光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件,它是把光信號(hào)(可見及紫外鐳射光)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的件。
光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。
光電傳感器的檢測(cè)方式有以下這幾種:對(duì)射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、寬光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式。其中,直反式、寬光束式,聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式有時(shí)又歸類于“光電接近檢測(cè)模式”(注意:不要與電容式或電感式接近開關(guān)混淆)。對(duì)于光纖傳感器,如使用對(duì)射光纖,則為對(duì)射式檢測(cè)模式;如使用直反式光纖,則為接近式檢測(cè)模式。超聲波傳感器分對(duì)射式和接近式兩種檢測(cè)模式。
一、對(duì)射式
射式檢測(cè)方式的發(fā)射器和接收器相互對(duì)射安裝,發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接收器。當(dāng)被測(cè)物擋住光束時(shí),傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。
對(duì)射式是早期使用的一種光電檢測(cè)模式。在調(diào)制光出現(xiàn)之前,發(fā)射器和接收器的對(duì)準(zhǔn)是一個(gè)很大的難題。今天,對(duì)于使用高能調(diào)制光的光電傳感器,將發(fā)射器和接收器對(duì)準(zhǔn)已非常容易。
光路對(duì)準(zhǔn)-對(duì)射式
光路對(duì)準(zhǔn)可使最大數(shù)量的發(fā)射光到達(dá)接收器,發(fā)射光要位于接收區(qū)域的中央位置。
當(dāng)發(fā)射器為可見光時(shí),為使光路對(duì)準(zhǔn)方便,在接收器鏡頭的正前方放一淺色的標(biāo)定物,通過(guò)觀察照在標(biāo)定物上的光斑來(lái)調(diào)整發(fā)射器位置。將標(biāo)定物移開,觀察傳感器上的過(guò)量增益指示燈,細(xì)調(diào)發(fā)射器和接收器的位置以達(dá)到最佳的對(duì)準(zhǔn)位置。
檢測(cè)距離-對(duì)射式
檢測(cè)距離是傳感器一個(gè)很重要的參數(shù)。對(duì)于對(duì)射式傳感器,此參數(shù)是指?jìng)鞲衅鞯陌l(fā)射器與接收器之間的最大距離。有效光束是指發(fā)射的所有光束中起作用的那部分,為可靠檢測(cè)物體,此部分光必須要被全部遮擋。對(duì)射式檢測(cè)模式的有效光束,我們可以將其比喻為連接發(fā)射器
鏡頭(或超聲波變送器)與接收器鏡頭(或變送器)的一個(gè)桿,如果發(fā)射器和接收器的鏡頭大小不一樣,則此桿會(huì)變成錐形。有效光束與發(fā)射器發(fā)射的光束或接收器的可接收區(qū)域是不一樣的。
對(duì)于對(duì)射式光電傳感器,在檢測(cè)小的部件或進(jìn)行精確定位時(shí),其有效光束可能會(huì)太大以致不能進(jìn)行可靠檢測(cè)。在這種情況下,可以給傳感器加裝光縫來(lái)減小有效光束的尺寸。(注意:在選擇光縫材料時(shí),要注意有些非金屬材料可能會(huì)被高能的調(diào)制光穿透)。
安裝光縫會(huì)減小通過(guò)鏡頭的光的能量(光縫越小,通過(guò)的光就越少)。例如:直徑20mm的鏡頭安裝上帶一5mm孔的光縫后,則通過(guò)此孔的光的能量?jī)H為原來(lái)的(1/4)2或1/16th,如果發(fā)射器和接收器都安裝了光縫,則光的能量會(huì)損失雙倍。
矩形光縫與同尺寸的圓孔形光縫相比,其鏡頭接收光的區(qū)域較大。因此,如果被測(cè)物通過(guò)光束的方向是一定的,則優(yōu)先選用矩形光縫(如邊沿檢測(cè))。如果小的被測(cè)物通過(guò)光束的方向不是固定的,則優(yōu)先選用圓形光縫。
