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技術(shù)文章

光電傳感器（光電開(kāi)關(guān)）基礎(chǔ)知識(shí)及術(shù)語(yǔ)
DQZHAN技術(shù)訊：光電傳感器（光電開(kāi)關(guān)）基礎(chǔ)知識(shí)及術(shù)語(yǔ)
　光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。早期的用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈做為光源。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。

　　LED（發(fā)光二極管）

　　發(fā)光二極管*早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管做為指示燈來(lái)用。LED就是一種半導(dǎo)體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當(dāng)給LED通電流時(shí)，它會(huì)發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不象白熾燈那樣，LED抗震動(dòng)抗沖擊，并且沒(méi)有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。（激光二極管除外，它與普通LED的原理相同，但能產(chǎn)生幾倍的光能，并能達(dá)到更遠(yuǎn)的檢測(cè)距離）。LED能發(fā)射人眼看不到的紅外光，也能發(fā)射可見(jiàn)的綠光、黃光、紅光、藍(lán)光、藍(lán)綠光或白光。

　　經(jīng)調(diào)制的LED傳感器

　　1970年，人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個(gè)比壽命長(zhǎng)更好的優(yōu)點(diǎn)，就是它能夠以非常快的速度來(lái)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度可達(dá)到KHz。將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率，那么它就只能對(duì)以此頻率振動(dòng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。我們可以將光波的調(diào)制比喻成無(wú)線電波的傳送和接收。將收音機(jī)調(diào)到某臺(tái)，就可以忽略其他的無(wú)線電波信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無(wú)線電波發(fā)射器，其接收器就相當(dāng)于收音機(jī)。

　　人們常常有一個(gè)誤解：認(rèn)為由于紅外光LED發(fā)出的紅外光是看不到的，那么紅外光的能量肯定會(huì)很強(qiáng)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長(zhǎng)無(wú)太大關(guān)系。一個(gè)LED發(fā)出的光能很少，經(jīng)過(guò)調(diào)制才將其變得能量很高。一個(gè)未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過(guò)使用長(zhǎng)焦距鏡頭的機(jī)械屏蔽手段，使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光，才能使其能量變得很高。相比之下，經(jīng)過(guò)調(diào)制的接收器能忽略周圍的光，只對(duì)自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應(yīng)。未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來(lái)檢測(cè)周圍的光線或紅外光的輻射，如剛出爐的紅熱瓶子，在這種應(yīng)用場(chǎng)合如果使用其它的傳感器，可能會(huì)有誤動(dòng)作。如果一個(gè)金屬發(fā)射出的光比周圍的光強(qiáng)很多的話，那么它就可以被周圍光源接收器可靠檢測(cè)到。周圍光源接收器也可以用來(lái)檢測(cè)室外光。

　　但是并不是說(shuō)經(jīng)調(diào)制的傳感器就一定不受周圍光的干擾，當(dāng)使用在強(qiáng)光環(huán)境下時(shí)就會(huì)有問(wèn)題。例如，未經(jīng)過(guò)調(diào)制的光電傳感器，當(dāng)把它直接指向陽(yáng)光時(shí)，它能正常動(dòng)作。我們每個(gè)人都知道，用一塊有放大作用的玻璃將陽(yáng)光聚集在一張紙上時(shí)，很容易就會(huì)把紙點(diǎn)燃。設(shè)想將玻璃替換成傳感器的鏡頭，將紙?zhí)鎿Q成光電三極管，這樣我們就很容易理解為什么將調(diào)制的接收器指向陽(yáng)光時(shí)它就不能工作了，這是周圍光源使其飽和了。

　　調(diào)制的LED改進(jìn)了光電傳感器的設(shè)計(jì)，增大了檢測(cè)距離，擴(kuò)展了光束的角度，人們逐漸接受了這種可靠易于對(duì)準(zhǔn)的光束。到1980年，非調(diào)制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺(tái)。

　　紅外光LED是效率*高的光束，同時(shí)也是在光譜上與光電三極管*匹配的光束。但是有些傳感器需要用來(lái)區(qū)分顏色（如色標(biāo)檢測(cè)），這就需要用可見(jiàn)光源。

　　在早期，色標(biāo)傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池接收器，直到后來(lái)發(fā)明了高效的可見(jiàn)光LED?，F(xiàn)在，多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見(jiàn)光LED發(fā)射器。經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度以獲取更長(zhǎng)的檢測(cè)距離，這是因?yàn)闄z測(cè)距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)。未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來(lái)檢測(cè)小的物體或動(dòng)作非?？斓奈矬w，這些場(chǎng)合要求的響應(yīng)速度都非?？臁５?，現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非常快的響應(yīng)速度，能滿足大多數(shù)的檢測(cè)應(yīng)用。

　　超聲波傳感器

　　聲波傳感器所發(fā)射和接收的聲波，其振動(dòng)頻率都超過(guò)了人耳所能聽(tīng)到的范圍。它是通過(guò)計(jì)算聲波從發(fā)射，經(jīng)被測(cè)物反射回到接收器所需要的時(shí)間，來(lái)判斷物體的位置。對(duì)于對(duì)射式超聲波傳感器，如果物體擋住了從發(fā)射器到接收器的聲波，則傳感器就會(huì)檢測(cè)到物體。與光電傳感器不同，超聲波傳感器不受被測(cè)物透明度和反光率的影響，因此在許多使用超聲波傳感器的場(chǎng)合就不適合使用光電傳感器來(lái)檢測(cè)。

