新型光電傳感器的原理及應(yīng)用

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• 新型光電傳感器的原理及應(yīng)用 概況     隨著全球制造業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)傳感器成為提高生產(chǎn)能力和增強(qiáng)安全的關(guān)鍵所在。工業(yè)傳感器有各種尺寸、形狀和技術(shù)——最常見的是用電感、電容、光電、磁力、超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)的傳感器。每一種技術(shù)各有其長短，因此要根據(jù)應(yīng)用的要求來確定采用哪一種傳感器。     而光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。為此本文著重介紹工控?fù)鞙y系統(tǒng)中新型模擬式光電傳感器的組成與特點(diǎn)、使用及有關(guān)應(yīng)用舉例。     模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射剄光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。 1、光電式傳感器的組成     光電式傳感器中必須采用一定的光學(xué)元件，并按照一些光學(xué)定律和原理構(gòu)成各種各樣的波，光學(xué)元件有各種反射鏡和透鏡。     有一些基本的光電傳感器檢測的是光強(qiáng)的變化。一般地講，它檢測的是傳感器自己的光源發(fā)射出來的光線，或者檢測的并不是傳感器自己的光源發(fā)射出來的光線。光線的類型以及檢測的方法有很多種，不同的傳感器使用的光線和檢測方法是不同的。     光電傳感器由光源(發(fā)光二極管)、接收器(光敏三極管)、放大器(或比較器)及信號轉(zhuǎn)換器(或斯密特觸發(fā)器)充組成。光敏三極管對進(jìn)來的光線進(jìn)行分析，看看它是不是從發(fā)光二極管產(chǎn)生的光，并且產(chǎn)生輸出信號，基本組成原理示意見圖1所示。其光源(發(fā)光二極管)還己乞包括振蕩器與供電源;光源與接收器(光敏三極管)是不共地，二者之間無電的聯(lián)系以提高抗干擾；光源(發(fā)光器)與接收器可以一個(gè)機(jī)殼內(nèi)也可以分開。     與其他傳感器技術(shù)相比，這種傳感器技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，光電傳感器的敏感范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電感、電容、磁力、超聲波傳感器的敏感范圍。此外，光電傳感器的體積很小，而敏感范圍很寬，加上機(jī)殼有很多樣式，幾乎可以到處使用。最后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光電傳感器在價(jià)錢方面可以同用其他技術(shù)制造的傳感器競爭。 1.1透射式光電傳感器在煙塵濁度監(jiān)測上的應(yīng)用     防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動顯示和超標(biāo)報(bào)警。     煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道在傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少。因此光檢測器輸出信號的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。本應(yīng)中應(yīng)用奧托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器，其光源(發(fā)光器)與接收器不一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，見圖2(a)使用示意圖:先將發(fā)射器和接收器對準(zhǔn)并固定好后才可以通電(12-24)VDC；接著在ON狀態(tài)設(shè)定好發(fā)射器的中心位置，然后左右上下方向調(diào)節(jié)接收器和發(fā)射器的位置；最后檢測目標(biāo)穩(wěn)定后固定好發(fā)射器和接收器。     圖2(b)是式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖：為了檢測出煙塵中對人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸氣與二氧二碳對光源衰減的影響，選取可見光作光源(400-700nm波長的白熾光)。光檢測器光譜響應(yīng)范圍為400-600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應(yīng)電信號。