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摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 1 光电传感器检测原理及术语光电传感器检测原理及术语光电传感器检测原理及术语光电传感器检测原理及术语 一一一一 基础知识基础知识基础知识基础知识 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 见图1 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 随着技术的进步 现在使用非常小的LEDLEDLEDLED做为光源 1 1 1 1 LEDLEDLEDLED 发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管 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 见图2 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 见图3 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 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 2 图3 3 3 3经过调制的光源 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 见图5 周围光源接收器也可以用来检测室外光 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 3 图5 5 5 5 周围光源接收器可检测到红热瓶子或金属发出的红外光 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 见图6 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 图6 6 6 6 光谱响应比较 光电池VS VS VS VS 光电三极管 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 2 2 2 2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器 超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 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 4 波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测 见图7 图7 7 7 7 直反式超声波传感器测量液位 3 3 3 3 光纤光纤光纤光纤 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 图8 8 8 8 各式各样的塑料光纤和玻璃光纤 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 见图9 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 图9 9 9 9 单根光纤的接受角和出射角 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 5 图9表示了两条入射光束 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 1 1 1 1 玻璃光纤玻璃光纤玻璃光纤玻璃光纤 玻璃光纤由一束非常细 直径约50 m 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 见图10 图10 10 10 10 玻璃光纤的结构 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 见图11 图11111111光纤检测头光芯做成多种形状 以适应不同的检测要求 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 2 2 2 2 塑料光纤塑料光纤塑料光纤塑料光纤 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 6 