一文深度了解SICK光電傳感器及其應(yīng)用

　　SICK光電傳感器主要是由傳送光線的投光部位和接收光線的受光部位所組成。當(dāng)投射的光線被檢測物體制遮蔽，或是反射回來時(shí)，到達(dá)受光部位的受光量就會(huì)產(chǎn)生變化。受光部位只要檢測到任何變化，就會(huì)將其轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)并加以輸出。一般所使用的光線以可視光（主要為紅色，綠色、紅色則用來判別顏色）和紅外線占絕大部分。

　　如下圖所示，光電傳感器主要可分為3大類。

　　特點(diǎn)

　　SICK光電傳感器檢測距離較長

　　以對(duì)照型為例，其檢測距離可達(dá)到10m以上，長度為其他檢測方法（磁力、超音波等）所。

　　SICK光電傳感器對(duì)于檢測物體的限制條件較少

　　不同于近接傳感器，只能檢測金屬材質(zhì)的物體，本傳感器的檢測原理為透過檢測物體進(jìn)行遮光，因此無論是玻璃、木材、液體等大部分的物體皆能檢測。

　　SICK光電傳感器應(yīng)答時(shí)間短

　　光本身以極為高速的方式行進(jìn)，除了架構(gòu)傳感器電路的電子零組件所需之機(jī)器動(dòng)作時(shí)間外，所需的應(yīng)答時(shí)間極短。

　　SICK光電傳感器解析度更高

　　借由高階的設(shè)計(jì)技術(shù)，讓投光光束必變?yōu)檩^小的光點(diǎn)，而且由于本產(chǎn)品采用特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此能實(shí)現(xiàn)高解析度的目標(biāo)。如此一來，甚至連微小物體檢測或需要高精確度的位置檢測等皆能迎刃而解。

　　以非接觸方式完成檢測

　　機(jī)器本身不需要接觸到物體即可進(jìn)行檢測，無論是檢測物體或傳感器不會(huì)因此受損。如此即可長時(shí)間使用傳感器。

　　進(jìn)行顏色判別

　　檢測物體所產(chǎn)生的光線反射率及吸收率依投光波長、檢測物體的顏色組合而有所不同。光電傳感器就是利用此種性質(zhì)，以檢測出物體的顏色。

　　調(diào)整更簡便

　　光電傳感器其中一種機(jī)型系采用投射可視光的方式，投光光束可一目了然，因此為檢測物體定位時(shí)更簡便。

　　原理

　　1.光的性質(zhì)

　　當(dāng)光線進(jìn)入空氣或水中，經(jīng)常以直線方式前進(jìn)。

　　對(duì)照型傳感器使用狹縫板來檢測微小物體，就是運(yùn)用光線的此種原理。

　　SICK光電傳感器當(dāng)光線由折射率不同的介質(zhì)，進(jìn)入另一個(gè)介質(zhì)面時(shí)，就會(huì)改變行進(jìn)方向。

　　SICK光電傳感器光線照射在像是鏡子或玻璃等平面上后，反射回來的角度會(huì)和入射角相同，這就稱之為“正反射"。

　　由3個(gè)平面直角相交后所組成的形狀，即為所謂的“三面直角棱鏡"。

　　將光線投射到三面直角棱鏡后，光線就會(huì)反覆進(jìn)行正反射，反射光最后到達(dá)方向與投光方向相反，這種反射方式就稱之為“回歸反射"。

　　原則上來說，大部分的回歸反射板系由邊角數(shù)公厘的三面直角棱鏡正確排列而成。

　　另外，像是白紙等不具光澤性的表面，由于光會(huì)被反射到所有的方向，因此稱之為“擴(kuò)散反射"。擴(kuò)散反射型產(chǎn)品的檢測方式正是利用此種原理。

