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文档简介

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

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