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光電式傳感器 1.概述 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。 　 　 光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。 2. 物理特性 2.1外光電效應 2.1.1光子假設 1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應，愛因斯坦第一個成功解釋光電效應。愛因斯坦根據(jù)普朗克量子假說而進一步提出的光量子，即光子概念，對光電效應研究做出了決定性的貢獻。愛因斯坦光子假說的核心思想是：表面上看起來連續(xù)的光波是量子化的。 單色光由大量不連續(xù)的光子組成。若單色光頻率為n，那么每個光子的能量為E＝hv, 動量為 。 　由愛因斯坦光子假說發(fā)展成現(xiàn)代光子論(photon theory)的兩個基本點是： 　　 (1) 光是由一顆一顆的光子組成的光子流。每個光子的能量為E = hv，動量為。 由N個光子組成的光子流，能量為N hv。 　　(2) 光與物質相互作用，即是每個光子與物質中的微觀粒子相互作用。 根據(jù)能量守恒定律，約束得最不緊的電子在離開金屬面時具有最大的初動能，所以對于電子應有： 2.2 內(nèi)光電效應 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。 光電效應：當具有一定能量E的光子投射到某些物質的表面時，具有輻射能量的微粒將透過受光的表面層，賦予這些物質的電子以附加能量，或者改變物質的電阻大小，或者使其產(chǎn)生電動勢，導致與其相連接的閉合回路中電流的變化，從而實現(xiàn)了光—電轉換過程。在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應。屬于內(nèi)光電效應的光電轉換元件有光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導管等。 2.2.1光電導效應 光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象稱光電導效應（又稱為光電效應、光敏效應），即光電導效應是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類光致電改變現(xiàn)象的總稱。當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。 　　在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。 2.2.2光電轉換元件 光電轉換元件的種類很多，常用的元件有光電管，光敏電阻，光電池等。限于篇幅這里我們著重講解光電管的有關特性。 1.光電管 光電管的特性主要取決于光電極的材料，其基本的特性是光譜特性，光電特性和伏安特性。 ①光譜特性 用單位輻射通量不同波長的光分別照射光電管，在光電管上產(chǎn)生大小不同的光電流。這里，光電流I與光波波長λ的關系曲線稱為光譜特性曲線，又稱頻譜特性。 對于不同波長區(qū)域的光，應選用不同光電陰極的光電管。此外在測量與控制技術中，光電管可以擔負人眼不能勝任的工作。 ②光電特性 光電管在固定陽極電壓下，光通量與光電流 (陽極電流)之間的關系稱為光電特性。圖4—34為光電管的光電特性曲線。從圖4—34可知，光電管的光電特性基本上呈線性關系，直線的斜率為其靈敏度。 ③伏安特性 光電管在光通量一定的情況下，陽極電壓與陽極電流的關系稱為伏安特性。圖4—35為光電管的伏安特性曲線。在陽極電壓大于50V時，光電流開始飽和，陽極電流近于常數(shù)，而與電壓無關。真空光電管一般工作于伏安特性的飽和部分，內(nèi)阻達幾百兆歐。 3. 光電式傳感器 3.1工作原理 由光通量對光電元件的作用原理[1]不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)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. 　 光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很?。ǎ?micro;A），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 　　 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。纫话闳龢O管的穿透電流還??；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 3.2光電傳感器分類 1.槽開光電開關把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。 2． 對射式光電開光若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。 3． 反光板反射式光電開關把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。 4． 擴散反射式光電開關它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關控制信號。 5． 光纖式光電開關把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導到光接收器就組成光纖式光電開關。按動作方式的不同，光纖式光電開關也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。 4. 