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 见图12 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 图12 12 12 12 玻璃光纤和塑料光纤的光谱传输效率图 3 3 3 3 对射对射对射对射式和直反式光纤式和直反式光纤式和直反式光纤式和直反式光纤 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 见图13 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 图13 13 13 13 对射式和直反式光纤 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 4 4 4 4 光纤的特殊应用光纤的特殊应用光纤的特殊应用光纤的特殊应用 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 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 7 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 见图14 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 见图15 图14 14 14 14 光纤使用在特殊环境下 图15 NAMUR15 NAMUR15 NAMUR15 NAMUR型传感器可直接使用在危险环境中 二二二二 检测模式检测模式检测模式检测模式 光电传感器的检测模式分为如下几类 对射式 反射板式 偏振反射板式 直反式 宽 光束式 聚焦式 定区域式和可调区域式 其中 直反式 宽光束式 聚焦式 定区域式和 可调区域式有时又归类于 光电接近检测模式 注意 不要与电容式或电感式接近开关混 淆 对于光纤传感器 如使用对射光纤 则为对射式检测模式 如使用直反式光纤 则为 接近式检测模式 超声波传感器分对射式和接近式两种检测模式 1 1 1 1 对射式对射式对射式对射式 对射式检测方式的发射器和接收器相互对射安装 发射器的光直接对准接收器 当被测 物挡住光束时 传感器输出产生变化以指示被测物被检测到 见图16 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 8 图16 16 16 16 对射式检测模式 对射式是最早使用的一种光电检测模式 在调制光出现之前 发射器和接收器的对准是 一个很大的难题 今天 对于使用高能调制光的光电传感器 将发射器和接收器对准已非常 容易 1 1 1 1 光路对准光路对准光路对准光路对准 对射式对射式对射式对射式 光路对准可使最大数量的发射光到达接收器 发射光要位于接收区域的中央位置 当发射器为可见光时 为使光路对准方便 在接收器镜头的正前方放一浅色的标定物 通过观察照在标定物上的光斑来调整发射器位置 将标定物移开 观察传感器上的过量增益 指示灯 细调发射器和接收器的位置以达到最佳的对准位置 2 2 2 2 检测距离检测距离检测距离检测距离 对射式对射式对射式对射式 检测距离是传感器一个很重要的参数 对于对射式传感器 此参数是指传感器的发射器 与接收器之间的最大距离 有效光束是指发射的所有光束中起作用的那部分 为可靠检测物 体 此部分光必须要被全部遮挡 对射式检测模式的有效光束 我们可以将其比喻为连接发 射器镜头 或超声波变送器 与接收器镜头 或变送器 的一个杆 见图17 如果发射器 和接收器的镜头大小不一样 则此杆会变成锥形 有效光束与发射器发射的光束或接收器的 可接收区域是不一样的 图17 17 17 17 对射式检测模式的有效光束 对于对射式光电传感器 在检测小的部件或进行精确定位时 其有效光束可能会太大以 致不能进行可靠检测 在这种情况下 可以给传感器加装光缝来减小有效光束的尺寸 见图 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 9 18 注意 在选择光缝材料时 要注意有些非金属材料可能会被高能的调制光穿透 安装光缝会减小通过镜头的光的能量 光缝越小 通过的光就越少 例如 直径20mm 的镜头安装上带一5mm孔的光缝后 则通过此孔的光的能量仅为原来的 1 4 2或1 16th 如 果发射器和接收器都安装了光缝 则光的能量会损失双倍 图18 18 18 18 光缝会减小发射光束的尺寸 矩形光缝与同尺寸的圆孔形光缝相比 其镜头接收光的区域较大 因此 如果被测物通 