光电光纤传感器

本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，掌握光电接近开关的使用方法。

光电传感器概念



光电传感器（或称光敏传感器）:采用光电元件做为检测元件的传感器;



是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。

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被测量光信号电信号的变化的变化的变化构成：光源、光学通路、光电元件。应用：

1、光量变化的非电量；

2、能转换成光量变化的其他非电量。

特点：非接触、响应快、性能可靠。

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一、光电效应与光电器件



光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为

Ehv

光电效应方程

E12mv2khvW2013-8-13

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光电器件



光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。

光电器件工件的物理基础：光电效应。

光电效应分为：内光电效应、外光电效应和光生伏特效应(阻挡层光电效应)

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1.外光电效应型光电器件



当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。



即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。



根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。

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1.1光电管及其基本特性

（a)结构（b)测量电路图 光电管2013-8-13

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光电管的伏安特性

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1.2 光电倍增管及其基本特性

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主要参数



倍增系数M



阳极电流

IiMin

光电倍增管的电流放大倍数

I/in光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度暗电流



光电倍增管的光谱特性

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2. 内光电效应型光电器件



内光电效应是指在光线作用下，引起物体（如半导体）电阻率变化的的现象



在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻

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光敏电阻

1.

光敏电阻的结构与工作原理

金属电极半导体IRL电源玻璃底板ERa检流计(a)(b)(c)光敏电阻结构

(a) 光敏电阻结构；(b) 光敏电阻外形图；(c) 光敏电阻接线图

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13

2. 光敏电阻的主要参数



暗电阻



光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差

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

亮电阻





光电流



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3、光敏电阻的基本特性



伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。

403010001 x功率500 mWAm20 1001 x /I10101 x0100200U / V2013-8-13

图硫化镉光敏电阻的伏安特性

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

光照特性指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系

图光敏电阻的光照特性

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16



光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。

10080)%60硫化铅(/ rS40硫化铊20硫化镉01.53 / A图

光敏电阻的光谱特性

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

频率特性光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。

100硫化铅80)60硫化镉 %/( S 40200101001 00010 000f / Hz图光敏电阻的频率特性

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温度特性



光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。

硫化铅光敏电阻受温度影响更大。

10080＋20℃－20℃)%60/ ( S 402001.02.03.04.0 / m图

硫化铅光敏电阻的光谱温度特性

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光敏电阻小结







光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。

一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。

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3 光生伏特效应型光电器件



光生伏特效应



在光线的作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。



光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。它是基于“光生伏特效应”。

光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。

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

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光电池结构、符号硼扩散层P型电极　（SiO2膜）接线点＋N型氧化镉层接线点－PN结PN结N型硅片硒（P型）铝基板电极　－电极　＋（a) 硅光电池结构（b) 硒光电池结构IIISUR光电池LIURLD(a) 符号(b) 基本电路(c) 等效电路2013-8-13

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光电池基本特性



光谱特性



光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。

10080硒硅% 60/ S4020040060080010001200 / nm光电池的光谱特性 2013-8-13

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

光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性

0.5200.41216))12 (V0.32cm/UmA0.28(J0.140200400600800000010000E(lx) 1-开路电压特性曲线2-短路电流特性曲线2013-8-13

硅光电池的光照特性

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频率特性指输出电流与反射光调制频率的关系

100硅光电池80)% ( /60电流40硒光电池相对光20015003000450060007500f / Hz2013-8-13

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

温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。

5002.2400开路电压V300mA 2.0m /U200短路电流 / I1000204060801001.8温度 / ℃硅光电池的温度特性

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光电池种类

光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等

最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中



硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。

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光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管工作原理



光敏二极管的结构与一般二极管相似、光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。



在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。



光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。

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光-+PNPNRL电场势垒区E（a)结构原理2013-8-13

