光電傳感器檢測模式

光電傳感器檢測模式(摘自邦納傳感器手冊)
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光電傳感器的檢測模式分為如下幾類：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)射式檢測模式；如使用直反式光纖，則為接近式檢測模式。超聲波傳感器分對(duì)射式和接近式兩種檢測模式。
　　對(duì)射式
　　射式檢測方式的發(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)被測物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。
　　對(duì)射式是最早使用的一種光電檢測模式。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，通過觀察照在標(biāo)定物上的光斑來調(diào)整發(fā)射器位置。將標(biāo)定物移開，觀察傳感器上的過量增益指示燈，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。
　　檢測距離－對(duì)射式
　　檢測距離是傳感器一個(gè)很重要的參數(shù)。對(duì)于對(duì)射式傳感器，此參數(shù)是指傳感器的發(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，為可靠檢測物體，此部分光必須要被全部遮擋。對(duì)射式檢測模式的有效光束，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。在這種情況下，可以給傳感器加裝光縫來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)減小通過鏡頭的光的能量（光縫越小，通過的光就越少）。例如：直徑20mm的鏡頭安裝上帶一5mm孔的光縫后，則通過此孔的光的能量僅為原來的(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，如果被測物通過光束的方向是一定的，則優(yōu)先選用矩形光縫（如邊沿檢測）。如果小的被測物通過光束的方向不是固定的，則優(yōu)先選用圓形光縫。
　　如果被測物在通過時(shí)總是非常靠近發(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)射式傳感器檢測小物體時(shí)，在使用對(duì)射式傳感器檢測小物體時(shí)，一方面要保證有效光束的尺寸必須小于被測物的最小尺寸，同時(shí)要使鏡頭保留盡可能大的可視區(qū)域，以保證足夠的檢測距離。一種簡便的方法就是使用光纖，這種光纖檢測頭的出光孔有多種形狀和尺
　　寸，以適用于不同的被測物。
　　有些高能的經(jīng)過調(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)面過來的聲波反應(yīng)就會(huì)很弱，因而可以比較可靠的檢測小的物體。
　　
　　反射板式
　　反射板式的檢測模式中，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)，被測物就被檢測到了。
　　反射板式傳感器的檢測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)于反射板來說，它能將入射光以偏離垂直線最大20°的角度反射回來，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的光。但是對(duì)于反光率很強(qiáng)的被測物，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)為被測物并未出現(xiàn)。對(duì)這種問題，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)過檢測區(qū)域，那么我們可以將傳感器和反射板傾斜安裝，以使被測物表面反射回來的光回不到傳感器，傾斜角度通常為10~15°。
　　但是如果光亮被測物表面是圓形或被測物是以不確定的角度進(jìn)入檢測區(qū)域，則問題就會(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題。如問題仍不能解決，則考慮使用偏振反射板式或?qū)ι涫綑z測模式。
　　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問題。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光亮物體時(shí)的誤動(dòng)作問題，但同時(shí)也大大減弱了有效光束的能量，這一點(diǎn)對(duì)于檢測環(huán)境灰塵較大或需要較長檢測距離的應(yīng)用場合尤為重要。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。
　　
　　光路對(duì)準(zhǔn)－反射板式
　　近年來，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)我們在反射板上看到可見光時(shí)，光路基本就對(duì)準(zhǔn)了。
　　
　　接近檢測模式
　　近檢測模式的光電和超聲波傳感器是通過檢測從被測物反射回來的能量來判斷是否有被測物。例如，當(dāng)超聲波傳感器接收到被測物反射回來的聲波時(shí)，被測物就被檢測到了。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)。在這種檢測模式中，當(dāng)被測物出現(xiàn)時(shí)，它把一定數(shù)量的光反射回傳感器而不象對(duì)射式檢測模式中是把光擋住。光電的接近檢測模式又分為以下幾種檢測方式：直反式、寬光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式。
　　
　　直反式