过光束的方向是一定的 则优先选用矩形光缝 如边沿检测 如果小的被测物通过光束的 方向不是固定的 则优先选用圆形光缝 如果被测物在通过时总是非常靠近发射器或接收器 则仅需安装一个光缝即可 其有效 光束尺寸在有光缝的一端为光缝上孔的尺寸 在未安装光缝的一端为镜头的尺寸 成为锥形 在使用对射式传感器检测小物体时 一方面要保证有效光束的尺寸必须小于被测物的最 小尺寸 同时要使镜头保留尽可能大的可视区域 以保证足够的检测距离 一种简便的方法 就是使用光纤 这种光纤检测头的出光孔有多种形状和尺寸 以适用于不同的被测物 有些高能的经过调制的对射式传感器 在近距离使用时 有时会在被测物周围产生光能 激增现象 致使传感器产生误动作 这也是为什么要求被测物尺寸一定要大于有效光束尺寸 的原因之一 对于对射式的超声波传感器 通过使用声波引导器件可以确定其波形图 此器件安装在 接收器的变送器 有时也安装在发射器上 安装此器件后 接收器对从侧面过来的声波反 应就会很弱 因而可以比较可靠的检测小的物体 2 2 2 2 反射板式反射板式反射板式反射板式 反射板式的检测模式中 一个传感器本身既有发射器又有接收器 见图19 发射器发 射光照到反射板上 反射光再返回接收器上 当物体挡住光束时 被测物就被检测到了 图1 1 1 19 9 9 9 反射板将发射光返回到接收器上 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 10 反射板式传感器的检测距离为从传感器到反射板的距离 其有效光束通常为锥形 从镜 头边沿到反射板边沿 见图20 特殊情况下与此不同 如 当传感器离反射板太近时 光 束不能全部覆盖整个反射板 或者发射光为激光光束时 在这些情况下 有效光束的尺寸扩 展不到反射板的整个面积 图20 20 20 20 有效光束为锥形 反射板通常是由多个几何棱镜组成的矩阵 每个棱镜有三个互相垂直的平面和一个斜 面 光束从斜面射入 经其他三个面反射后从这个斜面上平行的返回 见图21 这样反射 板就将入射光反回到了接收器 图21 21 21 21 棱镜将入射光反射回接收器 多数棱镜式反射板由透明丙烯酸塑料压铸而成 具有多种尺寸和外形 见图22 棱镜 或反射板经常作为汽车安全反射板用 当汽车前灯照在反射板上时 反射板会反射回很强的 光使司机能及时观察到 高速公路上的警示标志可以用反射带来制作 反射带表面涂有一层薄的带几何棱镜的反 光材料或玻璃细沙 光滑的玻璃表面也可把光反射回去 但是涂玻璃细沙的表面其反光率 低于带几何棱镜的表面 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 11 图22 22 22 22 反射带和带几何棱镜反射板拥有多种形状和尺寸的产品 非常光亮的表面也可以做反射板用 但入射光会以等同的角度朝相反方向反射回去 为 了使传感器能接收到反射光 发射光必须垂直于镜面 但对于反射板来说 它能将入射光以 偏离垂直线最大20 的角度反射回来 这样就使对准非常容易 好的反射板的反光率是一张白纸的3 000倍 所以反射板式传感器很容易接收到从反射 板反射回来的光 但是对于反光率很强的被测物 当挡住光束时 也能将很强的光反射回传 感器而使其误认为被测物并未出现 对这种问题 我们也有相应的解决办法 如果一个表面很平很亮的物体总是沿固定的方向经过检测区域 那么我们可以将传感器 和反射板倾斜安装 以使被测物表面反射回来的光回不到传感器 倾斜角度通常为10 15 见图23 图23 23 23 23 倾斜安装可消除干扰 但是如果光亮被测物表面是圆形或被测物是以不确定的角度进入检测区域 则问题就会 比较复杂 此时我们可以将传感器和反射板水平及垂直方向均旋转一定角度 这样通常情况 下可以解决问题 如问题仍不能解决 则考虑使用偏振反射板式或对射式检测模式 1 1 1 1 偏振偏振偏振偏振 偏振镜头与可见光的反射板式传感器配合使用 能很好解决光亮物体的检测问题 两个 偏振镜头分别安装在发射器和接收器镜头的前面 偏振方向互相垂直 发射光经发射器垂直偏振镜头偏振后 变成垂直振动的光波 见图24 此光波经反射 板反射 去偏振 后 变为水平方向振动的光波 这种光波可通过接收器的水 平偏振镜头被接收器接收 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 12 图24 24 24 24 偏振反射板式传感器适于检测表面光亮的物体 偏振镜头虽然解决了传感器检测光亮物体时的误动作问题 但同时也大大减弱了有效光 束的能量 这一点对于检测环境灰尘较大或需要较长检测距离的应用场合尤为重要 偏振反 