2025年光電工程及自動(dòng)化考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于外光電效應(yīng)的描述中，正確的是（）A.發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)部，產(chǎn)生光生載流子B.典型器件為光電二極管C.光子能量需大于材料逸出功D.響應(yīng)速度受載流子擴(kuò)散時(shí)間限制答案：C2.某He-Ne激光器的諧振腔長(zhǎng)度為30cm，中心波長(zhǎng)為632.8nm，其縱模間隔約為（）A.5×10?HzB.1×10?HzC.2×10?HzD.5×10?Hz答案：A（縱模間隔Δν=c/(2L)，c=3×10?m/s，L=0.3m，計(jì)算得Δν=5×10?Hz）3.在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，積分（I）環(huán)節(jié)的主要作用是（）A.提高系統(tǒng)響應(yīng)速度B.消除穩(wěn)態(tài)誤差C.抑制高頻噪聲D.改善動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性答案：B4.以下哪種調(diào)制方式屬于內(nèi)調(diào)制？（）A.電光調(diào)制器對(duì)激光的強(qiáng)度調(diào)制B.LED直接調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流C.聲光調(diào)制器對(duì)激光的頻率調(diào)制D.機(jī)械斬波器對(duì)光束的幅度調(diào)制答案：B（內(nèi)調(diào)制是指在光源內(nèi)部直接調(diào)制，如LED或半導(dǎo)體激光器的注入電流調(diào)制）5.CCD圖像傳感器中，電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵是（）A.勢(shì)阱的深度差異B.像素的尺寸大小C.光敏單元的量子效率D.暗電流的抑制能力答案：A（CCD通過(guò)相鄰電極間的勢(shì)阱梯度實(shí)現(xiàn)電荷包轉(zhuǎn)移）6.某光電探測(cè)器的響應(yīng)度R=0.5A/W，入射光功率為2mW時(shí)，輸出電流為（）A.0.1mAB.0.5mAC.1mAD.2mA答案：C（I=R×P=0.5×2×10?3=1×10?3A=1mA）7.自動(dòng)控制中，根軌跡法主要用于分析系統(tǒng)的（）A.穩(wěn)態(tài)性能B.動(dòng)態(tài)性能C.抗干擾能力D.非線性特性答案：B（根軌跡反映閉環(huán)極點(diǎn)隨參數(shù)變化的軌跡，用于分析動(dòng)態(tài)性能如超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間等）8.激光的相干性主要來(lái)源于（）A.受激輻射的光子具有相同頻率、相位和偏振B.諧振腔的選模作用C.泵浦源的高能量密度D.工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)答案：A（相干性的核心是光子的相位、頻率和偏振一致，由受激輻射特性決定）9.在工業(yè)自動(dòng)化中，用于非接觸式測(cè)量物體表面溫度的傳感器通常是（）A.熱電偶B.熱電阻C.紅外測(cè)溫儀D.壓力傳感器答案：C（紅外測(cè)溫儀通過(guò)檢測(cè)物體熱輻射實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)溫）10.下列關(guān)于PID控制器參數(shù)調(diào)整的描述中，錯(cuò)誤的是（）A.增大比例系數(shù)Kp可減小穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導(dǎo)致超調(diào)增大B.積分時(shí)間Ti增大，積分作用增強(qiáng)C.微分時(shí)間Td增大，微分作用增強(qiáng)，可抑制高頻噪聲D.實(shí)際應(yīng)用中需綜合調(diào)整三個(gè)參數(shù)以平衡動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能答案：B（積分時(shí)間Ti越大，積分作用越弱；Ti越小，積分作用越強(qiáng)）二、填空題（每空1分，共20分）1.光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和__________，其中內(nèi)光電效應(yīng)的典型器件包括__________和__________。答案：光熱效應(yīng)；光電二極管；光敏電阻（或光電池、雪崩光電二極管等）2.激光器的基本組成包括__________、__________和__________，其中__________的作用是提供光學(xué)正反饋并選擇模式。答案：工作物質(zhì)；泵浦源；諧振腔；諧振腔3.自動(dòng)控制系統(tǒng)按輸入信號(hào)特征可分為_(kāi)_________系統(tǒng)（如恒溫控制）和__________系統(tǒng)（如隨動(dòng)系統(tǒng)）。答案：恒值控制；隨動(dòng)（或伺服）4.CCD的基本功能是__________、__________和__________，其電荷轉(zhuǎn)移效率通常要求高于__________以保證圖像質(zhì)量。答案：光信號(hào)轉(zhuǎn)換；電荷存儲(chǔ)；電荷轉(zhuǎn)移；99.9%5.光電檢測(cè)系統(tǒng)中，噪聲主要包括__________、__________和__________，其中__________是與入射光功率相關(guān)的散粒噪聲。