　　?偏光

　　光波的震動(dòng)方向會(huì)與行進(jìn)方向互相垂直。光電傳感器主要使用LED作為光源。LED所投射出來的光線會(huì)朝與行進(jìn)方向互相垂直的各種方向震動(dòng)，此種反射方式稱為“無偏光"。將無偏光的震動(dòng)方向限制于單一方向的光學(xué)濾鏡，即為所謂的“偏光濾鏡"。換句話說，當(dāng)LED投射光線后，通過偏光濾鏡的光線僅會(huì)朝向單一方向震動(dòng)，此種狀態(tài)就稱為“偏光"（正確地說，應(yīng)稱為“直線偏光"）。如此一來，朝向某個(gè)方向（例如：垂直方向）震動(dòng)的偏光就能通過僅朝垂直方向震動(dòng)（水平方向）的偏光濾鏡了。

　　2.光源

　　?亮燈方式

　　<脈沖調(diào)變光方式>

　　大部分的光電傳感器多采用脈沖調(diào)變光，其原理就是會(huì)在固定周期內(nèi)反覆進(jìn)行投光。

　　此種方式不易受到外部干擾光所影響，適合長距離檢測。內(nèi)置防止互相干擾功能的機(jī)型，其投光周期會(huì)因干擾光線或外部干擾光的因素而在固定范圍內(nèi)改變。

　　<直流光方式>

　　此種方式會(huì)連續(xù)投射固定光量的光線，為標(biāo)記傳感器所采用。直流光方式雖然具有高速應(yīng)答性，但是檢測距離較短，易受外部干擾光影響等則為其缺點(diǎn)。

　　?光源顏色及種類

　　3.三角測距

　　距離設(shè)定型光電傳感器所采用的檢測原理，主要為三角測距法。下圖所示為三角測距法的原理。

　　投光元件所投射的光線會(huì)被擴(kuò)散并反射到檢測物體上。反射光會(huì)透過受光透鏡，成像在位置檢測元件上（半導(dǎo)體元件會(huì)依光線與檢測元件接觸的位置輸出訊號(hào)）。當(dāng)檢測物體被放置在靠近光學(xué)系統(tǒng)的位置A時(shí)，反射光會(huì)被成像在位置檢測元件的a位置，又，若是放置在離光學(xué)系統(tǒng)較遠(yuǎn)的位置B，反射光就會(huì)成

　　像于b的位置。因此，僅需測量位置檢測元件上的成像位置，即可計(jì)算出和檢測物體之間的距離。

　　分類

　　1.依檢測方式分類

　　檢測方式

　　投光器應(yīng)設(shè)置于受光器的對(duì)面，以利投光器的光線投射進(jìn)入受光器。

　　當(dāng)檢測物體被放置于投光器與受光器之間，且光線被遮蔽時(shí)，進(jìn)入受光器的光量就會(huì)減少。

　　此外，檢測方式與對(duì)照型相同，在傳感器的形狀方面，投光部位一體成型，即稱之為“溝型"。

　　特點(diǎn)

　　?動(dòng)作穩(wěn)定度高，檢測距離長（數(shù)cm～數(shù)十m）

　　?即使檢測物體的通過路徑改變，檢測位置仍不變

　　?不易受到檢測物體的光澤、顏色及傾斜度所影響

　　(2) 擴(kuò)散反射型

　　檢測方式

　　投光器與受光器一體成型，光線不會(huì)回到通常受光部位。當(dāng)投光部位所投射出來的光線一碰到檢測物體，檢測物體所反射出來的光線就會(huì)進(jìn)入受光部位，并讓受光量增加。

　　特點(diǎn)

　　SICK光電傳感器檢測距離為數(shù)cm～數(shù)m

　　SICK光電傳感器安裝調(diào)整更簡便

　　?根據(jù)檢測物體的表面狀態(tài)（顏色、凹凸面），反射光量、檢測穩(wěn)定性及距離皆不相同

　　(3) 回歸反射型

　　檢測方式

　　采用投光器、受光器一體成型的方式，通常投光器所投射出來的光線會(huì)被反射到設(shè)置于對(duì)面的反射板上，然后再回到受光部位。當(dāng)檢測物體的光線被遮蔽時(shí)，進(jìn)入受光部位的光量就會(huì)減少。