射板式传感器仅能与带几何棱镜的反射板配合使用 2 2 2 2 光路对准光路对准光路对准光路对准 反射板式反射板式反射板式反射板式 近年来 随着LED技术的不断提高 使用可见光光源的发射器逐步增多 当使用可见光 光源时 反射板式传感器的对准就很容易了 当我们在反射板上看到可见光时 光路基本就 对准了 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 13 图25 25 25 25 使用可见光光源 对准很容易 3 3 3 3 接近检测模式接近检测模式接近检测模式接近检测模式 接近检测模式的光电和超声波传感器是通过检测从被测物反射回来的能量来判断是否 有被测物 见图26 例如 当超声波传感器接收到被测物反射回来的声波时 被测物就被 检测到了 这种传感器的发射器和接收器是组装在一起的 且在传感器的同一侧 在这种检 测模式中 当被测物出现时 它把一定数量的光反射回传感器而不象对射式检测模式中是把 光挡住 光电的接近检测模式又分为以下几种检测方式 直反式 宽光束式 聚焦式 定区 域式和可调区域式 图26 26 26 26 接近检测模式的几种形式 4 4 4 4 直反式直反式直反式直反式 在光电传感器中 直反式传感器是一种常用的检测模式 在这种方式中 发射器发出的光以 多种角度照到被测物表面上 被测物表面同样以多种角度对入射光进行反射 其中只有很小 的一部分被反射回接收器 直反式检测模式对光能的利用率相对较低 因为其接收器只能接收到很小一部分的反射 光 同其他接近检测模式一样 直反式也受被测物表面反光率的影响 对于具有亮白表面的 被测物 传感器的检测距离就要比暗黑表面的物体要远 多数直反式传感器都加装镜头来校准发射光 使其更加集中 以便获得更多的反射光 虽然加装镜头可以扩展检测距离 但在检测非常光亮的表面时比较困难 此时传感器的安装 角度就变得非常重要 因为非常光亮的表面就象镜面一样 安装角度稍微一偏 多数的反射光就都反射走了 只有很小的一部分反射回接收器 如果被测物表面平行于传感器的检测头 则多数的直反式 传感器能接收到反射回来的光 见图27 但是如果被测物是圆形表面 如金属桶 或被检 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 14 测的金属薄片 薄膜经常发生颤动 则检测起来就会很不可靠 图27 27 27 27 对于直反式检测 传感器镜头必须与光亮的平面平行 以保证可靠检测 1 1 1 1 宽光束直反式宽光束直反式宽光束直反式宽光束直反式 为了避免检测光亮物体时光的损失对检测性能的影响 尤其是近距离检测时 可以使用 宽光束直反式传感器 没有聚光镜头 检测距离就会缩短 但同时也不必严格要求传感器镜 头必须与光亮的被测平面平行 这是其优点所在 见图26 对于任何接近检测模式的传感器 其检测距离受被测物大小及外形的影响 尺寸大的被 测物反射回来的光的能量要比小的被测物多 在2 5mm检测距离之内 宽光束直反式传感器的检测性能要比一般直反式的要好 因此 如果传感器镜头能够贴近被测物检测 则宽光束直反式传感器能可靠检测细沙或电线这样的 小物体 2 2 2 2 聚焦式聚焦式聚焦式聚焦式 另外一种可以检测小物体的检测模式为聚焦式 多数聚焦式传感器是给发射器加装一个 镜头 使发射光聚焦在镜头前面的某一点 同时接收器镜头的焦点也在此处 这样就在固定 距离处形成了一个小的能量集中的检测区域 见图26 聚焦式传感器对反射光的利用率很高 它能可靠检测一般直反式或宽光束直反式传感器 所不能检测到的小物体和反光率非常低的物体 检测距离检测距离检测距离检测距离 聚焦式聚焦式聚焦式聚焦式 聚焦式传感器的检测距离是固定的 就是其焦距 这就要求传感器距离被测物非常近 聚焦式传感器在焦点附近能可靠检测被测物 这一以焦点为中心的区域称为景深 景深 的大小取决于传感器的设计和被测物的反光率 精密聚焦式传感器的景深是很小的 所以可 以用来进行精确定位或外观的检测 有时在检测某些物体时 需要忽略背景中静止或运动的物体 聚焦式传感器的一个特点 就是能忽略景深以外的物体 请注意 景深的近点和远点也受被测物反光率的影响 传感 器有时检测不到反光率弱的被测物 但可能会检测到被测物后面反光率较强的背景 色标检测是聚焦式传感器的一个特殊应用 使用精密聚焦式传感器来检测色标 以对产 品进行定位 在色标检测中 传感器光源的颜色非常重要 其中蓝绿色光源被证明具有更宽 的使用范围 它甚至可以检测白纸上20 的黄色 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 15 图28 PicoDot28 PicoDot28 