傳感器光電傳感器檢測模式
2016-03-13
光電傳感器的檢測模式分為如下幾類：對射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、寬光束式、聚焦式、定區域式和可調區域式。其中，直反式、寬光束式，聚焦式、定區域式和可調區域式有時又歸類于“光電接近檢測模式”（注意：不要與電容式或電感式接近開關混淆）。對于光纖傳感器，如使用對射光纖，則為對射式檢測模式；如使用直反式光纖，則為接近式檢測模式。超聲波傳感器分對射式和接近式兩種檢測模式。
對射式
射式檢測方式的發射器和接收器相互對射安裝，發射器的光直接對準接收器。當被測物擋住光束時，傳感器輸出產生變化以指示被測物被檢測到。
對射式是最早使用的一種光電檢測模式。在調制光出現之前，發射器和接收器的對準是一個很大的難題。今天，對于使用高能調制光的光電傳感器，將發射器和接收器對準已非常容易。
光路對準－對射式
光路對準可使最大數量的發射光到達接收器，發射光要位于接收區域的中央位置。
當發射器為可見光時，為使光路對準方便，在接收器鏡頭的正前方放一淺色的標定物，通過觀察照在標定物上的光斑來調整發射器位置。將標定物移開，觀察傳感器上的過量增益指示燈，細調發射器和接收器的位置以達到最佳的對準位置。
檢測距離－對射式
檢測距離是傳感器一個很重要的參數。對于對射式傳感器，此參數是指傳感器的發射器與接收器之間的最大距離。有效光束是指發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。對射式檢測模式的有效光束，我們可以將其比喻為連接發射器
鏡頭（或超聲波變送器）與接收器鏡頭（或變送器）的一個桿，如果發射器和接收器的鏡頭大小不一樣，則此桿會變成錐形。有效光束與發射器發射的光束或接收器的可接收區域是不一樣的。
對于對射式光電傳感器，在檢測小的部件或進行精確定位時，其有效光束可能會太大以致不能進行可靠檢測。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，要注意有些非金屬材料可能會被高能的調制光穿透）。
安裝光縫會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，如果發射器和接收器都安裝了光縫，則光的能量會損失雙倍。
矩形光縫與同尺寸的圓孔形光縫相比，其鏡頭接收光的區域較大。因此，如果被測物通過光束的方向是一定的，則優先選用矩形光縫（如邊沿檢測）。如果小的被測物通過光束的方向不是固定的，則優先選用圓形光縫。
如果被測物在通過時總是非常靠近發射器或接收器，則僅需安裝一個光縫即可。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。
在使用對射式傳感器檢測小物體時，在使用對射式傳感器檢測小物體時，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，同時要使鏡頭保留盡可能大的可視區域，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。
有些高能的經過調制的對射式傳感器，在近距離使用時，有時會在被測物周圍產生光能激增現象，致使傳感器產生誤動作。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。
對于對射式的超聲波傳感器，通過使用聲波引導器件可以確定其波形圖。此器件安裝在接收器的變送器（有時也安裝在發射器上），安裝此器件后，接收器對從側面過來的聲波反應就會很弱，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，一個傳感器本身既有發射器又有接收器。發射器發射光照到反射板上，反射光再返回接收器上。當物體擋住光束時，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：當傳感器離反射板太近時，光束不能全部覆蓋整個反射板；或者發射光為激光光束時。在這些情況下，有效光束的尺寸擴展不到反射板的整個面積。
反射板通常是由多個幾何棱鏡組成的矩陣，每個棱鏡有三個互相垂直的平面和一個斜面。光束從斜面射入，經其他三個面反射后從這個斜面上平行的返回。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。棱鏡或反射板經常作為汽車安全反射板用，當汽車前燈照在反射板上時，反射板會反射回很強的光使司機能及時觀察到。
高速公路上的警示標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沙。（光滑的玻璃表面也可把光反射回去，但是涂玻璃細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，發射光必須垂直于鏡面。但對于反射板來說，它能將入射光以偏離垂直線最大20°的角度反射回來，這樣就使對準非常容易。
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。但是對于反光率很強的被測物，當擋住光束時，也能將很強的光反射回傳感器而使其誤認為被測物并未出現。對這種問題，我們也有相應的解決辦法。
如果一個表面很平很亮的物體總是沿固定的方向經過檢測區域，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入檢測區域，則問題就會比較復雜。此時我們可以將傳感器和反射板水平及垂直方向均旋轉一定角度，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對射式檢測模式。
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。兩個偏振鏡頭分別安裝在發射器和接收器鏡頭的前面，偏振方向互相垂直。
發射光經發射器垂直偏振鏡頭偏振后，變成垂直振動的光波，此光波經反射板反射（去偏振）后，變為水平方向振動的光波，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的誤動作問題，但同時也大大減弱了有效光束的能量，這一點對于檢測環境灰塵較大或需要較長檢測距離的應用場合尤為重要。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。
