光的相干性主要来源于（）A.受激辐射的光子具有相同频率、相位和偏振B.谐振腔的选模作用C.泵浦源的高能量密度D.工作物质的粒子数反转答案：A（相干性的核心是光子的相位、频率和偏振一致，由受激辐射特性决定）9.在工业自动化中，用于非接触式测量物体表面温度的传感器通常是（）A.热电偶B.热电阻C.红外测温仪D.压力传感器答案：C（红外测温仪通过检测物体热辐射实现非接触测温）10.下列关于PID控制器参数调整的描述中，错误的是（）A.增大比例系数Kp可减小稳态误差，但可能导致超调增大B.积分时间Ti增大，积分作用增强C.微分时间Td增大，微分作用增强，可抑制高频噪声D.实际应用中需综合调整三个参数以平衡动态和稳态性能答案：B（积分时间Ti越大，积分作用越弱；Ti越小，积分作用越强）二、填空题（每空1分，共20分）1.光电效应可分为外光电效应、内光电效应和__________，其中内光电效应的典型器件包括__________和__________。答案：光热效应；光电二极管；光敏电阻（或光电池、雪崩光电二极管等）2.激光器的基本组成包括__________、__________和__________，其中__________的作用是提供光学正反馈并选择模式。答案：工作物质；泵浦源；谐振腔；谐振腔3.自动控制系统按输入信号特征可分为__________系统（如恒温控制）和__________系统（如随动系统）。答案：恒值控制；随动（或伺服）4.CCD的基本功能是__________、__________和__________，其电荷转移效率通常要求高于__________以保证图像质量。答案：光信号转换；电荷存储；电荷转移；99.9%5.光电检测系统中，噪声主要包括__________、__________和__________，其中__________是与入射光功率相关的散粒噪声。答案：热噪声；散粒噪声；1/f噪声；散粒噪声6.根轨迹的起点是__________的极点，终点是__________的零点（或无穷远）。答案：开环传递函数；开环传递函数三、简答题（每题8分，共40分）1.简述外光电效应与内光电效应的区别，并各举一例典型器件。答案：外光电效应是指金属或半导体表面在光子能量大于材料逸出功时，电子逸出表面形成光电子的现象（1分），典型器件为光电管或光电倍增管（1分）。内光电效应是指光子激发半导体内部产生光生载流子（电子-空穴对），导致材料电学性质变化的现象（2分），分为光电导效应（如光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管）（2分）。两者的本质区别在于外光电效应涉及电子逸出表面，而内光电效应仅发生在材料内部（2分）。2.说明PID控制器中比例（P）、积分（I）、微分（D）环节各自的作用及参数调整对系统性能的影响。答案：比例环节（P）：输出与误差成正比，用于快速响应误差，减小稳态误差（2分）；增大比例系数Kp可加快响应速度，但可能导致超调增大甚至不稳定（1分）。积分环节（I）：输出与误差积分成正比，用于消除稳态误差（2分）；积分时间Ti越小，积分作用越强，但可能引起系统超调增大或振荡（1分）。微分环节（D）：输出与误差变化率成正比，用于预测误差变化趋势，抑制超调，改善动态性能（2分）；微分时间Td越大，微分作用越强，但可能放大高频噪声（1分）。3.激光形成的必要条件有哪些？简述其物理意义。答案：激光形成的必要条件包括：（1）粒子数反转分布：工作物质中高能级粒子数多于低能级，使受激辐射占主导（2分）；（2）光学谐振腔：提供正反馈，使光在腔内往返放大，并通过选模作用输出单色性好的激光（3分）；（3）阈值条件：泵浦源提供的能量需超过阈值，使增益大于损耗，维持激光振荡（3分）。4.简述CCD图像传感器的工作原理，并说明其与CMOS图像传感器的主要区别。答案：CCD工作原理：（1）光电转换：光敏单元将光信号转换为电荷（2分）；（2）电荷存储：在MOS电容势阱中存储电荷（2分）；（3）电荷转移：通过时钟脉冲控制相邻电极的势阱梯度，使电荷包逐行转移至输出端（2分）。与CMOS的区别：CCD为全片转移电荷，需复杂驱动电路，功耗较高但图像质量好；CMOS每个像素集成放大器，可并行读取，功耗低但噪声相对较高（2分）。5.什么是自动控制系统的稳定性？常用的稳定性判据有哪些？各适用于什么情况？答案：稳定性指系统在扰动消失后恢复原平衡状态的能力（2分）。