PicoDot28 PicoDot激光传感器的细小光束可以精确检测半导体晶圆的边沿 激光聚焦式传感器可以产生一个能量集中 尺寸非常小的光斑 直径约0 25mm 非常适 合于检测小的物体或做为机械手的定位传感器 由于其光束能量很强 所以常用来检测反光 率很低的其他传感器不能可靠检测的物 体 5 5 5 5 定区域式定区域式定区域式定区域式 定区域式传感器是一种光电接近式传感器 它具有很明确的检测范围 能忽略此范围以 外的物体而不受此物体表面反光率的影响 图29 29 29 29 在定区域检测模式中 如果落在R2R2R2R2上的反射光等于或 多于落在R1R1R1R1上的反射光 则传感器检测到被测物 定区域式传感器是通过比较落在两个接收器上的反射光的多少来判断被测物是否出现 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 则传感器检测到被测物 6 6 6 6 可调区域式可调区域式可调区域式可调区域式 就象定区域式一样 可调区域式传感器可以区分位于不同距离处的物体 在这种情况下 检测距离是可调的 可调区域式传感器的接收器能产生两个电流I1和I2 这两个电流的比值 随反射光落在接收器上位置的不同而会有所变化 传感器关断点的位置与这个比值有直接的 关系 此关断点的位置可通过电位器来调整 即使位于关断点以外的物体具有很强的反光率 传感器依然会将其忽略 见图30 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 16 图30 30 30 30 在可调区域检测模式中 位于关断点以外的物体被忽略掉 7 7 7 7 光纤式光纤式光纤式光纤式 事实上 光纤式并不是一种具体的检测模式 使用不同的光纤可以组成不同的检测模式 使用分离式光纤可以组成对射式的检测模式 使用一体式光纤可以组成反射板式或接近式检 测模式 特殊的光纤可以定制 下图的光纤是在检测头使用了特殊的结构 使其形成了聚焦 式检测镜头 图31 31 31 31 塑料光纤经过特殊制作 形成了短距离聚焦式光纤 8 8 8 8 超声波接近超声波接近超声波接近超声波接近模式模式模式模式 当交流电压供电后 超声波发生器产生震动 这种震动交替压缩和撞击空气分子使其不 断地向外传送超声波 同时超声波发生器也能接收超声波的回波 超声波传感器根据其发生器的不同分为 静电式和压电式 图32 静电式传感器用来 进行长距离检测 通常能达到6 7米 这种长距离的传感器常用来检测大容器的液位等 压 电式传感器通常只有较短的检测距离 一般在1米左右 但密封较好 能用在恶劣的环境下 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 17 图32 32 32 32 超声波传感器 静电式 中 和压电式 通常与直反式光电传感器相比 超声波传感器较少受被测物表面特性的影响 但是 超 声波发生器的表面与光滑平整的被测物表面之间的平行度要保持在3 之内 对于表面粗糙 的物体 这个角度不太重要 对于表面吸声的材料 如衣服或泡沫 使用超声波传感器很 难检测 同时 较小的物体反射回的波的能量很弱 所以选择传感器时 被测物的尺寸是非 常重要的需要考虑的因素 当被测物沿垂直于传感器检测平面运动时 超声波传感器具有很高的重复精度 因而它 们被广泛用来测量距离 一些传感器具有可调整的检测窗口或模拟量输出 可输出一个与被 测物距离成比例的电压 电流值 数字滤波器可使传感器具有抗电磁或其他声波干扰的能力 模拟量输出具有很高的线性度 带温度补偿的传感器适用于环境温度变化较大的场合 在超声波接近式传感器中 也有超声波发生器与控制器分离的产品 这些小的超声波发 生器可以安装在狭小的空间内 由控制器进行检测和输出控制 对射式的超声波传感器具有 独立的发射器和接收器 是检测透明物体的理想产品 图33 33 33 33 超声波传感器检测容器内的料位 三三三三 术语术语术语术语 1 1 1 1 光形图光形图光形图光形图 光形图 对于判断光电传感器在某个应用中能否正常工作是一个非常重要的工具 光形图涉 及到两个尺寸 假定沿光轴方向是对称的 并且假定对于任何检测平面其光形图的形状都是 相同的 但事实上并不总是这样的 光形图是基于以下条件得出的 清洁的检测环境 光 路对准良好 针对特定的检测距离把过量增益调整到最佳点 沿光轴的光束具有最强的能量 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 18 越靠近光形图的边沿能量越弱 对应每种检测模式的传感器 都有典型的光形图 但实际中 的光形图并不一定就是这样的 