（b）符号（c)基本电路29

光敏晶体管



光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一

边做得很大，以扩大光的照射面积。



大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正

的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就

会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。

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NPN型光敏晶体管结构和基本电路

光cNPNeccbebeEbRL(a)结构(b)符号(c)基本电路图 光敏三极管的结构和基本电路2013-8-13

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光敏管的基本特性



光敏晶体管的光谱特性

10080)硅锗%(60 / S4020入射光04×1028×10212×10216×10220×102 / nm2013-8-13

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

伏安特性

0.10100.081200 1x8A1000 1xAm0.06m6 // II0.04800 1x500 1x4400 1x600 1x300 1x0.02400 1x2200 1x100 1x200 1x00－10－20－30－40－501020304050反向电压/V集电极－发射极电压/V(a)硅光敏二极管(b)硅光敏晶体管2013-8-13

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光照特性

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频率特性

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光敏二极管和三极管的主要差别



光电流



光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。

光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。



响应时间





输出特性



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总结

光信号光电光电效应器件外光电效应：光电管、光电倍增管内光电效应：光敏电阻光生伏特效应：光电池电特性参数2013-8-13

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二. 光电传感器



光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部

1分组成，如图所示1232a)31132b)光源Φ1光学通路Φ2光电元件I2c)d)x1x2x3a)被测量是光源 b)被测量吸收光通量 c)被测量是有反射能力的表面 d)被测量遮蔽光通量1-被测物 2-光电元件 3-恒光源2013-8-13

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光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、反射式、遮光式。

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

光电传感器的常用光源

1)发光二极管2) 钨丝灯泡

3)

激光

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

光电转换电路

由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。

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+UUU0U0VRa)光敏二极管测量电路 b)光敏三极管测量电路图

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光敏电阻测量电路图光敏晶体管测量电路

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光敏二极管应用电路

光敏二极管在应用电路中必须反向偏置，否则其电流就与普通二极管的正向电流一样，不受入射光的控制了。



在图中．利用反相器可将光敏二极管的输出

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48



光敏三级管在电路中必须遵守集电结反偏，发射结正偏的原则，这与普通三极管工作在放大区时条件是一样的



图示出了两种常用的光敏三极管电路

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UUUU0U0U0RRa)b)c)2013-8-13

光电池测量电路

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

光电耦合器



光电开关

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褐色（+v）负载（反射镜）（黑）输出发射器与接收器为一体蓝色（0v）探测物体12-24VDC2013-8-13

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光电传感器检测原理应用

如超市收银台用激光扫描器检测商品的条形码、检

测复印机走纸故障（两张重叠，变厚，透光性变差）、洗手间红外反射式干手机等

激光扫描器发出激光并被条形码反射

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干手机的原理及使用

干手机发出红外光，并被手所反射，从而启动热风装置

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光电式带材跑偏检测器

光电传感器

带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。

当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压U材跑偏的方向及大小。

o为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带2013-8-13

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光电式带材跑偏检测控制器原理

1—被测带材2—卷取电机3—卷取辊4—液压缸5—活塞6—滑台7—光电检测装置8—光源9、10—透镜

11-光敏电阻R112—遮光罩

指针将偏向左边还是右边？2013-8-13

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带材纠偏系统

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光纤传感器



光纤传感器的特点：



极高的灵敏度和精度固有的安全性好抗电磁干扰高绝缘强度耐腐蚀

集传感与传输于一体能与数字通信系统兼容等





光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量

在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。

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1、光纤的结构

涂敷层及护套包层纤芯2013-8-13

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2、光纤的传光原理包层n0n22ici纤芯n1高折射率纤芯低折射率包层

图光纤的传光原理

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光纤模式







光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式。对于不同入射角的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波间的干涉也是不同的，这就是传播模式不同。一般总希望光纤信号的模式数量要少，以减小信号畸变的可能。

单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。

多模光纤直径较大，传输模式不只一种，其缺点是：性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。

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传播损耗



光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。



光纤传输损耗主要有材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）、散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）。

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光纤传感器



工作原理



由于外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）对光纤的作用，会引起光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态等）发生变化，只要能测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用它作为传感元件来检测对应物理量的变化

