OMRON光電傳感器,歐姆龍產品說明

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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 借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學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測控系統是多種多樣的,按光電元件（光學測控系統）輸出 量性質可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖（開關）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.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發出的光能量穿過被 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出的光通量經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. 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（發光二極管）zui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作為 指示燈來用.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,它 會發光.由于 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.不像白熾燈那樣,LED 抗震動抗沖擊,并且沒有燈絲.另外,LED 所發出的光能只相當 于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,并 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. 1970 年,人們發現 LED 還有一個比壽命長更好的,就是它能夠以非常快的速度來開關,開關速度可達到 K Hz.將接收器的放大器調制到發射器的調制頻率,那么它就只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制比喻成無線電波的傳送和接收.將收音機調到某臺,就可以忽略其他的無線電波信號. 經過調制的 LED 發射器就類似于無線電波發射器,其接收器就相當于收音機. 人們常常有一個誤解:認為由于紅外光 LED 發出的紅外光是看不到的,那么紅外光的能量肯定會很強.經過調 制的光電傳感器的能量的大小與 LED 光波的波長無太大關系.一個 LED 發出的光能很少,經過調制才將其變 得能量很高.一個未經調制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段,使接收器只能接收到發射器 發出的光,才能使其能量變得很高.相比之下,經過調制的接收器能忽略周圍的光,只對自己的光或具有相同調 制頻率的光做出響應. 未經調制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,那么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. 但是并不是說經調制的傳感器就一定不受周圍光的干擾,當使用在強光環境下時就會有問題.例如,未經過調 制的光電傳感器,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 就很容易理解為什么將調制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. 調制的 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,直到后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制的各種顏色的可見光 LED 發射器.經調制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.未經調制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,現在高速的調制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. 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.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脂.檢測面經過光學 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合并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.常見的問題就是由于經常彎曲或彎曲半徑過 小而導致玻璃絲折斷,對于這種應用場合,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,因而塑料光纖只能傳輸可見光. 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 由于光纖受使用環境影響小并且抗電磁干擾,因而能被用在一些特殊的場合,如:適用于真空環境下的真空傳 導光纖（VFT）和適用于爆炸環境下的光纖. 7.2 光電元件 光電元件是光電傳感器中zui重要的部件,常見的有真空光電元件和半導體光電元件兩大類.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的粒子流,這種粒子稱 為光子.每個光子具有的能量為 （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 的光子轟擊在這個物體上,此時光子能量就傳遞給電子,并且是一個光子的全部能量一次性地被 一個電子所吸收,電子得到光子傳遞的能量后其狀態就會發生變化,從而使受光照射的物體產生相應的電效 應,我們把這種物理現象稱為光電效應.通常把光電效應分為三類: 1）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應,基于外光電效應的光電元件有光電管,光電 倍增管等. 2）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應.基于內光電效應的光電元件有光敏電阻,光 敏晶體管等. 3）在光線作用下,物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏*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極 A 封裝在抽成真空的玻殼內,當入射光照射在陰極上時,單個光子就把它的 全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子,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,它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發射.這種電子稱為光電子,光電子逸出金屬表面 后的初始動能為（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,都不會產生光電子發 射,此頻率限稱為"紅限".相應的波長 λK 為 （7.3） 式中,c 為光速;A 為逸出功. 光電管正常工作時,陽極電位高于陰極,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極所吸引,在光電管內形成空間電子流,稱為光電流.此時若光強增大,轟擊陰極的光 子數增多,單位時間內發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 就和光強成函數關系,從而實現光電轉換. 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,但陰極發射的光電子數量還會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,可見光還是紅外光去 選擇陰極材料不同的光電管,以便獲得滿意的靈敏度. 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 和陽極 A 組成,并根據要求采用不同的玻璃殼進行真空封裝.依據 分裝方法,

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