1 1 1 1 对射式的光形图对射式的光形图对射式的光形图对射式的光形图 对于对射式传感器 光形图是指接收器能有效看到发射光的那部分区域 水平坐标是发 射器与接收器之间的距离 垂直坐标是有效光束的宽度 可从光轴的任何一侧测得 假定发射器和接收器对准良好 也就是说在绘制光形图时 发射器镜头的光轴与接收器 镜头的光轴绝对平行 任何微小的错动都会影响到对射式传感器检测范围的大小 除非是近 距离检测 对射式传感器的光形图有助于我们判断并行安装的传感器能安装到多近而彼此之间没 有光线的干扰 典型的光形图 见图34 我们可以判断出在1 2米的对射距离处 平行于 发射器的接收器在发射器光轴周围200mm的范围内均能接收到足够的光而使其动作 这就说 明如果几对发射器和接收器并排安装 为了防止彼止间的干扰 每两对之间至少间隔250mm 200mm再加上一个安全系数 图34 34 34 34 典型的对射式传感器的光形图 我们可以通过对调发射器和接收器的位置而使两对传感器安装的更近 如图36 如果只 有两对传感器 这样安装可以有效避免彼此之间的干扰 图36 36 36 36 将发射器和接收器对调安装可有效避免彼此间的干扰 但是如果同一侧的发射器和接收器安装得太近 50mm或更近 则因反射光造成的干扰 的可能性就会增加 因为对射式接收器是靠光束是否被挡住来判断物体的有无 如果被测物 挡住了有效光束 但此时接收器接收到了其他发射器发出的被物体反射回来的光 则接收器 依然认为被测物并未出现 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 19 图35 35 35 35 光束重叠的部分表示两对传感器之间分开的最小距离 另一个防止彼此间光干扰的措施是将发射器或接收器倾斜安装 有效的将最外面的一对 传感器倾斜错开安装 如图37 将发射器1和3分别向外倾斜一定角度 使接收器2接收不到 这两个发射器发出的光 将并排的发射器和接收器沿对角方向拉开 也可以减少干扰 通过 光形图可以确定两对传感器之间的最小距离 图37 37 37 37 将发射器 1 1 1 1和 3 3 3 3错开安装以避免对接收器 2 2 2 2的干扰 如果对射式光束必须要安装很近的话 可以用光幕来消除光的干扰 光幕集成了多个对 射式光电传感器 每个发射器依次按顺序发光 同时与其对应的接收器收光 这样就消除了 光干扰的问题 光幕可用来在线检测物体外形 部件计数等相关应用 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 20 图38 MINI38 MINI38 MINI38 MINI ARRAYARRAYARRAYARRAY测量光幕 对射式传感器的光形图可以帮助我们来判断当发射器或接收器运动时 二者的光路是否 对准 光形图表示出对应不同的检测距离处 传感器最大的检测范围 当灵敏度调低时 光 形图的范围会缩小 灵敏度调高时 其范围会要扩大 2 2 2 2 反射板式传感器的光形图反射板式传感器的光形图反射板式传感器的光形图反射板式传感器的光形图 邦纳公司反射板式传感器的光形图是将直径84mm的BRT 3反射板垂直于传感器的光轴放 置来得到的 另有注明的除外 图中边界的区域是传感器能看到反射板的区域 见图39 图39 39 39 39 典型的反射板式传感器的光形图 光形图的水平坐标代表反射板与传感器之间的距离 垂直坐标是反射板能将光束反射回 传感器的偏离光轴最远的区域 反射板式传感器的光形图表明如果反射板式传感器安装的很近 则84mm的反射板可能会 造成彼此间的干扰 同时也表明直径84mm的反射板在一定距离处 平行于镜头方向移动时 传感器是否能检测到 更为重要的是 光形图给出了在远距离处有效光束的大小 在反射板上很容易捕捉到全 部的发射光 同时光形图也表明 在某一距离处 如果想使有效光束尺寸大于84mm 需要使 用多大的反射板 3 3 3 3 接近检测模式的光接近检测模式的光接近检测模式的光接近检测模式的光形图形图形图形图 接近式光电传感器的光形图给出了带亮颜色表面的被测物沿传感器表面运动时 能被可 靠检测到的区域 直反式 聚焦式 宽光束式 定区域式和可调区域式传感器的光形图是用 Kodak 90 反光率的白测试卡来绘制的 此卡的反光率比白色复印纸还要高10 低反光率 的材料 其光形图的尺寸要小 而高反光率的材料 其光形图尺寸要大 用来绘制光形图的测试卡 其尺寸为200 x250mm 使用此标准被测物得到的光形图 与 实际应用时不一定完全相同 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 21 