常用判据：（1）劳斯判据：基于特征方程系数，适用于线性定常系统的稳定性判断（2分）；（2）奈奎斯特判据：通过开环频率特性曲线判断闭环稳定性，适用于分析系统的相对稳定性（2分）；（3）根轨迹法：通过闭环极点分布判断稳定性，适用于参数变化时的稳定性分析（2分）。四、计算题（每题10分，共30分）1.某光电检测系统中，使用硅光电二极管（响应度R=0.6A/W）检测波长850nm的光信号。已知入射光功率P=10μW，暗电流Id=5nA，负载电阻RL=1kΩ，环境温度T=300K（玻尔兹曼常数k=1.38×10⁻²³J/K，电子电荷e=1.6×10⁻¹⁹C）。（1）计算输出电流I；（2）计算热噪声电流均方值<in²>（热噪声公式：<in²>=4kTΔf/RL，假设带宽Δf=1MHz）；（3）计算散粒噪声电流均方值<ish²>（散粒噪声公式：<ish²>=2e(I+Id)Δf）。答案：（1）输出电流I=R×P=0.6×10×10⁻⁶=6×10⁻⁶A=6μA（2分）；（2）热噪声电流均方值：<in²>=4×1.38×10⁻²³×300×1×10⁶/(1×10³)=1.656×10⁻¹⁷A²（4分）；（3）散粒噪声电流均方值：I+Id=6μA+5nA≈6μA（近似），<ish²>=2×1.6×10⁻¹⁹×6×10⁻⁶×1×10⁶=1.92×10⁻¹⁸A²（4分）。2.某单位负反馈系统的开环传递函数为G(s)=K/[s(s+1)(s+2)]，试求：（1）系统稳定时K的取值范围；（2）当K=4时，判断系统的稳定性，并计算闭环极点。答案：（1）特征方程：s³+3s²+2s+K=0（2分）。列劳斯表：s³|12s²|3Ks¹|(6-K)/30s⁰|K稳定条件：(6-K)/3>0且K>0，故0<K<6（4分）；（2）K=4时，特征方程s³+3s²+2s+4=0。劳斯表s¹行值=(6-4)/3=2/3>0，满足稳定条件（2分）。求闭环极点：试根法或数值解法，近似解为s≈-3.35，s≈-0.325±j1.09（2分）。3.某二氧化碳激光器的谐振腔为平-凹腔，凹面镜曲率半径R=2m，腔长L=1m。计算该谐振腔的g参数，并判断是否处于稳定区域。答案：平-凹腔中，平面镜的g1=1-L/R1=1-1/∞=1（2分）；凹面镜的g2=1-L/R2=1-1/2=0.5（2分）。稳定条件：0≤g1g2≤1（2分）。计算g1g2=1×0.5=0.5≤1，且大于0，故处于稳定区域（4分）。五、综合分析题（每题15分，共30分）1.设计一个基于光电传感器的自动分拣系统，用于区分黑色（反射率5%）和白色（反射率80%）的塑料件，要求：（1）画出系统组成框图（需包含光源、传感器、信号处理、执行机构）；（2）说明各模块的功能及选型依据；（3）分析可能的干扰因素及解决措施。答案：（1）系统框图：光源→被测物体→光电传感器→信号调理电路→控制器（如PLC）→执行机构（如气动推杆）（3分）；（2）模块功能及选型：-光源：选择可见光LED（如白光LED），波长覆盖光电传感器敏感波段（如400-700nm），需稳定输出以保证反射光强一致性（2分）；-光电传感器：选用反射式光电开关（如红外对管或可见光光敏二极管），接收端根据反射光强差异输出电信号（2分）；-信号处理：包括放大电路（运放放大弱信号）、滤波电路（低通滤波抑制环境光干扰）、比较器（设定阈值区分黑白反射率）（2分）；-执行机构：选用气动推杆或步进电机，响应速度需匹配分拣速率（如10件/秒）（2分）；（3）干扰因素及解决措施：-环境光干扰：采用调制光源（如方波调制）+锁相放大技术，仅提取调制频率的信号（2分）；-物体表面污渍：增加清洁装置（如气吹）或动态调整阈值（根据实时校准信号）（2分）；-传感器安装误差：设计机械定位装置，确保物体与传感器距离一致（2分）。2.结合机器视觉技术，分析其在工业自动化检测中的典型应用（如表面缺陷检测），并说明系统设计的关键步骤及性能指标。答案：典型应用：表面缺陷检测（如金属板材划痕、电子元件焊锡缺陷），通过图像采集、处理、分析实现非接触式、高精度检测（3分）。系统设计关键步骤：（1）需求分析：确定检测对象（如尺寸范围、缺陷类型）、精度要求（如最小可检测缺陷0.1mm）、速度要求（如100件/分钟）（2分）；（2）硬件选型：-相机：选择CCD或CMOS相机，分辨率满足精度（如缺陷0.1mm，视场100mm，需1000像素，故分辨率≥1000×1000）（2分）；-镜头：选择远心镜头（减少透视畸变），焦距匹配视场和工作距离（2分）；-光源：采用环形LED光源（均匀照明）或结构光（增强缺陷对比