如果被測(cè)物在通過(guò)時(shí)總是非??拷l(fā)射器或接收器,則僅需安裝一個(gè)光縫即可。其有效光束尺寸在有光縫的一端為光縫上孔的尺寸,在未安裝光縫的一端為鏡頭的尺寸,成為錐形。
在使用對(duì)射式傳感器檢測(cè)小物體時(shí),在使用對(duì)射式傳感器檢測(cè)小物體時(shí),一方面要保證有效光束的尺寸必須小于被測(cè)物的最小尺寸,同時(shí)要使鏡頭保留盡可能大的可視區(qū)域,以保證足夠的檢測(cè)距離。一種簡(jiǎn)便的方法就是使用光纖,這種光纖檢測(cè)頭的出光孔有多種形狀和尺寸,以適用于不同的被測(cè)物。
有些高能的經(jīng)過(guò)調(diào)制的對(duì)射式傳感器,在近距離使用時(shí),有時(shí)會(huì)在被測(cè)物周圍產(chǎn)生光能激增現(xiàn)象,致使傳感器產(chǎn)生誤動(dòng)作。這也是為什么要求被測(cè)物尺寸一定要大于有效光束尺寸的原因之一。
對(duì)于對(duì)射式的超聲波傳感器,通過(guò)使用聲波引導(dǎo)器件可以確定其波形圖。此器件安裝在接收器的變送器(有時(shí)也安裝在發(fā)射器上),安裝此器件后,接收器對(duì)從側(cè)面過(guò)來(lái)的聲波反應(yīng)就會(huì)很弱,因而可以比較可靠的檢測(cè)小的物體。
二、反射板式
反射板式的檢測(cè)模式中,一個(gè)傳感器本身既有發(fā)射器又有接收器。發(fā)射器發(fā)射光照到反射板上,反射光再返回接收器上。當(dāng)物體擋住光束時(shí),被測(cè)物就被檢測(cè)到了。
反射板式傳感器的檢測(cè)距離為從傳感器到反射板的距離。其有效光束通常為錐形,從鏡頭邊沿到反射板邊沿。特殊情況下與此不同,如:當(dāng)傳感器離反射板太近時(shí),光束不能全部覆蓋整個(gè)反射板;或者發(fā)射光為激光光束時(shí)。在這些情況下,有效光束的尺寸擴(kuò)展不到反射板的整個(gè)面積。
反射板通常是由多個(gè)幾何棱鏡組成的矩陣,每個(gè)棱鏡有三個(gè)互相垂直的平面和一個(gè)斜面。光束從斜面射入,經(jīng)其他三個(gè)面反射后從這個(gè)斜面上平行的返回。這樣反射板就將入射光反回到了接收器。
多數(shù)棱鏡式反射板由透明丙烯酸塑料壓鑄而成,具有多種尺寸和外形。棱鏡或反射板經(jīng)常作為汽車安全反射板用,當(dāng)汽車前燈照在反射板上時(shí),反射板會(huì)反射回很強(qiáng)的光使司機(jī)能及時(shí)觀察到。
高速公路上的警示標(biāo)志可以用反射帶來(lái)制作,反射帶表面涂有一層薄的帶幾何棱鏡的反光材料或玻璃細(xì)沙。(光滑的玻璃表面也可把光反射回去,但是涂玻璃細(xì)沙的表面其反光率低于帶幾何棱鏡的表面)
非常光亮的表面也可以做反射板用,但入射光會(huì)以等同的角度朝相反方向反射回去。為了使傳感器能接收到反射光,發(fā)射光必須垂直于鏡面。但對(duì)于反射板來(lái)說(shuō),它能將入射光以偏離垂直線最大20°的角度反射回來(lái),這樣就使對(duì)準(zhǔn)非常容易。好的反射板的反光率是一張白紙的3,000倍,所以反射板式傳感器很容易接收到從反射板反射回來(lái)的光。但是對(duì)于反光率很強(qiáng)的被測(cè)物,當(dāng)擋住光束時(shí),也能將很強(qiáng)的光反射回傳感器而使其誤認(rèn)為被測(cè)物并未出現(xiàn)。對(duì)這種問(wèn)題,我們也有相應(yīng)的解決辦法。
如果一個(gè)表面很平很亮的物體總是沿固定的方向經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域,那么我們可以將傳感器和反射板傾斜安裝,以使被測(cè)物表面反射回來(lái)的光回不到傳感器,傾斜角度通常為10~15°。
但是如果光亮被測(cè)物表面是圓形或被測(cè)物是以不確定的角度進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域,則問(wèn)題就會(huì)比較復(fù)雜。此時(shí)我們可以將傳感器和反射板水平及垂直方向均旋轉(zhuǎn)一定角度,這樣通常情況下可以解決問(wèn)題。如問(wèn)題仍不能解決,則考慮使用偏振反射板式或?qū)ι涫綑z測(cè)模式。
偏振