当在远距离处检测小物体时 光形图就会变小 当表面光亮的物体以一定角度被检测到时 光形图的大小和形状都会有所变化 光形图的水平坐标是传感器到光亮被测物的距离 垂直 坐标是有效光束的宽度 是以光轴为中心的对称区域 见图40 对于直反式 聚焦式 宽 光束式 定区域式或可调区域式传感器来说 光形图与有效光束是相同 图40 40 40 40 典型的直反式传感器的光形图 超声波传感器的波形图是以一个方形固体平整表面来测得的 见图41 对于任何类型的传感 器 其波形图都是针对特定的被测物来测得的 实际的波形图的尺寸会受到被测物的大小 形状 质地和密度的影响 图41 41 41 41 典型的接近式超声波传感器的波形图 2 2 2 2 过量过量过量过量增益增益增益增益 量增益 E G 是一个非常重要的参数 它是用来表征光电传感器检测可靠性的 它能 标定出返回到接收器的光的能量能否使传感器动作 以及要使传感器动作所需的最小的光能 量值 发射器发出的光会由于灰尘 烟雾 水雾以及其他污染物而造成衰减 过量增益的公式如下所示 过量增益 传感器的门槛值是放大器所要求的使输出状态发生变化的光能量值 在经过调制的光电 传感器中 通常将接收到的光能转换成电压信号 mV 然后再与放大器的门槛电压做比较 从而确定出过量增益值 过量增益为1 1x 或 1倍 表示接收到的光信号转换成的电压值与放大器的门槛值 相同 如果发射光有50 的衰减 则过量增益至少为2x以弥补光的损失 同样 如果光能损失 80 则过量增益应至少为5x 如果我们已经知道了传感器的使用环境 那么可以根据表1来确定所需要的过量增益 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 22 以保证传感器能可靠工作 表中所列过量增益为1 5x 是指较清洁的使用环境 过量增益超过50 x 对射式光束就能穿 透纸和具有一定透光性能的材料 过量增益和检测距离的关系见图42 邦纳公司传感器的过量增益曲线图是指在清洁环境 下 对应于不同的检测距离所提供的最小过量增益值 多数传感器在出厂前都将传感器校准 至此曲线 有些产品可以现场调整过量增益值 图42 42 42 42 典型的对射式传感器的过量增益曲线 上图的过量增益曲线图表明 在清洁的使用环境下 过量增益值为1 5x 对射式传感 器的检测距离可达到3米以上 或在中度污染的环境下 过量增益值为10 x 可达到1 2米 在0 3米的检测距离内 传感器几乎可用在任何环境下 传感器在工作时有几种方式可指示过量增益的大小 通常用LED的闪烁或常亮来指示 信号强度指示器可清楚指示过量增益是否处于边缘 有些产品当过量增益值接近1x时 某个 报警LED闪烁或报警输出导通 1 1 1 1 过量增益过量增益过量增益过量增益 对射式传感器对射式传感器对射式传感器对射式传感器 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 23 对于任一种检测模式的光电传感器 其过量增益与检测距离的关系是一定的 例如 对 于对射式传感器 其过量增益值与检测距离变化的平方有关系 如果检测距离扩展了1倍 则过量增益减小为原来的 1 2 2 1 4 如果检测距离扩展到原来的3倍 则过量增益减小为 原来的 1 3 2 1 9 过量增益图用对数关系来表示的话 总是一条直线 由于发射器发出的光直接照向接收器 所以对射式传感器能最有效的利用光能 因此对 射式传感器的过量增益值远远高于其他检测模式 2 2 2 2 过量增益过量增益过量增益过量增益 反射板式反射板式反射板式反射板式 其他检测模式的过量增益曲线很难确定 反射板式传感器的过量增益曲线是使用84mm直径的 反射板来确定的 除非另有特别注明 过量增益曲线的形状受反射板大小的影响 将几个反 射板放在一起组成一个反射板簇来使用 可以扩大检测范围 并可以获得较高的过量增益值 图43 一个小的三垂镜式反射板能产生一个小的曲线图 反射板所使用的材料也会影响 到过量增益 一般而言 反射板所用材料的反射系数越高 获得的过量增益值就越大 图43 43 43 43 扩展反射板式传感器的检测距离 对于长检测距离的反射板式传感器 其发射器和接收器各有一个镜头 反射板将多数的 入射光直接反射回传感器 在近距离处 多数的入射光都直接反射回了发射器镜头 见图44 所以双镜头的反射 板式传感器在近距离处有一个盲区 在过量增益图上可以很明显的看出来 见图45 正因 为此 特制的单镜头传感器可用来近距离检测 一些带同轴镜头产品能贴近镜头检测强反光 的物体 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 