答案：熱噪聲；散粒噪聲；1/f噪聲；散粒噪聲6.根軌跡的起點(diǎn)是__________的極點(diǎn)，終點(diǎn)是__________的零點(diǎn)（或無(wú)窮遠(yuǎn)）。答案：開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)；開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述外光電效應(yīng)與內(nèi)光電效應(yīng)的區(qū)別，并各舉一例典型器件。答案：外光電效應(yīng)是指金屬或半導(dǎo)體表面在光子能量大于材料逸出功時(shí)，電子逸出表面形成光電子的現(xiàn)象（1分），典型器件為光電管或光電倍增管（1分）。內(nèi)光電效應(yīng)是指光子激發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴對(duì)），導(dǎo)致材料電學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象（2分），分為光電導(dǎo)效應(yīng)（如光敏電阻）和光生伏特效應(yīng)（如光電池、光電二極管）（2分）。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于外光電效應(yīng)涉及電子逸出表面，而內(nèi)光電效應(yīng)僅發(fā)生在材料內(nèi)部（2分）。2.說(shuō)明PID控制器中比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)各自的作用及參數(shù)調(diào)整對(duì)系統(tǒng)性能的影響。答案：比例環(huán)節(jié)（P）：輸出與誤差成正比，用于快速響應(yīng)誤差，減小穩(wěn)態(tài)誤差（2分）；增大比例系數(shù)Kp可加快響應(yīng)速度，但可能導(dǎo)致超調(diào)增大甚至不穩(wěn)定（1分）。積分環(huán)節(jié)（I）：輸出與誤差積分成正比，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差（2分）；積分時(shí)間Ti越小，積分作用越強(qiáng)，但可能引起系統(tǒng)超調(diào)增大或振蕩（1分）。微分環(huán)節(jié)（D）：輸出與誤差變化率成正比，用于預(yù)測(cè)誤差變化趨勢(shì)，抑制超調(diào)，改善動(dòng)態(tài)性能（2分）；微分時(shí)間Td越大，微分作用越強(qiáng)，但可能放大高頻噪聲（1分）。3.激光形成的必要條件有哪些？簡(jiǎn)述其物理意義。答案：激光形成的必要條件包括：（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：工作物質(zhì)中高能級(jí)粒子數(shù)多于低能級(jí)，使受激輻射占主導(dǎo)（2分）；（2）光學(xué)諧振腔：提供正反饋，使光在腔內(nèi)往返放大，并通過(guò)選模作用輸出單色性好的激光（3分）；（3）閾值條件：泵浦源提供的能量需超過(guò)閾值，使增益大于損耗，維持激光振蕩（3分）。4.簡(jiǎn)述CCD圖像傳感器的工作原理，并說(shuō)明其與CMOS圖像傳感器的主要區(qū)別。答案：CCD工作原理：（1）光電轉(zhuǎn)換：光敏單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷（2分）；（2）電荷存儲(chǔ)：在MOS電容勢(shì)阱中存儲(chǔ)電荷（2分）；（3）電荷轉(zhuǎn)移：通過(guò)時(shí)鐘脈沖控制相鄰電極的勢(shì)阱梯度，使電荷包逐行轉(zhuǎn)移至輸出端（2分）。與CMOS的區(qū)別：CCD為全片轉(zhuǎn)移電荷，需復(fù)雜驅(qū)動(dòng)電路，功耗較高但圖像質(zhì)量好；CMOS每個(gè)像素集成放大器，可并行讀取，功耗低但噪聲相對(duì)較高（2分）。5.什么是自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？常用的穩(wěn)定性判據(jù)有哪些？各適用于什么情況？答案：穩(wěn)定性指系統(tǒng)在擾動(dòng)消失后恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力（2分）。常用判據(jù)：（1）勞斯判據(jù)：基于特征方程系數(shù)，適用于線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷（2分）；（2）奈奎斯特判據(jù)：通過(guò)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線判斷閉環(huán)穩(wěn)定性，適用于分析系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性（2分）；（3）根軌跡法：通過(guò)閉環(huán)極點(diǎn)分布判斷穩(wěn)定性，適用于參數(shù)變化時(shí)的穩(wěn)定性分析（2分）。四、計(jì)算題（每題10分，共30分）1.某光電檢測(cè)系統(tǒng)中，使用硅光電二極管（響應(yīng)度R=0.6A/W）檢測(cè)波長(zhǎng)850nm的光信號(hào)。已知入射光功率P=10μW，暗電流Id=5nA，負(fù)載電阻RL=1kΩ，環(huán)境溫度T=300K（玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10?23J/K，電子電荷e=1.6×10?1?C）。