OMRON光電傳感器,歐姆龍產(chǎn)品說(shuō)明

光電式傳感器工作原理與應用 光電式傳感器 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器.它把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后 借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成.光電 檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等,而且可測參數多,傳感器的結構簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式 傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛. 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統是多種多樣的,按光電元件（光學(xué)測控系統）輸出 量性質(zhì)可分二類(lèi),即模擬式光電傳感器和脈沖（開(kāi)關(guān)）式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連 續變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法可分為透射（吸 收）式,漫反射式,遮光式（光束阻檔）三大類(lèi).所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被 測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測 物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射 剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān). 7.1 概述 光電傳感器是一種小型電子設備,它可以檢測出其接收到的光強的變化.早期的用來(lái)檢測物體有無(wú)的光電傳 感器是一種小的金屬圓柱形設備,

發(fā)射器帶一個(gè)校準鏡頭,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.在金屬圓筒內有一個(gè)小的白熾燈作為光源.這些小而堅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）zui早出現在 19 世紀 60 年代,現在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設備上看到這些二極管作為 指示燈來(lái)用.LED 就是一種半導體元件,其電氣與普通二極管相同,不同之處在于當給 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(cháng)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.不像白熾燈那樣,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 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 能達到更遠的檢測距離）.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,藍光,藍綠光或白 光. 1970 年,人們發(fā)現 LED 還有一個(gè)比壽命長(cháng)更好的,就是它能夠以非常快的速度來(lái)開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)速度可達到 K Hz.將接收器的放大器調制到發(fā)射器的調制頻率,那么它就只能對以此頻率振動(dòng)的光信號進(jìn)行放大. 我們可以將光波的調制比喻成無(wú)線(xiàn)電波的傳送和接收.將收音機調到某臺,就可以忽略其他的無(wú)線(xiàn)電波信號. 經(jīng)過(guò)調制的 LED 發(fā)射器就類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射器,其接收器就相當于收音機. 人們常常有一個(gè)誤解:認為由于紅外光 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.經(jīng)過(guò)調 制的光電傳感器的能量的大小與 LED 光波的波長(cháng)無(wú)太大關(guān)系.一個(gè) LED 發(fā)出的光能很少,經(jīng)過(guò)調制才將其變 得能量很高.一個(gè)未經(jīng)調制的傳感器只有通過(guò)使用長(cháng)焦距鏡頭的機械屏蔽手段,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)調制的接收器能忽略周?chē)墓?只對自己的光或具有相同調 制頻率的光做出響應. 未經(jīng)調制的傳感器用來(lái)檢測周?chē)墓饩€(xiàn)或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應用場(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?chē)墓鈴姾芏嗟脑?huà),那么它就可以被周?chē)庠唇邮掌骺煽繖z測到.周?chē)庠唇?收器也可以用來(lái)檢測室外光. 但是并不是說(shuō)經(jīng)調制的傳感器就一定不受周?chē)獾母蓴_,當使用在強光環(huán)境下時(shí)就會(huì )有問(wèn)題.例如,未經(jīng)過(guò)調 制的光電傳感器,當把它直接指向陽(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.設想將玻璃替換成傳感器的鏡頭,將紙替換成光電三極管,這樣我們 就很容易理解為什么將調制的接收器指向陽(yáng)光時(shí)它就不能工作了,這是周?chē)庠词蛊滹柡土? 調制的 LED 改進(jìn)了光電傳感器的設計,增大了檢測距離,擴展了光束的角度,人們逐漸接受了這種可靠易于對 準的光束.到 1980 年,非調制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺. 紅外光 LED 是效率zui高的光束,同時(shí)也是在光譜上與光電三極管zui匹配的光束.但是有些傳感器需要用來(lái)區 分顏色（如色標檢測）,這就需要用可見(jiàn)光源. 在早期,色標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.現在,多數的 色標傳感器都是使用經(jīng)調制的各種顏色的可見(jiàn)光 LED 發(fā)射器.經(jīng)調制的傳感器往往犧牲了響應速度以獲取 更長(cháng)的檢測距離,這是因為檢測距離是一個(gè)非常重要的參數.未經(jīng)調制的傳感器可以用來(lái)檢測小的物體或動(dòng) 作非常快的物體,這些場(chǎng)合要求的響應速度都非常快.但是,現在高速的調制傳感器也可以提供非常快的響應 速度,能滿(mǎn)足大多數的檢測應用. 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,）,被全部反射回來(lái).根據光學(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?xún)龋┭毓饫w長(cháng)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.