光路對準－反射板式
近年來，隨著LED技術的不斷提高，使用可見光光源的發射器逐步增多。當使用可見光光源時，反射板式傳感器的對準就很容易了。當我們在反射板上看到可見光時，光路基本就對準了。
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，當超聲波傳感器接收到被測物反射回來的聲波時，被測物就被檢測到了。這種傳感器的發射器和接收器是組裝在一起的，且在傳感器的同一側。在這種檢測模式中，當被測物出現時，它把一定數量的光反射回傳感器而不象對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、定區域式和可調區域式。
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，發射器發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入射光進行反射，其中只有很小的一部分被反射回接收器。
直反式檢測模式對光能的利用率相對較低，因為其接收器只能接收到很小一部分的反射光。同其他接近檢測模式一樣，直反式也受被測物表面反光率的影響。對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。
多數直反式傳感器都加裝鏡頭來校準發射光，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展檢測距離，但在檢測非常光亮的表面時比較困難，此時傳感器的安裝角度就變得非常重要。
因為非常光亮的表面就象鏡面一樣，安裝角度稍微一偏，多數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/薄膜經常發生顫動，則檢測起來就會很不可靠。
寬光束直反式
了避免檢測光亮物體時光的損失對檢測性能的影響，尤其是近距離檢測時，可以使用寬光束直反式傳感器，沒有聚光鏡頭，檢測距離就會縮短，但同時也不必嚴格要求傳感器鏡頭必須與光亮的被測平面平行。這是其優點所在。
對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，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。多數聚焦式傳感器是給發射器加裝一個鏡頭，使發射光聚焦在鏡頭前面的某一點，同時接收器鏡頭的焦點也在此處。這樣就在固定距離處形成了一個小的能量集中的檢測區域。
聚焦式傳感器對反射光的利用率很高，它能可靠檢測一般直反式或寬光束直反式傳感器所不能檢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附近能可靠檢測被測物，這一以焦點為中心的區域稱為景深。景深的大小取決于傳感器的設計和被測物的反光率。精密聚焦式傳感器的景深是很小的，所以可以用來進行精確定位或外觀的檢測。
有時在檢測某些物體時，需要忽略背景中靜止或運動的物體。聚焦式傳感器的一個特點就是能忽略景深以外的物體。請注意：景深的近點和遠點也受被測物反光率的影響。（傳感器有時檢測不到反光率弱的被測物，但可能會檢測到被測物后面反光率較強的背景。）
色標檢測是聚焦式傳感器的一個特殊應用，使用精密聚焦式傳感器來檢測色標，以對產品進行定位。在色標檢測中，傳感器光源的顏色非常重要，其中藍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生一個能量集中，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械手的定位傳感器。由于其光束能量很強，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。
定區域式
區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。
定區域式傳感器是通過比較落在兩個接收器上的反射光的多少來判斷被測物是否出現。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。
可調區域式
就象定區域式一樣，可調區域式傳感器可以區分位于不同距離處的物體，在這種情況下，檢測距離是可調的。可調區域式傳感器的接收器能產生兩個電流I1和I2，這兩個電流的比值隨反射光落在接收器上位置的不同而會有所變化。傳感器關斷點的位置與這個比值有直接的關系，此關斷點的位置可通過電位器來調整，即使位于關斷點以外的物體具有很強的反光率，傳感器依然會將其忽略。
光纖式
實上，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構，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，超聲波發生器產生震動。這種震動交替壓縮和撞擊空氣分子使其不斷地向外傳送超聲波，同時超聲波發生器也能接收超聲波的回波。
超聲波傳感器根據其發生器的不同分為：靜電式和壓電式，靜電式傳感器用來進行長距離檢測，通常能達到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（對于表面粗糙的物體，這個角度不太重要）。對于表面吸聲的材料，如衣服或泡沫，使用超聲波傳感器很難檢測。
同時，較小的物體反射回的波的能量很弱，所以選擇傳感器時，被測物的尺寸是非常重要的需要考慮的因素。當被測物沿垂直于傳感器檢測平面運動時，超聲波傳感器具有很高的重復精度，因而它們被廣泛用來測量距離。
一些傳感器具有可調整的檢測窗口或模擬量輸出，可輸出一個與被測物距離成比例的電壓/電流值。數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，帶溫度補償的傳感器適用于環境溫度變化較大的場合。
在超聲波接近式傳感器中，也有超聲波發生器與控制器分離的產品。這些小的超聲波發生器可以安裝在狹小的空間內，由控制器進行檢測和輸出控制。對射式的超聲波傳感器具有獨立的發射器和接收器，是檢測透明物體的理想產品。
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