為了提高檢測靈敏度，采用具有高增閃、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運(yùn)算放大器，對信號進(jìn)行放大�？潭刃Ｕ�被用來進(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測試準(zhǔn)確性。顯示器可顯示濁度瞬時(shí)值。報(bào)警電路由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出濁度信號超過規(guī)定時(shí)，多諧振蕩器工作，輸出信號經(jīng)放大后推動喇叭發(fā)出報(bào)警信號。 2.漫反射型光電傳感器     漫射型光電傳感器有時(shí)也稱作接近傳感器。在這種傳感器中，發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中。發(fā)光器發(fā)出的光線射到目標(biāo)物體上，目標(biāo)物體光線反射回來，什么角度的反射光都有。反射光中有一部分送回到接收器，于是便把目標(biāo)物體檢測出來了。由于目標(biāo)物體的     角度以及反射性能，發(fā)光器產(chǎn)生的能量大部分是損失掉，所以與鏡面反射(回射)型和光束阻檔型光電傳感器相比，漫射型光電傳感器的敏感范圍比較小。     雖然該類傳感器裝簡單置，即它不需要其他的元器件，例如反射鏡或者單獨(dú)的接收器。但敏感范圍及接收器的能力受目標(biāo)物體的顏色、尺寸、表面光潔度等因素的影響較大，故值此著重研究其漫射-聚焦型傳感器。 2.1漫射-聚焦型傳感器     漫射-聚焦型傳感器是效率較高的一種漫射型光電傳感器。發(fā)光器透鏡聚焦在傳感器前面固定的一點(diǎn)上。接收器透鏡也是聚焦在同一點(diǎn)上。敏感的范圍是固定的，取決于聚焦點(diǎn)的位置。這種傳感器能夠檢測在焦點(diǎn)上的物體，允許物體前后偏離焦點(diǎn)一定距離，這個(gè)距離稱作“敏感窗口”。當(dāng)物體在敏感窗口以外，在焦點(diǎn)之前或者之后時(shí)便檢測不到。敏感窗口取決于目標(biāo)的反射性能和靈敏度的調(diào)節(jié)狀況。因?yàn)樗�射出來的光能是聚焦在一個(gè)點(diǎn)上面，增益增大了很多，于是傳感器很容易地就檢測到窄小的物體或者反射性能差的物體，其原理示意圖見3所示。     具有背景光抑制功能的漫射型光電傳感器只能檢測一定距離的目標(biāo)物體，在這個(gè)距離以外的物體它便檢測不到。在各種漫射型光電傳感器中，這種類型的傳感器敏感目標(biāo)物體顏色的靈敏度是最低的。這種傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它不會檢測背景物體。而普通的漫     射型光電傳感器往往會把背景物體誤認(rèn)為是目標(biāo)物體。     含有背景光抑制功能的漫射型光電傳感器可以在距離固定的情況下使用，也可以在距離變化的情況下使用。抑制背景光的方法從技術(shù)上講有兩種：一種是機(jī)械的方法，另一種是電子的方法。     對于具有機(jī)械式背景光抑制功能的漫射型光電傳感器，它里面有兩個(gè)接收元件：一個(gè)接收來自目標(biāo)物體的光，另一個(gè)接收背景光。目標(biāo)接收器E1上的反射光的強(qiáng)度超過背景光接收器E2上的反射光時(shí)，便把目標(biāo)檢測出來，產(chǎn)生輸出信號。當(dāng)背景光接收器上的反射光的強(qiáng)度超過目標(biāo)接收器上的反射光時(shí)，不檢測目標(biāo)，輸出狀態(tài)不發(fā)生變化。在距離可變的傳感器中，焦點(diǎn)可以用機(jī)械的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。     對于具有電子式背景光抑制功能的漫射型傳感器，在傳感器中使用一只位置敏感元件(PSD)而不是使用機(jī)械元件。發(fā)光器發(fā)出一束光線，光束反射回來，從目標(biāo)物體反射回來的光線和從背景物體反射回來的光線到達(dá)位置敏感元件的兩個(gè)不同位置。傳感器對到達(dá)位置     敏感元件這兩點(diǎn)的光進(jìn)行比較，并將這個(gè)信號與事先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，從而決定輸出的狀見圖4所示。 2.2一種實(shí)用背景抑制漫反射光電傳感器見圖5(a)所示     這感器發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中，采用背景抑制技術(shù)，將由目標(biāo)之外的物體反射光引起假切換的危險(xiǎn)降低到最小。反射光通過傳感器內(nèi)一系列接收元件收集，并給出一個(gè)輸出。如果目標(biāo)移動并且從離預(yù)設(shè)距離更遠(yuǎn)的物體上得到反射時(shí)，接收的光線角度將改變。反過來將影響接收元件的輸出，并且傳感器不響應(yīng)。該背景抑制漫射光電傳感器控制(NPN)輸出線路圖如5(b)所示。圖中的光電傳感器內(nèi)部線路與圖1(a)相似，區(qū)別在于有個(gè)過電流保護(hù)電路。     