偏振鏡頭與可見光的反射板式傳感器配合使用,能很好解決光亮物體的檢測(cè)問(wèn)題。兩個(gè)偏振鏡頭分別安裝在發(fā)射器和接收器鏡頭的前面,偏振方向互相垂直。
發(fā)射光經(jīng)發(fā)射器垂直偏振鏡頭偏振后,變成垂直振動(dòng)的光波,此光波經(jīng)反射板反射(去偏振)后,變?yōu)樗椒较蛘駝?dòng)的光波,這種光波可通過(guò)接收器的水平偏振鏡頭被接收器接收。
偏振鏡頭雖然解決了傳感器檢測(cè)光亮物體時(shí)的誤動(dòng)作問(wèn)題,但同時(shí)也大大減弱了有效光束的能量,這一點(diǎn)對(duì)于檢測(cè)環(huán)境灰塵較大或需要較長(zhǎng)檢測(cè)距離的應(yīng)用場(chǎng)合尤為重要。偏振反射板式傳感器僅能與帶幾何棱鏡的反射板配合使用。
三、光路對(duì)準(zhǔn)-反射板式
近年來(lái),隨著LED技術(shù)的不斷提高,使用可見光光源的發(fā)射器逐步增多。當(dāng)使用可見光光源時(shí),反射板式傳感器的對(duì)準(zhǔn)就很容易了。當(dāng)我們?cè)诜瓷浒迳峡吹娇梢姽鈺r(shí),光路基本就對(duì)準(zhǔn)了。
四、接近檢測(cè)模式
近檢測(cè)模式的光電和超聲波傳感器是通過(guò)檢測(cè)從被測(cè)物反射回來(lái)的能量來(lái)判斷是否有被測(cè)物。例如,當(dāng)超聲波傳感器接收到被測(cè)物反射回來(lái)的聲波時(shí),被測(cè)物就被檢測(cè)到了。這種傳感器的發(fā)射器和接收器是組裝在一起的,且在傳感器的同一側(cè)。在這種檢測(cè)模式中,當(dāng)被測(cè)物出現(xiàn)時(shí),它把一定數(shù)量的光反射回傳感器而不象對(duì)射式檢測(cè)模式中是把光擋住。光電的接近檢測(cè)模式又分為以下幾種檢測(cè)方式:直反式、寬光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式。
五、直反式
光電傳感器中,直反式傳感器是一種常用的檢測(cè)模式。在這種方式中,發(fā)射器發(fā)出的光以多種角度照到被測(cè)物表面上,被測(cè)物表面同樣以多種角度對(duì)入射光進(jìn)行反射,其中只有很小的一部分被反射回接收器。
直反式檢測(cè)模式對(duì)光能的利用率相對(duì)較低,因?yàn)槠浣邮掌髦荒芙邮盏胶苄∫徊糠值姆瓷涔?。同其他接近檢測(cè)模式一樣,直反式也受被測(cè)物表面反光率的影響。對(duì)于具有亮白表面的被測(cè)物,傳感器的檢測(cè)距離就要比暗黑表面的物體要遠(yuǎn)。
多數(shù)直反式傳感器都加裝鏡頭來(lái)校準(zhǔn)發(fā)射光,使其更加集中,以便獲得更多的反射光。雖然加裝鏡頭可以擴(kuò)展檢測(cè)距離,但在檢測(cè)非常光亮的表面時(shí)比較困難,此時(shí)傳感器的安裝角度就變得非常重要。
因?yàn)榉浅9饬恋谋砻婢拖箸R面一樣,安裝角度稍微一偏,多數(shù)的反射光就都反射走了,只有很小的一部分反射回接收器。如果被測(cè)物表面平行于傳感器的檢測(cè)頭,則多數(shù)的直反式傳感器能接收到反射回來(lái)的光。但是如果被測(cè)物是圓形表面(如金屬桶)或被檢測(cè)的金屬薄片/薄膜經(jīng)常發(fā)生顫動(dòng),則檢測(cè)起來(lái)就會(huì)很不可靠。
六、寬光束直反式
了避免檢測(cè)光亮物體時(shí)光的損失對(duì)檢測(cè)性能的影響,尤其是近距離檢測(cè)時(shí),可以使用寬光束直反式傳感器,沒有聚光鏡頭,檢測(cè)距離就會(huì)縮短,但同時(shí)也不必嚴(yán)格要求傳感器鏡頭必須與光亮的被測(cè)平面平行。這是其優(yōu)點(diǎn)所在。
對(duì)于任何接近檢測(cè)模式的傳感器,其檢測(cè)距離受被測(cè)物大小及外形的影響。尺寸大的被測(cè)物反射回來(lái)的光的能量要比小的被測(cè)物多。
在2.5mm檢測(cè)距離之內(nèi),寬光束直反式傳感器的檢測(cè)性能要比一般直反式的要好。因此如果傳感器鏡頭能夠貼近被測(cè)物檢測(cè),則寬光束直反式傳感器能可靠檢測(cè)細(xì)沙或電線這樣的小物體。
七、聚焦式