（1）計(jì)算輸出電流I；（2）計(jì)算熱噪聲電流均方值<in2>（熱噪聲公式：<in2>=4kTΔf/RL，假設(shè)帶寬Δf=1MHz）；（3）計(jì)算散粒噪聲電流均方值<ish2>（散粒噪聲公式：<ish2>=2e(I+Id)Δf）。答案：（1）輸出電流I=R×P=0.6×10×10??=6×10??A=6μA（2分）；（2）熱噪聲電流均方值：<in2>=4×1.38×10?23×300×1×10?/(1×103)=1.656×10?1?A2（4分）；（3）散粒噪聲電流均方值：I+Id=6μA+5nA≈6μA（近似），<ish2>=2×1.6×10?1?×6×10??×1×10?=1.92×10?1?A2（4分）。2.某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/[s(s+1)(s+2)]，試求：（1）系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K的取值范圍；（2）當(dāng)K=4時(shí)，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并計(jì)算閉環(huán)極點(diǎn)。答案：（1）特征方程：s3+3s2+2s+K=0（2分）。列勞斯表：s3|12s2|3Ks1|(6-K)/30s?|K穩(wěn)定條件：(6-K)/3>0且K>0，故0<K<6（4分）；（2）K=4時(shí)，特征方程s3+3s2+2s+4=0。勞斯表s1行值=(6-4)/3=2/3>0，滿足穩(wěn)定條件（2分）。求閉環(huán)極點(diǎn)：試根法或數(shù)值解法，近似解為s≈-3.35，s≈-0.325±j1.09（2分）。3.某二氧化碳激光器的諧振腔為平-凹腔，凹面鏡曲率半徑R=2m，腔長(zhǎng)L=1m。計(jì)算該諧振腔的g參數(shù)，并判斷是否處于穩(wěn)定區(qū)域。答案：平-凹腔中，平面鏡的g1=1-L/R1=1-1/∞=1（2分）；凹面鏡的g2=1-L/R2=1-1/2=0.5（2分）。穩(wěn)定條件：0≤g1g2≤1（2分）。計(jì)算g1g2=1×0.5=0.5≤1，且大于0，故處于穩(wěn)定區(qū)域（4分）。五、綜合分析題（每題15分，共30分）1.設(shè)計(jì)一個(gè)基于光電傳感器的自動(dòng)分揀系統(tǒng)，用于區(qū)分黑色（反射率5%）和白色（反射率80%）的塑料件，要求：（1）畫出系統(tǒng)組成框圖（需包含光源、傳感器、信號(hào)處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)）；（2）說(shuō)明各模塊的功能及選型依據(jù)；（3）分析可能的干擾因素及解決措施。答案：（1）系統(tǒng)框圖：光源→被測(cè)物體→光電傳感器→信號(hào)調(diào)理電路→控制器（如PLC）→執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如氣動(dòng)推桿）（3分）；（2）模塊功能及選型：-光源：選擇可見(jiàn)光LED（如白光LED），波長(zhǎng)覆蓋光電傳感器敏感波段（如400-700nm），需穩(wěn)定輸出以保證反射光強(qiáng)一致性（2分）；-光電傳感器：選用反射式光電開(kāi)關(guān)（如紅外對(duì)管或可見(jiàn)光光敏二極管），接收端根據(jù)反射光強(qiáng)差異輸出電信號(hào)（2分）；-信號(hào)處理：包括放大電路（運(yùn)放放大弱信號(hào)）、濾波電路（低通濾波抑制環(huán)境光干擾）、比較器（設(shè)定閾值區(qū)分黑白反射率）（2分）；-執(zhí)行機(jī)構(gòu)：選用氣動(dòng)推桿或步進(jìn)電機(jī)，響應(yīng)速度需匹配分揀速率（如10件/秒）（2分）；（3）干擾因素及解決措施：-環(huán)境光干擾：采用調(diào)制光源（如方波調(diào)制）+鎖相放大技術(shù)，僅提取調(diào)制頻率的信號(hào)（2分）；-物體表面污漬：增加清潔裝置（如氣吹）或動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值（根據(jù)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)信號(hào)）（2分）；-傳感器安裝誤差：設(shè)計(jì)機(jī)械定位裝置，確保物體與傳感器距離一致（2分）。2.結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，分析其在工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)中的典型應(yīng)用（如表面缺陷檢測(cè)），并說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟及性能指標(biāo)。答案：典型應(yīng)用：表面缺陷檢測(cè)（如金屬板材劃痕、電子元件焊錫缺陷），通過(guò)圖像采集、處理、分析實(shí)現(xiàn)非接觸式、高精度檢測(cè)（3分）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵步驟：（1）需求分析：確定檢測(cè)對(duì)象（如尺寸范圍、缺陷類型）、精度要求（如最小可檢測(cè)缺陷0.1mm）、速度要求（如100件/分鐘）（2分）；（2）硬件選型：-相機(jī)：選擇CCD或CMOS相機(jī)，分辨率滿足精度（如缺陷0.1mm，視場(chǎng)100mm，需1000像素，故分辨率≥1000×1000）（2分）；-鏡頭：選擇遠(yuǎn)心鏡頭（減少透視畸變），焦距匹配視場(chǎng)和工作距離（2分）；-光源：采用環(huán)形LED光源（均勻照明）或結(jié)構(gòu)光（增強(qiáng)缺陷對(duì)比