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传感器原理

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1.光电传感器原理

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。 光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样,只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口,以便于光线射入,为增加受光面积,PN结的面 积做得较大,光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下,并与负载电阻相串联,当无光照时,它与普通二极管一样,反向电流很小(<µA),称为光敏二极管的暗 电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电载流子。在外电场的作用下,光电载流子参于导电,形成比暗电流大得多的反向电流,该反向电流称 为光电流。光电流的大小与光照强度成正比,于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换 成电信号的功能外,还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大,一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极,基极不引出,管壳同 样开窗口,以便光线射入。为增大光照,基区面积做得很大,发射区较小,入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏,发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为 暗电流Iceo=(1+β)Icbo(很小),比一般三极管的穿透电流还小;当有光照时,激发大量的电子-空穴对,使得基极产生的电流Ib增大,此刻流过 管子的电流称为光电流,集电极电流Ic=(1+β)Ib,可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度

2.光电传感器应用

光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测

  物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽

  灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

  

  LED(发光二极管)

   发光二极管最早出现在19世纪60年代,现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件,其电气性能与普 通二极管相同,不同之处在于当给LED通电流时,它会发光。由于LED是固态的,所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更 小,且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样,LED抗震动抗冲击,并且没有灯丝。另外,LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的

  一部分。(激光二极管除外,它与普通LED的原理相同,但能产生几倍的光能,并能达到更远的检测距离)。LED能发射人眼看不到的红外光,也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

  

  经调制的LED传感器

  

  1970年,人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点,就是它能够以非常快的速度来开关,开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率,那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。

  我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台,就可以忽略其他

  的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器,其接收器就相当于收音机。

  人们常常有一个误解:认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的,那么红外光的能量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。一个LED发出的光能很少,经过调制才将其变得能量很高。一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距

  镜头的机械屏蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得很高。相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。

  未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射,如刚出炉的红热瓶子,在这种应用场合如果使用其它的传感器,可能会有误动作。

  如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话,那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。周围光源接收器也可以用来检测室外光。

   但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰,当使用在强光环境下时就会有问题。例如,未经过调制的光电传感器,当把它直接指向阳光时,它能正常 动作。我们每个人都知道,用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时,很容易就会把纸点燃。设想将玻璃替换成传感器的镜头,将纸替换成光电三极管,这 样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了,这是周围光源使其饱和了。

  调制的LED改进了光电传感器的设计,增大了检测距离,扩展了光束的角度,人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。到1980年,非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。

  红外光LED是效率最高的光束,同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。

  但是有些传感器需要用来区分颜色(如色标检测),这就需要用可见光源。

  

   在早期,色标传感器使用白炽灯做光源,使用光电池接收器,直到后来发明了高效的可见光LED。现在,多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光 LED发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离,这是因为检测距离是一个非常重要的参数。未经调制的传感器可以用来检测小的物体或 动作非常快的物体,这些场合要求的响应速度都非常快。但是,现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度,能满足大多数的检测应用。

  

  超声波传感器

  

   声波传感器所发射和接收的声波,其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。它是通过计算声波从发射,经被测物反射回到接收器所需要的时间,来判断物体的位 置。对于对射式超声波传感器,如果物体挡住了从发射器到接收器的声波,则传感器就会检测到物体。与光电传感器不同,超声波传感器不受被测物透明度和反光率 的影响,因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。

  

  光纤

  

  安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下,我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用,是无源元件,另外,光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。

  光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低,因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处(入射角在一定范围内,),被全部反射回来。根据光学原理,所有光束都可以由光纤来传输。

   两条入射光束(入射角在接受角以内)沿光纤长度方向经多次反射后,从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光,损失在金属外皮内。这个接受角比 两倍的最大入射角略大,这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响(弯曲半径要大于最小 弯曲半径)。大多数光纤是可弯曲的,很容易安装在狭小的空间。

  玻璃光纤

  玻璃光纤由一束非常细(直径约50μm)的玻璃纤维丝组 成。典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成,光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形,并且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学 打磨,非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。

  玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的,也可随意布置。紧凑布置的玻璃 光纤通常用在医疗设备或管道镜上。每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置,这样才能在另一端得到非常清晰的图像。由于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光 纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像,所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的,这种光纤就非常便宜了,当然其所得到的图像也只是一些光。

  玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套,也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境,其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求。

  玻璃光纤坚固并且性能可靠,可使用在高温和有化学成分的环境中,它可以传输可见光和红

  外光。常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断,对于这种应用场合,我们推荐使用塑料光纤。

  

  塑料光纤

  塑料光纤由单根的光纤束(典型光束直径为0.25到1.5mm)构成,通常有PVC外皮。它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度。

   多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形,另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短。邦纳公司的塑料光纤都配有一个光纤刀。不像玻璃光 纤,塑料光纤具有较高的柔性,带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上。塑料光纤吸收一定波长的光波,包括红外光,因而塑料光纤只能传输可见 光。

  与玻璃光纤相比,塑料光纤易受高温,化学物质和溶剂的影响。

  对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有“单根的”-对射式, 也有“分叉的”-直反式。单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域,或从检测区域传输到接收器。分叉式的光纤有两个明显的分支,可分别传输发射光和接收 光,使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域,同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器。

  直反式的玻璃光纤,其检测头处的光纤束是随意布置的。直反式的塑料光纤,其光纤束是沿光纤长度方向一根挨一根布置。

  光纤的特殊应用

   由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰,因而能被用在一些特殊的场合,如:适用于真空环境下的真空传导光纤(VFT)和适用于爆炸环境下的光纤。在这 两个应用中,特制的光纤安装在特殊的环境中,经一个法兰引出来接到外面的传感器上,光纤和法兰的尺寸多种多样。本安型传感器,如NAMUR型的传感器,可 直接用在特殊或有爆炸性危险的环境中。

光电式传感器工作原理

 


 

光电式传感器工作原理

光电传感器的构成

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:发送器,接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。

此外,光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成,能够使光束准确地从反射板中返回,具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角,使光束几乎是从一根发射线,经过反射后,还是从这根反射线返回。

光纤(又称光导纤维LWL),它扩大了光电传感器的使用范围,形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用,检测微小的物体。它在非常高的外界温度中,在结构受限制的环境里,都可以获得满意的答案。

分类和工作方式

1. 槽开光电开关

把 一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时,光被遮挡,光电开关便动作。输出一个开关控制信号,切断或接通负载电流,从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘 米。

2. 对射式光电开光

若把发光器和收光器分离开,就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电 开光,简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧,检测物通过时阻挡光路,收光器就动作输出一个开关控制信号。

3. 反光板反射式光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内,在它的前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控 制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下,发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。

4. 扩散反射式光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的;当检测物通过时挡住了光,并把光部分反射回来,收光器就收到光信号,输出一个开关控制信号。

5. 光纤式光电开关

把发光器发出的光用光纤引导到检测点,再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同,光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。

术语

距离滞后 指的是测量板接近或者移去时开关偏移的距离。距离滞后用开关距离的百分比来表示。

参考轴

发送器和接收器(对射型光电传感器),或者发送器和目标/反射板(反射型,反射板型光电传感器)之间构成的相对的理想轴线。在对射型光电传感器的情况下,参考轴就是透镜的光轴。在反射型和反射板型光电传感器的情况下,参考轴就是发送器和接收器透镜的光轴之间的中线。

反射板盲区

光束在反射的过程中,有一段区域是不能识别反射板的区域,这段区域就是反射板的盲区。

暗通(D.on)

是指当接收装置无光束射入时光电传感器的开关接通;当反射型光电传感器接收反射光束,如果无物体出现,则开关接通,而当有物体出现在光束射线的中间时,开关就断开。

亮动(L.on)