外一種可以檢測(cè)小物體的檢測(cè)模式為聚焦式。多數(shù)聚焦式傳感器是給發(fā)射器加裝一個(gè)鏡頭,使發(fā)射光聚焦在鏡頭前面的某一點(diǎn),同時(shí)接收器鏡頭的焦點(diǎn)也在此處。這樣就在固定距離處形成了一個(gè)小的能量集中的檢測(cè)區(qū)域。
聚焦式傳感器對(duì)反射光的利用率很高,它能可靠檢測(cè)一般直反式或?qū)捁馐狈词絺鞲衅魉荒軝z測(cè)到的小物體和反光率非常低的物體。
檢測(cè)距離-聚焦式
聚焦式傳感器的檢測(cè)距離是固定的,就是其焦距。這就要求傳感器距離被測(cè)物非常近。
聚焦式傳感器在焦點(diǎn)附近能可靠檢測(cè)被測(cè)物,這一以焦點(diǎn)為中心的區(qū)域稱為景深。景深的大小取決于傳感器的設(shè)計(jì)和被測(cè)物的反光率。精密聚焦式傳感器的景深是很小的,所以可以用來(lái)進(jìn)行精確定位或外觀的檢測(cè)。
有時(shí)在檢測(cè)某些物體時(shí),需要忽略背景中靜止或運(yùn)動(dòng)的物體。聚焦式傳感器的一個(gè)特點(diǎn)就是能忽略景深以外的物體。請(qǐng)注意:景深的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)也受被測(cè)物反光率的影響。(傳感器有時(shí)檢測(cè)不到反光率弱的被測(cè)物,但可能會(huì)檢測(cè)到被測(cè)物后面反光率較強(qiáng)的背景。)
色標(biāo)檢測(cè)是聚焦式傳感器的一個(gè)特殊應(yīng)用,使用精密聚焦式傳感器來(lái)檢測(cè)色標(biāo),以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定位。在色標(biāo)檢測(cè)中,傳感器光源的顏色非常重要,其中藍(lán)綠色光源被證明具有更寬的使用范圍,它甚至可以檢測(cè)白紙上20%的黃色。
激光聚焦式傳感器可以產(chǎn)生一個(gè)能量集中,尺寸非常小的光斑,直徑約0.25mm,非常適合于檢測(cè)小的物體或做為機(jī)械手的定位傳感器。由于其光束能量很強(qiáng),所以常用來(lái)檢測(cè)反光率很低的其他傳感器不能可靠檢測(cè)的物體。
八、定區(qū)域式
區(qū)域式傳感器是一種光電接近式傳感器,它具有很明確的檢測(cè)范圍,能忽略此范圍以外的物體而不受此物體表面反光率的影響。
定區(qū)域式傳感器是通過(guò)比較落在兩個(gè)接收器上的反射光的多少來(lái)判斷被測(cè)物是否出現(xiàn)。如果落在接收器R2上的反射光等于或多于落在R1上的反射光,則傳感器檢測(cè)到被測(cè)物。
可調(diào)區(qū)域式
就象定區(qū)域式一樣,可調(diào)區(qū)域式傳感器可以區(qū)分位于不同距離處的物體,在這種情況下,檢測(cè)距離是可調(diào)的??烧{(diào)區(qū)域式傳感器的接收器能產(chǎn)生兩個(gè)電流I1和I2,這兩個(gè)電流的比值隨反射光落在接收器上位置的不同而會(huì)有所變化。傳感器關(guān)斷點(diǎn)的位置與這個(gè)比值有直接的關(guān)系,此關(guān)斷點(diǎn)的位置可通過(guò)電位器來(lái)調(diào)整,即使位于關(guān)斷點(diǎn)以外的物體具有很強(qiáng)的反光率,傳感器依然會(huì)將其忽略。
九、光纖式
實(shí)上,光纖式并不是一種具體的檢測(cè)模式,使用不同的光纖可以組成不同的檢測(cè)模式。使用分離式光纖可以組成對(duì)射式的檢測(cè)模式,使用一體式光纖可以組成反射板式或接近式檢測(cè)模式,特殊的光纖可以定制,下圖的光纖是在檢測(cè)頭使用了特殊的結(jié)構(gòu),使其形成了聚焦式檢測(cè)鏡頭。
超聲波接近模式
交流電壓供電后,超聲波發(fā)生器產(chǎn)生震動(dòng)。這種震動(dòng)交替壓縮和撞擊空氣分子使其不斷地向外傳送超聲波,同時(shí)超聲波發(fā)生器也能接收超聲波的回波。
超聲波傳感器根據(jù)其發(fā)生器的不同分為:靜電式和壓電式,靜電式傳感器用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離檢測(cè),通常能達(dá)到6-7米。這種長(zhǎng)距離的傳感器常用來(lái)檢測(cè)大容器的液位等。壓電式傳感器通常只有較短的檢測(cè)距離,一般在1米左右,但密封較好,能用在惡劣的環(huán)境下。