　　SICK光電傳感器的受光元件采用兩分割光電二極體或位置檢測元件。從檢測物體反射過來的投光光束會(huì)在受光元件上成像，且成像位置隨檢測物體的距離而改變、也就是利用“三角測距"原理來進(jìn)行檢測。

　　下圖所示的是使用兩分割光電二極體的檢測方式。兩分割光電二極體的其中一端（靠近外殼端）稱之為N（Near）側(cè)，另一端則稱之為F（Far）側(cè)。當(dāng)所設(shè)定距離的位置內(nèi)存在檢測物體時(shí)，反射光會(huì)在N側(cè)和F側(cè)的中間點(diǎn)成像，此時(shí)兩側(cè)的光電二極體所接收到的光量相等。當(dāng)檢測物體被放置于比設(shè)定距離更靠近傳感器的位置時(shí)，反射光則會(huì)在N側(cè)成像。反之，當(dāng)檢測物體存在于比設(shè)定距離更遠(yuǎn)的位置時(shí)，反射光會(huì)在F側(cè)成像。此時(shí)，只要計(jì)算傳感器通過計(jì)算N側(cè)受光量和F側(cè)受光量的差值，即可判斷出檢測物體的位置。

　　SICK光電傳感器功能指的是不檢測大于設(shè)定距離的背景物（輸送帶）。

　　FGS功能指的是不檢測小近設(shè)定距離的物體，以及返回受光器的光量小于規(guī)定值的物體，反過來說就是只檢測傳送帶的一種功能。返回受光器的光量較少的物體

　　大致可分為以下三類：

　　1.檢測物體的反射率極低，也就是比黑紙更黑的物體

　　2.反射光幾乎會(huì)全部回到投光側(cè)，如鏡面物體

　　3.反射光量大，且朝任意方向散射的凹凸光澤面等物體。在第C的情況下，當(dāng)檢測物體移動(dòng)時(shí)，可能暫時(shí)會(huì)有反射光回到受光側(cè)，這時(shí)必須使用OFF延遲計(jì)時(shí)器等以避免發(fā)生顫振（chattering）等情形。

　　檢測方式

　　與擴(kuò)散反射型一樣，采用接收來自檢測物體的反射光的方式來進(jìn)行檢測。擁有限定投射光束與受光區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)，因此傳感器只能檢測與傳感器之間保持固定距離（投光光束及受光區(qū)域重疊的范圍）的檢測物體。如右圖所示，（A）的位置無法檢測到檢測物體，但是（B）的位置則否。

　　特點(diǎn)

　　SICK光電傳感器可限定與傳感器之間的距離，并只在此范圍內(nèi)有檢測物體時(shí)進(jìn)行檢測

　　SICK光電傳感器不易受到檢測物體的顏色所影響

　　SICK光電傳感器不易受到檢測物體光澤、傾斜度影響

　　2.依結(jié)構(gòu)分類

　　光電傳感器通常由投光部位、受光部位、放大部位、控制部位及電源部位等所組成，根據(jù)其構(gòu)成狀態(tài)，可分為以下幾類：

　　(1) 增幅器分離型

　　只將投光部和受光部分離，分別架構(gòu)投光器和受光器（對(duì)照型），或者制作成一體成型的投光器受光器（反射型）。其他放大部位和控制部位則制作成一體成型的放大器單元。

　　(2) 放大器內(nèi)建型

　　電源部位以外為一體型（對(duì)照型分為包含投光部位的投光器和包含受光部位、放大部位及控制部位的受光器）。電源部位則單獨(dú)制作成電源模組。

　　特點(diǎn)

　　?受光部位、放大部位及控制部位采一體成型方式，負(fù)責(zé)微小訊號(hào)接收的訊號(hào)線不需要迂回繞接，因此不易受到干擾影響

　　?配線工時(shí)低于放大器分離型

　　?一般來說，體積雖然大于放大器分離型，但無感度調(diào)整功能型的體積輕巧，毫不遜于前者

　　(3) 電源內(nèi)建型

　　從投光器、受光器到電源部位皆采一體成型方式。

　　特點(diǎn)

