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新型光電傳感器的原理及應用

瀏覽: 發布日期:2021-05-26 10:00:48

新型光電傳感器的原理及應用

概況

隨著全球制造業自動化程度的提高,工業傳感器成為提高生產能力和增強安全的關鍵所在。工業傳感器有各種尺寸、形狀和技術——最常見的是用電感、電容、光電、磁力、超聲波技術設計的傳感器。每一種技術各有其長短,因此要根據應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測控系統是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統)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。為此本文著重介紹工控撿測系統中新型模擬式光電傳感器的組成與特點、使用及有關應用舉例。

模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續變化的光電流,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出的光通量經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。

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元件,并按照一些光學定律和原理構成各種各樣的波,光學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的變化。一般地講,它檢測的是傳感器自己的光源發射出來的光線,或者檢測的并不是傳感器自己的光源發射出來的光線。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(發光二極管)、接收器(光敏三極管)、放大器(或比較器)及信號轉換器(或斯密特觸發器)充組成。光敏三極管對進來的光線進行分析,看看它是不是從發光二極管產生的光,并且產生輸出信號,基本組成原理示意見圖1所示。其光源(發光二極管)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,二者之間無電的聯系以提高抗干擾;光源(發光器)與接收器可以一個機殼內也可以分開。

與其他傳感器技術相比,這種傳感器技術有很多優點。例如,光電傳感器的敏感范圍遠遠超過了電感、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,加上機殼有很多樣式,幾乎可以到處使用。最后,隨著技術的不斷發展,光電傳感器在價錢方面可以同用其他技術制造的傳感器競爭。

1.1透射式光電傳感器在煙塵濁度監測上的應用

防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染,首先要知道煙塵排放量,因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。

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。因此光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。本應中應用奧托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器,其光源(發光器)與接收器不一個機殼內,見圖2(a)使用示意圖:先將發射器和接收器對準并固定好后才可以通電(12-24)VDC;接著在ON狀態設定好發射器的中心位置,然后左右上下方向調節接收器和發射器的位置;最后檢測目標穩定后固定好發射器和接收器。

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)。光檢測器光譜響應范圍為400-600nm的光電管,獲取隨濁度變化的相應電信號。為了提高檢測靈敏度,采用具有高增閃、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運算放大器,對信號進行放大。刻度校正被用來進行調零與調滿刻度,以保證測試準確性。顯示器可顯示濁度瞬時值。報警電路由多諧振蕩器組成,當運算放大器輸出濁度信號超過規定時,多諧振蕩器工作,輸出信號經放大后推動喇叭發出報警信號。

2.漫反射型光電傳感器

漫射型光電傳感器有時也稱作接近傳感器。在這種傳感器中,發光器和接收器裝在同一個機殼中。發光器發出的光線射到目標物體上,目標物體光線反射回來,什么角度的反射光都有。反射光中有一部分送回到接收器,于是便把目標物體檢測出來了。由于目標物體的

角度以及反射性能,發光器產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的接收器。但敏感范圍及接收器的能力受目標物體的顏色、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。發光器透鏡聚焦在傳感器前面固定的一點上。接收器透鏡也是聚焦在同一點上。敏感的范圍是固定的,取決于聚焦點的位置。這種傳感器能夠檢測在焦點上的物體,允許物體前后偏離焦點一定距離,這個距離稱作“敏感窗口”。當物體在敏感窗口以外,在焦點之前或者之后時便檢測不到。敏感窗口取決于目標的反射性能和靈敏度的調節狀況。因為所射出來的光能是聚焦在一個點上面,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物體,在這個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物體顏色的靈敏度是最低的。這種傳感器的一個主要優點是,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為是目標物體。

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上講有兩種:一種是機械的方法,另一種是電子的方法。

對于具有機械式背景光抑制功能的漫射型光電傳感器,它里面有兩個接收元件:一個接收來自目標物體的光,另一個接收背景光。目標接收器E1上的反射光的強度超過背景光接收器E2上的反射光時,便把目標檢測出來,產生輸出信號。當背景光接收器上的反射光的強度超過目標接收器上的反射光時,不檢測目標,輸出狀態不發生變化。在距離可變的傳感器中,焦點可以用機械的方法進行調節。

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)而不是使用機械元件。發光器發出一束光線,光束反射回來,從目標物體反射回來的光線和從背景物體反射回來的光線到達位置敏感元件的兩個不同位置。傳感器對到達位置

敏感元件這兩點的光進行比較,并將這個信號與事先設定的數值進行比較,從而決定輸出的狀見圖4所示。

這感器發光器和接收器裝在同一個機殼中,采用背景抑制技術,將由目標之外的物體反射光引起假切換的危險降低到最小。反射光通過傳感器內一系列接收元件收集,并給出一個輸出。如果目標移動并且從離預設距離更遠的物體上得到反射時,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。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部線路與圖1(a)相似,區別在于有個過電流保護電路。

漫反射光電傳感器先可以設定在最大位置,由于反射背景的存在,其靈敏度是必須要調整的;然后將目標設定在光通過的位置上,然后調節調整從最小位置調節到a;笫三步移走目標然后有鄰近物體時調節到b位置指示燈變亮,如果指示燈不亮調節到最大位置,可在a,b,位置中間設定調節。

結構緊湊的堅固金屬外殼,這些微型傳感器帶有預接電纜(尺寸2:傳感距離15-150mm可調)或帶有4管腳微變化連接器(尺寸1:傳感距離20-200-mm可調)以便于一旦出現損壞能夠快速更換。可供NPN或PNP常開+常閉輸出結構型。特點是可調傳感距離,亮/暗開關選擇(常開或常閉連接)LED輸出狀態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。適用于包裝生產線,需要不在場傳感或用于自動裝配機器中,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,它的發光器和接收器裝在同一個機殼中,這與漫射型傳感器是一樣的。但是它使用一只反射鏡把發光器產生的光線反射到接收器上。當目標物體阻擋了光電傳感器送往反射鏡的光線時,便把目標物體檢測出來,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,這是因為,與大多數目標物體的反射率相比,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,目標物體的顏色和表面光潔度會影響敏感距離。

應先將傳感器和反射鏡面對面安裝后,連接電源;后再調節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;如果被測物的反射率比發射鏡面高,它會發生誤動作,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。當發射器發出的光線通過偏光鏡時,它將被改變成水平橫向的光并達到反射鏡MS-2,然后它又因反射鏡改變成為垂直的光并達到接收器的偏光鏡。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,在傳感器中用一個滯環電路來檢測光線中的微弱變化。在敏感清晰的物體時,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物體的反射所成的錯誤響應。

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范圍內時,這種傳感器不會把明亮的目標物體誤認為是反射鏡。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行檢測的光電傳感器。這種傳感器需要兩個獨立的機殼,一個機殼中安裝發光器,另一個機殼中安裝接收器。發光器射出來的光線對準接收器,當有目標物體把光線擋住時,接收器的輸出便發生變化。在三種光電檢

測技術中,光束阻擋型傳感器的效率最高,能夠進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光器、一只接收器,在發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,發光器和接收器都裝在同一個機殼中,不存在對準的問題。光柵是由很多不同的發光器和不同的接收器排列起來組成的,發光器裝在一個機殼中,接收器裝在另一個機殼中,當它們互相對準時,便形成一片光束。

4、結束語

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用角度作分析說明。因為光電技術有很多種類,也有很多種工作方式。要根據具體項目的應用要求,仔細地選擇性穩能價格比較高的技術和類型,實施好設計方案。