　　光電傳感器中，直反式傳感器是一種常用的檢測模式。在這種方式中，發(fā)射器發(fā)出的光以多種角度照到被測物表面上，被測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∫徊糠值姆瓷涔狻Ｍ渌咏鼨z測模式一樣，直反式也受被測物表面反光率的影響。對(duì)于具有亮白表面的被測物，傳感器的檢測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)展檢測距離，但在檢測非常光亮的表面時(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。如果被測物表面平行于傳感器的檢測頭，則多數(shù)的直反式傳感器能接收到反射回來的光。但是如果被測物是圓形表面（如金屬桶）或被檢測的金屬薄片/薄膜經(jīng)常發(fā)生顫動(dòng)，則檢測起來就會(huì)很不可靠。
　　
　　寬光束直反式
　　了避免檢測光亮物體時(shí)光的損失對(duì)檢測性能的影響，尤其是近距離檢測時(shí)，可以使用寬光束直反式傳感器，沒有聚光鏡頭，檢測距離就會(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平面平行。這是其優(yōu)點(diǎn)所在。
　　對(duì)于任何接近檢測模式的傳感器，其檢測距離受被測物大小及外形的影響。尺寸大的被測物反射回來的光的能量要比小的被測物多。
　　在2.5mm檢測距離之內(nèi)，寬光束直反式傳感器的檢測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物檢測，則寬光束直反式傳感器能可靠檢測細(xì)沙或電線這樣的小物體。
　　
　　聚焦式
　　外一種可以檢測小物體的檢測模式為聚焦式。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，它能可靠檢測一般直反式或?qū)捁馐狈词絺鞲衅魉荒軝z測到的小物體和反光率非常低的物體。
　　
　　檢測距離－聚焦式
　　聚焦式傳感器的檢測距離是固定的，就是其焦距。這就要求傳感器距離被測物非常近。
　　聚焦式傳感器在焦點(diǎn)附近能可靠檢測被測物，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，所以可以用來進(jìn)行精確定位或外觀的檢測。
　　有時(shí)在檢測某些物體時(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。請注意：景深的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)也受被測物反光率的影響。（傳感器有時(shí)檢測不到反光率弱的被測物，但可能會(huì)檢測到被測物后面反光率較強(qiáng)的背景。）
　　色標(biāo)檢測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檢測色標(biāo)，以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定位。在色標(biāo)檢測中，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)，所以常用來檢測反光率很低的其他傳感器不能可靠檢測的物體。
　　
　　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)域式傳感器是通過比較落在兩個(gè)接收器上的反射光的多少來判斷被測物是否出現(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，則傳感器檢測到被測物。
　　
　　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，檢測距離是可調(diào)的。可調(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)的位置可通過電位器來調(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。
　　
　　光纖式
　　實(shí)上，光纖式并不是一種具體的檢測模式，使用不同的光纖可以組成不同的檢測模式。使用分離式光纖可以組成對(duì)射式的檢測模式，使用一體式光纖可以組成反射板式或接近式檢測模式，特殊的光纖可以定制，下圖的光纖是在檢測頭使用了特殊的結(jié)構(gòu)，使其形成了聚焦式檢測鏡頭。
　　
　　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，靜電式傳感器用來進(jìn)行長距離檢測，通常能達(dá)到6-7米。這種長距離的傳感器常用來檢測大容器的液位等。壓電式傳感器通常只有較短的檢測距離，一般在1米左右，但密封較好，能用在惡劣的環(huán)境下。
　　通常與直反式光電傳感器相比，超聲波傳感器較少受被測物表面特性的影響。但是，超聲波發(fā)生器的表面與光滑平整的被測物表面之間的平行度要保持在3°之內(nèi)（對(duì)于表面粗糙的物體，這個(gè)角度不太重要）。對(duì)于表面吸聲的材料，如衣服或泡沫，使用超聲波傳感器很難檢測。
　　同時(shí)，較小的物體反射回的波的能量很弱，所以選擇傳感器時(shí)，被測物的尺寸是非常重要的需要考慮的因素。當(dāng)被測物沿垂直于傳感器檢測平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，超聲波傳感器具有很高的重復(fù)精度，因而它們被廣泛用來測量距離。
　　一些傳感器具有可調(diào)整的檢測窗口或模擬量輸出，可輸出一個(gè)與被測物距離成比例的電壓/電流值。數(shù)字濾波器可使傳感器具有抗電磁或其他聲波干擾的能力，模擬量輸出具有很高的線性度，帶溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鬟m用于環(huán)境溫度變化較大的場合。
　　在超聲波接近式傳感器中，也有超聲波發(fā)生器與控制器分離的產(chǎn)品。這些小的超聲波發(fā)生器可以安裝在狹小的空間內(nèi)，由控制器進(jìn)行檢測和輸出控制。對(duì)射式的超聲波傳感器具有獨(dú)立的發(fā)射器和接收器，是檢測透明物體的理想產(chǎn)品。