其使用說明見圖5(c)所示:漫反射光電傳感器先可以設(shè)定在最大位置，由于反射背景的存在，其靈敏度是必須要調(diào)整的;然后將目標(biāo)設(shè)定在光通過的位置上，然后調(diào)節(jié)調(diào)整從最小位置調(diào)節(jié)到a;笫三步移走目標(biāo)然后有鄰近物體時(shí)調(diào)節(jié)到b位置指示燈變亮，如果指示燈不亮調(diào)節(jié)到最大位置，可在a，b，位置中間設(shè)定調(diào)節(jié)。     結(jié)構(gòu)緊湊的堅(jiān)固金屬外殼，這些微型傳感器帶有預(yù)接電纜(尺寸2:傳感距離15-150mm可調(diào))或帶有4管腳微變化連接器(尺寸1:傳感距離20-200-mm可調(diào))以便于一旦出現(xiàn)損壞能夠快速更換�？晒㎞PN或PNP常開+常閉輸出結(jié)構(gòu)型。特點(diǎn)是可調(diào)傳感距離，亮/暗開關(guān)選擇(常開或常閉連接)LED輸出狀態(tài)指示和脈沖可見紅色光束(可使得安裝簡便)。具有短路和反接保護(hù)。適用于包裝生產(chǎn)線，需要不在場傳感或用于自動裝配機(jī)器中，只需要尺寸2型窄光束即可精確定位。 2.3鏡面反射(回射)式傳感器     鏡面反射式光電傳感器，它的發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中，這與漫射型傳感器是一樣的。但是它使用一只反射鏡把發(fā)光器產(chǎn)生的光線反射到接收器上。當(dāng)目標(biāo)物體阻擋了光電傳感器送往反射鏡的光線時(shí)，便把目標(biāo)物體檢測出來，見圖6(a)所示鏡面反射式光電傳感器工作原理圖。一般地講，與漫射型傳感器相比，鏡面反射式傳感器的敏感距離比較大，這是因?yàn)�，與大多數(shù)目標(biāo)物體的反射率相比，反射鏡的反射效率很高。在鏡面反射式傳感器中，目標(biāo)物體的顏色和表面光潔度不會影響敏感距離，然而在漫射型傳感器中，目標(biāo)物體的顏色和表面光潔度會影響敏感距離。     圖6(b)為鏡面反射式光電傳感器使用示意圖：應(yīng)先將傳感器和反射鏡面對面安裝后，連接電源；后再調(diào)節(jié)傳感器或反射鏡面的上下左右位置，使傳感器的指示燈變亮；最后可靠安裝兩者后，并校對使其檢測到目標(biāo)；如果被測物的反射率比發(fā)射鏡面高，它會發(fā)生誤動作，因此，在傳感器和被測物留有足夠的空間，或把被測物和光軸成30-45度的角度。 2.4有偏光鏡的鏡面反射式光電傳感器     有些鏡面反射式光電傳感器是帶有偏光鏡的鏡面反射式光電傳感器。當(dāng)發(fā)射器發(fā)出的光線通過偏光鏡時(shí)，它將被改變成水平橫向的光并達(dá)到反射鏡MS-2，然后它又因反射鏡改變成為垂直的光并達(dá)到接收器的偏光鏡。見圖6(c)所示。     在用鏡面反射式光電傳感器檢測清晰的物體時(shí)，在傳感器中用一個(gè)滯環(huán)電路來檢測光線中的微弱變化。在敏感清晰的物體時(shí)，光線往往存在這種微小的變化。在用于檢測清晰物體的傳感器中，發(fā)光器和接收器上都有偏振濾光器，目的是為了減少來自目標(biāo)物體的反射所成的錯(cuò)誤響應(yīng)。     有的鏡面反射式光電傳感器具有抑制前景的功能。在一定距離或者死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，這種傳感器不會把明亮的目標(biāo)物體誤認(rèn)為是反射鏡。它適合于檢測貨盤。 3遮光式光電傳感器     遮光式光電傳感器是第三種也是最后一種用光電方法進(jìn)行檢測的光電傳感器。這種傳感器需要兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)殼，一個(gè)機(jī)殼中安裝發(fā)光器，另一個(gè)機(jī)殼中安裝接收器。發(fā)光器射出來的光線對準(zhǔn)接收器，當(dāng)有目標(biāo)物體把光線擋住時(shí)，接收器的輸出便發(fā)生變化。在三種光電檢     測技術(shù)中，光束阻擋型傳感器的效率最高，能夠進(jìn)行檢測的范圍也是最大的。     遮光式光電傳感器有很多類型。最常見的是用一只發(fā)光器、一只接收器，在發(fā)光器與接收器之間只有一束光線。另一種是“槽式”或“叉式”光電傳感器，這時(shí)，發(fā)光器和接收器都裝在同一個(gè)機(jī)殼中，不存在對準(zhǔn)的問題。光柵是由很多不同的發(fā)光器和不同的接收器排列起來組成的，發(fā)光器裝在一個(gè)機(jī)殼中，接收器裝在另一個(gè)機(jī)殼中，當(dāng)它們互相對準(zhǔn)時(shí)，便形成一片光束。 4、結(jié)束語     以上只是對閏用于工控檢測中的部分新型光電傳感器從應(yīng)用角度作分析說明。因?yàn)楣怆娂夹g(shù)有很多種類，也有很多種工作方式。要根據(jù)具體項(xiàng)目的應(yīng)用要求，仔細(xì)地選擇性穩(wěn)能價(jià)格比較高的技術(shù)和類型，實(shí)施好設(shè)計(jì)方案。