　　?可直接連接商用電源，且受光器可以提供直接容量較大的控制輸出

　　?投光器、受光器內(nèi)置電源變壓器等，因此與其他類型相比，體積更為龐大

　　(4) 區(qū)域傳感器

　　投光部、受光部為多光軸（對(duì)照型）配合用途可以選擇傳感器的檢測幅度

　　特點(diǎn)

　　?可以感測大范圍

　　?適合用于揀選零組件

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　光電傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用的傳感器之一，廣泛應(yīng)用于檢測與工業(yè)自動(dòng)化控制等多種領(lǐng)域。

　　光電傳感器煙塵濁度監(jiān)測

　　防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里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(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。

　　煙霧報(bào)警器也是用光電傳感器作為核心部件，可以用來測量煙的濃度，它由紅外發(fā)光二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在無煙狀態(tài)時(shí)，光電三極管接收不到紅外線；當(dāng)煙霧進(jìn)入到感應(yīng)室后，煙霧粒子會(huì)將部分光束散射到光電三極管上，當(dāng)煙霧的濃度逐漸加大時(shí)，就會(huì)有更多的光束被散射到感應(yīng)器上，當(dāng)?shù)竭_(dá)傳感器的光束達(dá)到一定的程度，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　條形碼掃描筆中的光電傳感器

　　當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時(shí)，發(fā) 光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。整個(gè)條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)，該信 號(hào)經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，完成對(duì)條形碼信息的識(shí)別。

　　光電傳感器在點(diǎn)鈔機(jī)中計(jì)數(shù)作用

　　點(diǎn)鈔機(jī)中的組成之一就是光電傳感器。點(diǎn)鈔機(jī)的計(jì)數(shù)器采用非接觸式紅外光電檢測技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

　　點(diǎn)鈔機(jī)的計(jì)數(shù)器采用兩組紅外光電傳感器。每一個(gè)傳感器由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)接收紅外光的光敏三極管組成，兩者之間留有適當(dāng)距離。

　　當(dāng)無通過時(shí)，接收管受光照而導(dǎo)通，輸出為0。當(dāng)有通過瞬間，擋住紅外光，接收管光通量不足，輸出為1。通過后，接收管又接收到紅外光導(dǎo)通。這樣就在該部分電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路整形放大后輸入單片機(jī)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)，并相應(yīng)完成計(jì)數(shù)和顯示。點(diǎn)鈔機(jī)之所以采用兩組光電傳感器，是為了檢測的完整性，避免殘幣被計(jì)入。

　　通過光電傳感器來檢測的計(jì)數(shù)情況進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目的累計(jì)，最后用液晶及外部顯示部分直觀地將示給用戶，并且在出現(xiàn)異常時(shí)可自動(dòng)向用戶報(bào)警。

　　光電傳感器在自動(dòng)抄表系統(tǒng)應(yīng)用

　　隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，可以利用光電傳感器來研制自動(dòng)抄表系統(tǒng)。電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。采用光電傳感器則可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。

　　如：在旋轉(zhuǎn)的光亮的鋁盤上局部涂黑，再配以反射式光電發(fā)射接收對(duì)管，則當(dāng)鋁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，在局部涂黑處便產(chǎn)生脈沖，并可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)采樣轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù)，并經(jīng)光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。采用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)。再結(jié)合其它傳輸方式便可以形成自動(dòng)抄表系統(tǒng)。

　　光電傳感器在自動(dòng)化生產(chǎn)線上應(yīng)用

　　光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，在輕工自動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用。

　　由于光電傳感器對(duì)紅外輻射或可見光都特別靈敏，因而就更加容易成為激光攻擊的目標(biāo)。此外，電子系統(tǒng)及傳感器本身還極易受到激光產(chǎn)生的熱噪聲和電磁噪聲的干擾而無法正常工作。