24 图44 44 44 44 反射板式传感器的盲区 图45 45 45 45 典型的反射板式传感器的过量增益图 使用84mm84mm84mm84mm反射板 由于反射板式传感器的光在传递过程中有双倍的能量损失 因此在灰尘较多的使用环境 中 其过量增益的下降速度要比对射式的快1倍 3 3 3 3 过量增益过量增益过量增益过量增益 接近式检测模式接近式检测模式接近式检测模式接近式检测模式 光电接近式检测模式是一种对光能的利用率较低的检测模式 接收器只是接收到了很少 的一部分反射光 因而过量增益要低于其他检测模式 直反式 聚焦式 宽光束式 定区域式和可调区域式的过量增益曲线图是以Kodak 90 反光率的白测试卡为被测物来标定的 直反式过量增益的曲线与被测物的反光率有很大关 系 被测物的外形和尺寸也会影响到直反式传感器的过量增益 直反式传感器的过量增益曲 线图是假定白测试卡完全充满了传感器的有效光束区域 如果只遮住一部分有效光束 则反 射回接收器的光就会减少 象直反式一样 宽光束反直式的过量增益同样受被测物大小与反光率的影响 但并不是 特别明显 因为宽光束直反式传感器的检测距离非常短 对于聚焦式传感器 因为其能量都集中在焦点处 所以其最大的过量增益值要比其他接 近检测模式的要高很多 因而可用来检测反光率较低的物体 被测物反光率的大小对景深大 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 25 小的影响比较大 而且因为有效光束很小 因而可以检测很小的物体 4 4 4 4 过量增益和传感器对准过量增益和传感器对准过量增益和传感器对准过量增益和传感器对准 我们在安装红外光传感器时常犯的错误就是未能将光束的中心对准接收器或被测物 安 装支架可以用来调整传感器位置以对准光路 这种方法通常只用来进行微调 我们不要认为 机械上的对准等同于光路的对准 对于大多数传感器 其过量增益指示灯可以很好的指示光路的对准情况并观察传感器的 工作情况 根据传感器的不同 我们可以通过几种方法来降低过量增益值以便于观察光路的 对准情况 在对射式和反射板式的传感器中 可以通过两种简单的方法来进行精确的对准 如果传感器有过量增益调整旋钮 我们可以适当调低过量增益值 调整传感器位置 并 观察指示灯的闪烁频率来确定对准情况 如果传感器没有过量增益调整旋钮 我们可以用纸 暂时挡住传感器镜头 或反射板 调整传感器位置 观察指示灯的闪烁频率来确定对准情 况 3 3 3 3 对比度对比度对比度对比度 除了模拟量的测量应用以外 光电传感器实际上是区分两种状态下所接收到的光的多 少 对比度就是亮态条件下接收器接收到的光强比上暗态条件下接收到的光强 见下面公式 在特殊的应用场合下 必须选择正确的传感器才能使被测物与背景的对比度最大 在许 多应用场合下 如纸板盒挡住了反射光束 这种检测就具有很高的对比度 检测就比较容易 图46 46 46 46 所有光电传感器的应用 都是区分两种状态下接收光的强弱 但是 现在很多光电传感器的应用条件比较复杂 对于对射式和反射板式传感器 当应 用在下列场合时 就会出现问题 1 在实际使用过程中 被测物是透明或半透明的物体 2 只有一部分有效光束被挡住 对于接近检测模式的光电传感器 如果背景较近 且在检测区域内 那么就可能出现被 测物和背景的对比度较低的问题 如果背景的反光率高于被测物的反光率 则这个问题就更 复杂了 定区域式 可调区域式或超声波接近式传感器通常可以解决这个问题 通常 对比度为3是传感器可区分的最低值 但这也只能忽略光线的微弱变化对检测可 靠性的影响 例如传感器镜头表面有一些灰尘或被测物表面不规则 下表是对比度及相关说 摘自邦纳传感器手册 PLC 和变频器 工工工工控博客网控博客网控博客网控博客网 工工工工控控控控爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的爱好者交流的园地园地园地园地 26 明 低对比度的低对比度的低对比度的低对比度的检测检测检测检测 在一些检测应用中 其对比度往往低于3 这就属于一种低对比度的检测应用 许多色 标检测都属于这种应用 另外一种低比度的检测应用就是小的物体挡住了相对较大的有效光 束的一部分 如检测落下的小部件或断线检测 色标检测色标检测色标检测色标检测 色标检测应用通常要区分两种色彩和反光率都比较接近的颜色 现在有两种方法适用于此种 应用 一是使用带可编程技术的传感器 二是选择合适的光源以增大检测的对比度 图47 47 47 47 光源的颜色对于色标检测非常重要 光源的颜色非常重要 红色的LED分辨不出白底上的红色标 但能看到蓝色和绿色 蓝色LED