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光纤传感器的组成







由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。光源

一般要求光源的体积尽量小，以利于它与光纤耦合；光源发出的光波长应合适，以便减少光在光纤中传输的损失；光源要有足够亮度，以便提高传感器的输出信号。另外还要求光源稳定性好、噪声小、安装方便和寿命长等。

光纤传感器使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为相干光和非相干光。非相干光源有白炽光、发光二极管；相干光源包括各种激光器，如氦氖激光器、半导体激光二极管等。光探测器

光探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，以便作进一步的处理。它和光源的作用相反，常用的光探测器有光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。

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光纤传感器的分类



按光纤在传感器中功能的不同可分为：功能型（传感型）光纤传感器



是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。



非功能型（传光型）光纤传感器



是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。

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被测对象光源光纤光纤敏感元件光探测器(a)被测对象光源光纤光敏感元件光探测器(b)光纤传感器组成示意图（a）传感型；（b）传光型

至信号处理系统至信号处理系统66

光纤图像传感器

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光导纤维传感器

光的全反射实验

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各种装饰性光导纤维

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发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。

上海东方明珠

光纤传感器外形

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光的反射、折射

当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。

光的全反射

当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全

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反射。2013-8-13

光在光纤中的全反射

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光纤的结构

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光缆的外形及光纤的拉制

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光纤的类型

阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。

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梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，

即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。

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单孔型光纤

单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。

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与光纤耦合的电光与光电转换器件

实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。

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激光二极管的外形

激光二极管芯片

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激光二极管的与发光二极管的

带宽及效率的比较

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单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管，它在传导过程中的发散损耗较小，稳定性较高。

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光纤的损耗光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上，光纤的损耗非常小。可选择适当波长的电光转换元件与之匹配。2013-8-13

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专用的光纤连接头及光纤插座

光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。2013-8-13

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光纤传感器

光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。

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光纤液位传感器

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光纤温度传感器

保护管内为高温光纤低温光纤

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光纤式光电开关

遮断型

反射型

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反射镜反射型

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光纤式光电开关应用电路板标志检测光纤耦合器标志孔

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。

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传输光纤出射光纤光纤的其他应用

军用光纤陀螺：

将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。

光纤内窥镜

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扩展传感器在机器人中的应用

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

机器人传感器分类

类别

明暗觉色觉

检测内容

是否有光，亮度多少对象的色彩及浓度

应用目的

判断有无对象，并得到定量结果

利用颜色识别对象的场合

传感器件

光敏管、光电断续器彩色摄影机、滤色器、彩色CCD

光敏阵列、CCD等

位置觉形状觉接触觉压觉力觉接近觉滑觉

物体的位置、角度、距离

物体的外形

与对象是否接触，接触的位置

对物体的压力、握力、压力分布

机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形

物体空间位置，判断物体移动

提取物体轮廓及固有特征，光敏阵列、CCD等识别物体

决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径

光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料

控制握力，识别握持物，测量物体弹性

控制手腕移动，伺服控制，应变片、导电橡胶正确完成作业

控制位置，寻径，安全保障，异常停止

修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态

光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器

球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器

传感器在机器人身

上的分布

能踢球的机器人

对运动的球类有正确反应的机器人

机器人足球比赛

能打网球的机器人

能行走的机器人

服务机器人

机器人奏乐

机器人伴舞

可爱的小机器人

能自己站起来能上台阶并避开的机器人

障碍物的机器人

军事机器人

我国引进的排爆机器人

进攻型机器人

工业机器人

核工业机器人

汽车喷漆机器人

机器人的手

机械手在汽车加工中的应用

机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人的雏形。

激光焊接机械手（参考上海大众汽车有限公司资料）

休息一下

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思考题与习题

1．光电效应有哪几种?与之对应的光电元件各有哪些?2．常用的半导体光电元件有哪些?它们的电路符号如何?

3．对每种半导体光电元件，画出一种测量电路。

4．什么是光电元件的光谱特性?

5．光电传感器由哪些部分组成?被测量可以影响光电传感器的哪些部分?

2013-8-13

6．模拟式光电传感器有哪几种常见形式?

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