光電傳感器的應用 4.1光電傳感器優(yōu)點 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉變?yōu)樾盘柕淖兓缓蠼柚怆娫M一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件3部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來，隨著光電技術的發(fā)展，光電傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品，在各種輕工自動機上獲得廣泛的應用。 4.1.1光電式帶材跑偏檢測器 帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。 光電式帶材跑偏檢測器原理如圖1所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會聚為平行光束，投向透鏡2，隨后被會聚到光敏電阻上。在平行光束到達透鏡2的途中，有部分光線受到被測帶材的遮擋，使傳到光敏電阻的光通量減少。 圖1帶材跑偏檢測器工作原理 圖2為測量電路簡圖。R1、R2是同型號的光敏電阻。R1作為測量元件裝在帶材下方，R2用遮光罩罩住，起溫度補償作用。當帶材處于正確位置（ 中間位）時，由R1、R2、R3、R4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓U0為0。當帶材左偏時，遮光面積減少，光敏電阻R1阻值減少，電橋失去平衡。差動放大器將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當帶材右偏時，U0為正值。輸出信號U0一方面由顯示器顯示出來，另一方面被送到執(zhí)行機構，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。 圖2帶材跑偏檢測器測量電 4.1.2包裝充填物高度檢測 用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差范圍要求外，一般還對充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質量，不符合充填高度的成品將不許出廠。圖3所示為借助光電檢測技術控制充填高度的原理。當充填高度h偏差太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構將包裝物品推出進行處理。 圖3利用光電檢測技術控制充填高度 4.1.3光電色質檢測 圖4為包裝物料的光電色質檢測原理。若包裝物品規(guī)定底色為白色，因質量不佳，有的出現(xiàn)泛黃，在產(chǎn)品包裝前先由光電檢測色質，物品泛黃時就有比較電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將泛黃物品吹出。 圖4包裝物料的光電色質檢測原理 4.1.4煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。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行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里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，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。 4.1.5其他方面的應用 利用光電開關還可以進行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝配質量進行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼（見圖7），以及送料機構是否斷料（見圖8）等。 圖7瓶子灌裝檢測示意圖 圖8送料機構檢測示意圖 此外，利用反射式光電傳感器可以檢測布料的有無和寬度（見圖9）。利用遮擋式光電傳感器檢測布料的下垂度，其結果可用于調(diào)整布料在傳送中的張力，利用安裝在框架上的反射式光電傳感器可以發(fā)現(xiàn)漏裝產(chǎn)品的空箱，并利用油缸將空箱推出。 5. 光纖傳感器 5.1基本工作原理 光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。 5.2光纖的種類與特性 截面 構造 特長 有效用途 代表型號 柔軟型 (多核心) (中間的素線固定) 很少因彎曲造成光量變動 容許彎曲半徑：R1mm 與傳統(tǒng)的標準型相比 柔軟，可像電線般布線 彎曲半徑可忽略 即使碰觸到光纖，光量也不變動 E32-T11R E32-T11R 標準型 單芯 光的傳輸效果好 (檢測距離較長) 容許彎曲半徑 ： R25mm或R10mm E32-TC200 E32-DC200 耐彎曲型(束) （中間的素線分散） 耐曲折性良好 反復彎曲次數(shù)100萬次以上（代表例） 容許彎曲半徑：R4mm 即使使用機器人手臂等可動的部分也很難破損 E32-T11 E32 5.3光纖傳感器的應用 多年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。 另外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。 6. 常用光電傳感器及生產(chǎn)廠家和參數(shù) 近幾年來，傳感器技術的發(fā)展突飛猛進，光電傳感器的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)外的眾多傳感器的生產(chǎn)廠家朝著精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展，呈現(xiàn)了各種不同型號的傳感器。