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光電傳感器基礎知識及術語
來源:賽斯維傳感器網 發表於 2018/8/31

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。早期的用來檢測物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設備,發射器帶一個校準鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內有一個小的白熾燈做為光源。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(發光二極管)

  發光二極管最早出現在19世紀60年代,現在我們可以經常在電氣和電子設備上看到這些二極管做為指示燈來用。LED就是一種半導體元件,其電氣性能與普通二極管相同,不同之處在於當給LED通電流時,它會發光。由於LED是固態的,所以它能延長傳感器的使用壽命。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抗震動抗衝擊,並且沒有燈絲。另外,LED所發出的光能隻相當於同尺寸白熾燈所產生光能的一部分。(激光二極管除外,它與普通LED的原理相同,但能產生幾倍的光能,並能達到更遠的檢測距離)。LED能發射人眼看不到的紅外光,也能發射可見的綠光、黃光、紅光、藍光、藍綠光或白光。
  
  經調製的LED傳感器
  
  1970年,人們發現LED還有一個比壽命長更好的優點,就是它能夠以非常快的速度來開關,開關速度可達到KHz。將接收器的放大器調製到發射器的調製頻率,那麽它就隻能對以此頻率振動的光信號進行放大。

  我們可以將光波的調製比喻成無線電波的傳送和接收。將收音機調到某台,就可以忽略其他的無線電波信號。經過調製的LED發射器就類似於無線電波發射器,其接收器就相當於收音機。

  人們常常有一個誤解:認為由於紅外光LED發出的紅外光是看不到的,那麽紅外光的能量肯定會很強。經過調製的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長無太大關係。一個LED發出的光能很少,經過調製才將其變得能量很高。一個未經調製的傳感器隻有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段,使接收器隻能接收到發射器發出的光,才能使其能量變得很高。相比之下,經過調製的接收器能忽略周圍的光,隻對自己的光或具有相同調製頻率的光做出響應。

  未經調製的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應用場合如果使用其它的傳感器,可能會有誤動作。

  如果一個金屬發射出的光比周圍的光強很多的話,那麽它就可以被周圍光源接收器可靠檢測到。周圍光源接收器也可以用來檢測室外光。

  但是並不是說經調製的傳感器就一定不受周圍光的幹擾,當使用在強光環境下時就會有問題。例如,未經過調製的光電傳感器,當把它直接指向陽光時,它能正常動作。我們每個人都知道,用一塊有放大作用的玻璃將陽光聚集在一張紙上時,很容易就會把紙點燃。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麽將調製的接收器指向陽光時它就不能工作了,這是周圍光源使其飽和了。

  調製的LED改進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於對準的光束。到1980年,非調製的光電傳感器逐步就退出了曆史舞台。

  紅外光LED是效率最高的光束,同時也是在光譜上與光電三極管最匹配的光束。
  但是有些傳感器需要用來區分顏色(如色標檢測),這就需要用可見光源。

  
  在早期,色標傳感器使用白熾燈做光源,使用光電池接收器,直到後來發明了高效的可見光LED。現在,多數的色標傳感器都是使用經調製的各種顏色的可見光LED發射器。經調製的傳感器往往犧牲了響應速度以獲取更長的檢測距離,這是因為檢測距離是一個非常重要的參數。未經調製的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非常快的物體,這些場合要求的響應速度都非常快。但是,現在高速的調製傳感器也可以提供非常快的響應速度,能滿足大多數的檢測應用。
  
  超聲波傳感器
  
  聲波傳感器所發射和接收的聲波,其振動頻率都超過了人耳所能聽到的範圍。它是通過計算聲波從發射,經被測物反射回到接收器所需要的時間,來判斷物體的位置。對於對射式超聲波傳感器,如果物體擋住了從發射器到接收器的聲波,則傳感器就會檢測到物體。與光電傳感器不同,超聲波傳感器不受被測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合就不適合使用光電傳感器來檢測。
  
  光纖
  
  安裝空間非常有限或使用環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,是無源元件,另外,光纖不受任何電磁信號的幹擾,並且能使傳感器的電子元件與其他電的幹擾相隔離。

  光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外麵包一層金屬外皮。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(入射角在一定範圍內,),被全部反射回來。根據光學原理,所有光束都可以由光纖來傳輸。

  兩條入射光束(入射角在接受角以內)沿光纖長度方向經多次反射後,從另一端射出。另一條入射角超出接受角範圍的入射光,損失在金屬外皮內。這個接受角比兩倍的最大入射角略大,這是因為光纖在從空氣射入密度較大的光纖材料中時會有輕微的折射。光在光纖內部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響(彎曲半徑要大於最小彎曲半徑)。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

  玻璃光纖由一束非常細(直徑約50μm)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,並且澆注了堅固的透明樹脂。檢測麵經過光學打磨,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。

  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。由於這種光纖費用非常昂貴並且多數的光纖應用場合並不需要得到一個非常清晰的圖像,所以多數的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的,這種光纖就非常便宜了,當然其所得到的圖像也隻是一些光。

  玻璃光纖外部的保護層通常是柔性的不鏽鋼護套,也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纖可用於特殊的空間或環境,其檢測頭做成不同的形狀以適用於不同的檢測要求。

  玻璃光纖堅固並且性能可靠,可使用在高溫和有化學成分的環境中,它可以傳輸可見光和紅外光。常見的問題就是由於經常彎曲或彎曲半徑過小而導致玻璃絲折斷,對於這種應用場合,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)構成,通常有PVC外皮。它能安裝在狹小的空間並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根據使用將其剪短。邦納公司的塑料光纖都配有一個光纖刀。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於安裝在往複運動的機械結構上。塑料光纖吸收一定波長的光波,包括紅外光,因而塑料光纖隻能傳輸可見光。

  與玻璃光纖相比,塑料光纖易受高溫,化學物質和溶劑的影響。

  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明顯的分支,可分別傳輸發射光和接收光,使傳感器既可以通過一個分支將發射光傳輸到檢測區域,同時又通過另一個分支將反射光傳輸回接收器。

  直反式的玻璃光纖,其檢測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度方向一根挨一根布置。

  光纖的特殊應用

  由於光纖受使用環境影響小並且抗電磁幹擾,因而能被用在一些特殊的場合,如:適用於真空環境下的真空傳導光纖(VFT)和適用於爆炸環境下的光纖。在這兩個應用中,特製的光纖安裝在特殊的環境中,經一個法蘭引出來接到外麵的傳感器上,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的環境中。

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