　　光纖

　　安裝空間非常有限或使用環(huán)境非常惡劣的情況下，我們可以考慮使用光纖。光纖與傳感器配套使用，是無(wú)源元件，另外，光纖不受任何電磁信號(hào)的干擾，并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。

　　光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在這兩種材料的邊界處（入射角在一定范圍內(nèi)，），被全部反射回來(lái)。根據(jù)光學(xué)原理，所有光束都可以由光纖來(lái)傳輸。

　　兩條入射光束（入射角在接受角以內(nèi)）沿光纖長(zhǎng)度方向經(jīng)多次反射后，從另一端射出。另一條入射角超出接受角范圍的入射光，損失在金屬外皮內(nèi)。這個(gè)接受角比兩倍的*大入射角略大，這是因?yàn)楣饫w在從空氣射入密度較大的光纖材料中時(shí)會(huì)有輕微的折射。光在光纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響（彎曲半徑要大于*小彎曲半徑）。大多數(shù)光纖是可彎曲的，很容易安裝在狹小的空間。

　　玻璃光纖

　　玻璃光纖由一束非常細(xì)（直徑約50μm）的玻璃纖維絲組成。典型的光纜由幾百根單獨(dú)的帶金屬外皮玻璃光纖組成，光纜外部有一層護(hù)套保護(hù)。光纜的端部有各種尺寸和外形，并且澆注了堅(jiān)固的透明樹(shù)脂。檢測(cè)面經(jīng)過(guò)光學(xué)打磨，非常平滑。這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率。

[$page]　　玻璃光纖內(nèi)的光纖束可以是緊湊布置的，也可隨意布置。緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫(yī)療設(shè)備或管道鏡上。每一根光纖從一端到另一端都需要精心布置，這樣才能在另一端得到非常清晰的圖像。由于這種光纖費(fèi)用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應(yīng)用場(chǎng)合并不需要得到一個(gè)非常清晰的圖像，所以多數(shù)的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的，這種光纖就非常便宜了，當(dāng)然其所得到的圖像也只是一些光。

　　玻璃光纖外部的保護(hù)層通常是柔性的不銹鋼護(hù)套，也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纖可用于特殊的空間或環(huán)境，其檢測(cè)頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測(cè)要求。

　　玻璃光纖堅(jiān)固并且性能可靠，可使用在高溫和有化學(xué)成分的環(huán)境中，它可以傳輸可見(jiàn)光和紅外光。常見(jiàn)的問(wèn)題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過(guò)小而導(dǎo)致玻璃絲折斷，對(duì)于這種應(yīng)用場(chǎng)合，我們推薦使用塑料光纖。

　　塑料光纖

　　塑料光纖由單根的光纖束（典型光束直徑為0.25到1.5mm）構(gòu)成，通常有PVC外皮。它能安裝在狹小的空間并且能彎成很小的角度。

　　多數(shù)的塑料光纖其檢測(cè)頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱形，另一端未做加工以方便客戶根據(jù)使用將其剪短。邦納公司的塑料光纖都配有一個(gè)光纖刀。不像玻璃光纖，塑料光纖具有較高的柔性，帶防護(hù)外皮的塑料光纖適于安裝在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上。塑料光纖吸收一定波長(zhǎng)的光波，包括紅外光，因而塑料光纖只能傳輸可見(jiàn)光。

　　與玻璃光纖相比，塑料光纖易受高溫，化學(xué)物質(zhì)和溶劑的影響。

　　對(duì)射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有“單根的”－對(duì)射式，也有“分叉的”－直反式。單根光纖可以將光從發(fā)射器傳輸?shù)綑z測(cè)區(qū)域，或從檢測(cè)區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?。分叉式的光纖有兩個(gè)明顯的分支，可分別傳輸發(fā)射光和接收光，使傳感器既可以通過(guò)一個(gè)分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測(cè)區(qū)域，同時(shí)又通過(guò)另一個(gè)分支將反射光傳輸回接收器。

　　直反式的玻璃光纖，其檢測(cè)頭處的光纖束是隨意布置的。直反式的塑料光纖，其光纖束是沿光纖長(zhǎng)度方向一根挨一根布置。

　　光纖的特殊應(yīng)用

　　由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗電磁干擾，因而能被用在一些特殊的場(chǎng)合，如：適用于真空環(huán)境下的真空傳導(dǎo)光纖（VFT）和適用于爆炸環(huán)境下的光纖。在這兩個(gè)應(yīng)用中，特制的光纖安裝在特殊的環(huán)境中，經(jīng)一個(gè)法蘭引出來(lái)接到外面的傳感器上，光纖和法蘭的尺寸多種多樣。本安型傳感器，如NAMUR型的傳感器，可直接用在特殊或有爆炸性危險(xiǎn)的環(huán)境中。


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