常用的傳感器生產(chǎn)廠家有歐姆龍（omron）、松下、LNTECH、西門子等。一些常見傳感器的型號參數(shù)如下: 美國KAMAN： KAMAN技術的優(yōu)點體現(xiàn)在：非常穩(wěn)定，精度高，可重復性好；尤其適合金屬測量；抗潮濕、灰塵和其他污染物。KAMAN傳感器尤其適合苛刻的工況，有些特制產(chǎn)品在高溫高壓中同樣可以發(fā)揮卓越性能。 美國KAMAN產(chǎn)品的特點： 渦電流技術的領導者 在位置測量領域有超過三十年的經(jīng)驗 標準產(chǎn)品的規(guī)格非常齊全 特制產(chǎn)品可滿足客戶個性化需求 性能穩(wěn)定，可重復精度高 可達到次納米的精度 堅固，絕對可靠 主要產(chǎn)品為： KD-2306 MULTI-VIT MULTI-PURPOSE POSITION SENSING 測量范圍0.020-2.0英寸，精度0.01%，線性度0.5-1%，頻響50KHZ； KD-2446 HIGH-PRECISION PROXIMITY MEASURING SYSTEM 精度可到12微英寸，校準容易，低能耗，尤其適用于材質為鐵的測量，輸入電壓12或24VDC，極低的開關磁滯； SERIES 8000-MODULAR RACK-MOUNTED MULTICHANNEL POSITION SENSING 精度高于10微英寸，可選配16只標準傳感器，擴展模塊可提供總合/比照，雙設定點，電壓和電流轉換，和動態(tài)測量； SMU-9000/9200 FLEXIBLE SYSTEM FOR OEM APPLICATION 信噪比為1PPM，精度0.1%，能耗低，每通道低于40MW； KD-5100 DIFFERENTIAL SUPER HIGH PRECISION 精度可達納米級，高靈敏性 10V/MIL（394mV/m）； DIT-5200 DIFFERENTIAL IMPEDANCE TRANSDUCER 納米級精度，熱穩(wěn)定性 0.03% FS/C，零負荷時0.005% FS/C.，線性度0.1%； KDA - Kamans micro digital advantage 按鈕校準，操作方便，數(shù)字過濾，快速取樣，達10000/秒，操作溫度可達200C，支持RS232和RS485端口； 松下數(shù)字式光纖傳感器FX-301+CN-73-C2： 單價：280元/臺 產(chǎn)品特點: 穩(wěn)定長時間和短時間檢測(FX-301 FX-301-HS FX-305) (穩(wěn)定性提高) 4元素投光二極體抑制了一定時間內(nèi)投光體的變化，由此在長時間內(nèi)保持了穩(wěn)定的投光水平，還重新采用“APC(Auto Power Control)電路”。由于投光量可以控制在較少量內(nèi)，所以甚至在極短時間內(nèi)發(fā)生的變化也可控制，通過抑制以前不能抑制的由周圍環(huán)境變化引起的投光量不穩(wěn)定，從而實現(xiàn)穩(wěn)定檢測。 更大的檢測范圍(所有型號) 采用雙耦合透鏡，最大限度的提高了投光效率，大幅度增加了檢測距離。由于集成電路塊的小型化，小直徑、極小直徑光纖頗受歡迎，其檢測距離也比以前使用其他放大器時的值增加了50%, 投光量選擇(FX-301 FX-301-HS FX-305) 如果在近距離檢測或檢測透明或小型物體時，受光水平逐漸飽和，可無需改變反應時間調(diào)節(jié)傳感器的投光量而無需改變反應時間使檢測穩(wěn)定。以前需要改變反應時間或光纖進行檢測，而現(xiàn)在使用此功能設定檢測更為簡單。 35μs反應速度(FX-301-HS) 松下SUNX神視數(shù)字式色標傳感器LX-101 單價：780.00元/臺 數(shù)字式色標傳感器LX-100系列 最先進的色標傳感器高分辨率A/D轉換器＋最佳LED自動選擇功能同時使用三種顏色（RGB）的LED，通過反射光的RGB比率高精度判別色標顏色。也可有效檢測色標周圍那些帶花紋及圖案的薄膜等。高精度色標顏色辨別在彩色模式，同時利用三種顏色（RGB）的LED，根據(jù)RGB比率辨別色標顏色。通過內(nèi)置12bitA/D轉換器可以實現(xiàn)分辨率達1／4000的高精度判斷。高精度共軸反射光學系統(tǒng)（投光用鏡片 受光用鏡片 玻璃透鏡）◆ MODE NAVI使用6個指示燈來顯示傳感器的基本操作項目，一眼即可辨認出當前所設是何種操作模式。操作極為簡單。◆ 通過4位數(shù)字顯示實現(xiàn)檢測數(shù)值管理和微小設定。◆ 帶點擊感的三個大型按鈕實現(xiàn)了簡單操作?！?12bitA/D轉換器：實現(xiàn)高達1/4000的分辨率，可進行高精度色標檢測?！?保護結構:IP67 檢測距離：103mm光電尺寸：15mm(檢測距離10mm時)電源電壓:12~24VDC10% 脈動P—P10%以下輸出:NPN開路集電極晶體管或PNP開路集電極晶體管.尺寸:W57D24H38mm 邦納激光測距傳感器/ LT3系列 產(chǎn)品技術規(guī)格 可選直反式，檢測距離達5m；反射板式，檢測距離達50m 可選雙開關量輸出或模擬量與開關量輸出 按鍵教導，即可設定檢測窗口 遠程編程設定使設定更安全，方便 按鍵設定3種輸出響應速度 可視雷射，易于對準 每秒發(fā)出一百萬個脈沖 可靠檢測有轉角的物體 加強型構造可滿足IP67,NEMA 6的環(huán)境要求 產(chǎn)品案例： 紙板箱高度測量 正確測量在傳送帶上通過箱體的高度。 Description 當對射式傳感器被觸發(fā)的時候，一組LT3激光測距傳感器可以精確的測量出從傳感器下方通過的箱子的高度。這一組LT3激光測距傳感器可以測量單獨的箱體高度，也可以測量在料斗里面箱體的高度。 了解更多：艾馳商城IACMALL