是指当光学接收器受到光照的时候,传感器的输出接通。对射型和反射板型光电传感器是在光线遮住的时候,输出接通;反射型光电传感器,是在目标足够接近的时候,输出接通。

盲区

是指反射型光电传感器不能识别目标的范围

NAMUR

是化工行业检测和控制技术的标准;要求仪表坚固可靠,适宜在易爆环境中工作。

①光的性质

直射

光在空气中和水中时,总是直线传播。

使用对射型传感器外置的开叉来检测微小物体的示例便是运用了这种原理。

曲折

是指光射入到曲折率不同的界面上时,通过该界面后,改变行进方向的现象。

反射(正反射、回归反射、扩散反射)

在镜面和玻璃平面上,光会以与入射角相同的角度反射,称为正反射。

3个平面互相直角般组合的形状称为三面直角棱镜。

如果面向三面直角棱镜投光,将反复进行正反射,最终的反射光将向投光的反方向行进。

这样的反射称为回归反射。

多数的回归反射板都是由数mm角的三面直角棱镜按规律排列而构成的。

此外,在白纸等没有光泽性的表面上,光线将向各个方向反射,这样的反射称为扩散反射。

扩散反射型将该原理作为检测方式。

偏光

光线可以表现为与其行进方向垂直的振动波。作为光电传感器的光源,主要使用LED。从

LED投射的光线,会在与行进方向垂直的各个方向上振动,这种状态的光称为无偏光。将无偏

光的光的振动方向限制在一个方向上的光学过滤器称为偏光过滤器。即从LED投光,并通过偏

光过滤器的光线只在一个方向上振动,这种状态称为偏光(正确地说应为直线偏光)。在某

一方向(例如纵方向)上振动的偏光,无法通过限制在其垂直方向(横方向)上振动的偏光

过滤器。回归反射型的M.S.R功能(→③M.S.R.功能(Mirror Surface Rejection:镜面体光泽

清除)页)和作为对射型配件的防止相互干扰过滤器就是应用了这种原理。

②光源

光的点亮方式

〈脉冲变调光〉

多数光电传感器采用脉冲变调光,基本以一定周期反复投光。

由于很容易排除杂乱光的影响,所以可以实现长距离检测。在带防止相互干扰功能的类型中

,投光的周期会根据干扰光和杂乱光而在一定范围内变化。

〈直流光〉

是连续投射一定光量的光线,在标记传感器等部分机型中使用。能得到高速响应性,但有检

测距离短,容易受杂乱光影响等缺点。

光源色与种类

③光纤型

构造

由于检测部(光纤)中完全没有电气部分,所以耐干扰等耐环境性良好。

E3X-DA-S(数字放大器)

检测原理

光纤由中间的核心和外围部分曲折率较小的外包金属构成。

如果光线入射到核心部分,光线将会在与外包金属的交界面上一边反复进行全反射,一边行进。通过光纤

内部从端面发出的光线以约60°的角度扩散,照射到检测物体上。

光纤的种类与特性

 

截面

 

构造

 

特长

 

有效用途

 

代表型号

 

柔软型

(多核心)

 

 

(中间的素线固定)

 

很少因弯曲造成光量变动

容许弯曲半径:R1mm

 

与传统的标准型相比

柔软,可像电线般布线

弯曲半径可忽略

即使碰触到光纤,光量也不变动

 

E32-T11R

E32-T11R

 

标准型

单芯

 

 

 

 

光的传输效果好 (检测距离较长)

容许弯曲半径: R25mm或R10mm

 

 

 

E32-TC200

E32-DC200

 

耐弯曲型(束)

 

 

(中间的素线分散)

 

耐曲折性良好

反复弯曲次数100万次以上(代表例)

容许弯曲半径:R4mm

 

即使使用机器人手臂等可动的部分也很难破损

 

E32-T11

E32-D11

④三角测距

距离设定型光电传感器主要以三角测距为检测原理。下图所示的是三角测距的原理。从投光

元件投射的光线将在检测物体上扩散反射。反射光将通过受光透镜在位置检测元件(输出符

合光线位置信号的半导体元件)上成像。检测物体在靠近光学系统的位置A的情况下,反射光

会在位置检测元件的a位置上成像。在离光学系统较远的位置B的情况下,反射光将在b位置上

成像。因此,通过测定位置检测元件上的成像位置,可以检测与检测物体的距离。

 
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