這個(gè)接受角比兩倍的zui大入射角略大,這是因為光纖在從空氣射入密度 較大的光纖材料中時(shí)會(huì )有輕微的折射.光在光纖內部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響（彎曲半徑要大于zui小 彎曲半徑）.大多數光纖是可彎曲的,很容易安裝在狹小的空間. 玻璃光纖由一束非常細（直徑約 50m）的玻璃纖維絲組成.典型的光纜由幾百根單獨的帶金屬外皮玻璃光纖 組成,光纜外部有一層護套保護.光纜的端部有各種尺寸和外形,并且澆注了堅固的透明樹(shù)脂.檢測面經(jīng)過(guò)光學(xué) 打磨,非常平滑.這道精心的打磨工藝能提高光纖束之間的光耦合效率. 玻璃光纖內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療設備或管道鏡上. 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.由于這種光纖費用非 常昂貴并且多數的光纖應用場(chǎng)合并不需要得到一個(gè)非常清晰的圖像,所以多數的玻璃光纖其光纖束是隨意 布置的,這種光纖就非常了,當然其所得到的圖像也只是一些光. 玻璃光纖外部的保護層通常是柔性的不銹鋼護套,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,其檢測頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測要求.玻璃光纖堅固并且可靠,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) 小而導致玻璃絲折斷,對于這種應用場(chǎng)合,我們推薦使用塑料光纖. 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. 多數的塑料光纖其檢測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(hù)根據使用將其剪短. 不像玻璃光纖,塑料光纖具有較高的柔性,帶防護外皮的塑料光纖適于安裝在往復運動(dòng)的機械結構上.塑料光 纖吸收一定波長(cháng)的光波,包括紅外光,因而塑料光纖只能傳輸可見(jiàn)光. 對射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有"單根的"-對射式,也有"分叉的"-直反式.單根光纖可以將光從 發(fā)射器傳輸到檢測區域,或從檢測區域傳輸到接收器.分叉式的光纖有兩個(gè)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)射光傳輸到檢測區域,同時(shí)又通過(guò)另一個(gè)分支將反射光傳輸回接 收器 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 導光纖（VFT）和適用于爆炸環(huán)境下的光纖. 7.2 光電元件 光電元件是光電傳感器中zui重要的部件,常見(jiàn)的有真空光電元件和半導體光電元件兩大類(lèi).它們的工作原理 都基于不同形式的光電效應.根據光的波粒二像性,我們可以認為光是一種以光速運動(dòng)的粒子流,這種粒子稱(chēng) 為光子.每個(gè)光子具有的能量為 （7.1） 式中,為光波頻率;h 為普朗克常數,h=6.63 對不同頻率的光,其光子能量是不相同的,光波頻率越高,光子能量越大.用光照射某一物體,可以看作是一連 串能量為 Au 的光子轟擊在這個(gè)物體上,此時(shí)光子能量就傳遞給電子,并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被 一個(gè)電子所吸收,電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì )發(fā)生變化,從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應的電效 應,我們把這種物理現象稱(chēng)為光電效應.通常把光電效應分為三類(lèi): 1）在光線(xiàn)作用下能使電子逸出物體表面的現象稱(chēng)為外光電效應,基于外光電效應的光電元件有光電管,光電 倍增管等. 2）在光線(xiàn)作用下能使物體的電阻率改變的現象稱(chēng)為內光電效應.基于內光電效應的光電元件有光敏電阻,光 敏晶體管等. 3）在光線(xiàn)作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現象稱(chēng)為光生伏*應,基于光生伏*應的光電元件有光電 池等. 7.2.1 外光電效應器件 7.2.1.1 工作原理 光電管是利用外光電效應制成的光電元件,其外形和結構如圖 7.2.1 所示,半圓筒形金屬片制成的陰極 K 和位 于陰極軸心的金屬絲制成的陽(yáng)極 A 封裝在抽成真空的玻殼內,當入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子就把它的 全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加 h.當電子獲得的能量大于陰極材料 的逸出功 A 時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射.這種電子稱(chēng)為光電子,光電子逸出金屬表面 后的初始動(dòng)能為（1/2）m. 根據能量守恒定律有 （7.2） 式中,m 為電子;為電子逸出的初速度. 由上式可知,要使光電子逸出陰極表面的必要條件是 h>A.由于不同材料具有不同的逸出功,因此對每一種陰 極材料,入射光都有一個(gè)確定的頻率限,當入射光的頻率低于此頻率*,不論光強多大,都不會(huì )產(chǎn)生光電子發(fā) 射,此頻率限稱(chēng)為"紅限".相應的波長(cháng) λK 為 （7.3） 式中,c 為光速;A 為逸出功. 光電管正常工作時(shí),陽(yáng)極電位高于陰極,如圖 7.2.2 所示.在人射光頻率大于"紅限"的前提下,從陰極表面逸出的 光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引,在光電管內形成空間電子流,稱(chēng)為光電流.此時(shí)若光強增大,轟擊陰極的光 子數增多,單位時(shí)間內發(fā)射的光電子數也就增多,光電流變大.在圖 7.2.2 所示的電路中,電流 IФ 和電阻只 RL 上的電壓降 U0 就和光強成函數關(guān)系,從而實(shí)現光電轉換. 圖 7.2.1 光電管結構示意圖 圖 7.2.2 光電管測量電路圖 陰極材料不同的光電管,具有不同的紅限,因此適用于不同的光譜范圍.此外,即使入射光的頻率大于紅限,并 保持其強度不變,但陰極發(fā)射的光電子數量還會(huì )隨入射光頻率的變化而改變,即同一種光電管對不同頻率的 入射光靈敏度并不相同.光電管的這種光譜特性,要求人們應當根據檢測對象是紫外光,可見(jiàn)光還是紅外光去 選擇陰極材料不同的光電管,以便獲得滿(mǎn)意的靈敏度. 由于真空光電管的靈敏度低,因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管.圖 7.2.3 是光電倍增管結構 示意圖. 光電倍增管主要由光陰極 K,倍增極 D 和陽(yáng)極 A 組成,并根據要求采用不同的玻璃殼進(jìn)行真空封裝.依據 分裝方法,

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