新型光电传感器的原理及应用 光电传感器, 光通量, 光学, 检测

yuyang911220

概况
    随着全球制造业自动化程度的提高，工业传感器成为提高生产能力和增强安全的关键所在。工业传感器有各种尺寸、形状和技术——最常见的是用电感、电容、光电、磁力、超声波技术设计的传感器。每一种技术各有其长短，因此要根据应用的要求来确定采用哪一种传感器。
    而光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。为此本文着重介绍工控捡测系统中新型模拟式光电传感器的组成与特点、使用及有关应用举例。

    模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。
1、光电式传感器的组成
    光电式传感器中必须采用一定的光学元件，并按照一些光学定律和原理构成各种各样的波，光学元件有各种反射镜和透镜。
    有一些基本的光电传感器检测的是光强的变化。一般地讲，它检测的是传感器自己的光源发射出来的光线，或者检测的并不是传感器自己的光源发射出来的光线。光线的类型以及检测的方法有很多种，不同的传感器使用的光线和检测方法是不同的。
    光电传感器由光源(发光二极管)、接收器(光敏三极管)、放大器(或比较器)及信号转换器(或斯密特触发器)充组成。光敏三极管对进来的光线进行分析，看看它是不是从发光二极管产生的光，并且产生输出信号，基本组成原理示意见图1所示。其光源(发光二极管)还己乞包括振荡器与供电源;光源与接收器(光敏三极管)是不共地，二者之间无电的联系以提高抗干扰；光源(发光器)与接收器可以一个机壳内也可以分开。

    与其他传感器技术相比，这种传感器技术有很多优点。例如，光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。
1.1透射式光电传感器在烟尘浊度监测上的应用
    防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。

    烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。本应中应用奥托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器，其光源(发光器)与接收器不一个机壳内，见图2(a)使用示意图:先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电(12-24)VDC；接着在ON状态设定好发射器的中心位置，然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置；最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器。

    图2(b)是式烟尘浊度监测系统的组成框图：为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气与二氧二碳对光源衰减的影响，选取可见光作光源(400-700nm波长的白炽光)。光检测器光谱响应范围为400-600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为了提高检测灵敏度，采用具有高增闪、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对信号进行放大。刻度校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。显示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。
2.漫反射型光电传感器
    漫射型光电传感器有时也称作接近传感器。在这种传感器中，发光器和接收器装在同一个机壳中。发光器发出的光线射到目标物体上，目标物体光线反射回来，什么角度的反射光都有。反射光中有一部分送回到接收器，于是便把目标物体检测出来了。由于目标物体的
    角度以及反射性能，发光器产生的能量大部分是损失掉，所以与镜面反射(回射)型和光束阻档型光电传感器相比，漫射型光电传感器的敏感范围比较小。
    虽然该类传感器装简单置，即它不需要其他的元器件，例如反射镜或者单独的接收器。但敏感范围及接收器的能力受目标物体的颜色、尺寸、表面光洁度等因素的影响较大，故值此着重研究其漫射-聚焦型传感器。
2.1漫射-聚焦型传感器

    漫射-聚焦型传感器是效率较高的一种漫射型光电传感器。发光器透镜聚焦在传感器前面固定的一点上。接收器透镜也是聚焦在同一点上。敏感的范围是固定的，取决于聚焦点的位置。这种传感器能够检测在焦点上的物体，允许物体前后偏离焦点一定距离，这个距离称作“敏感窗口”。当物体在敏感窗口以外，在焦点之前或者之后时便检测不到。敏感窗口取决于目标的反射性能和灵敏度的调节状况。因为所射出来的光能是聚焦在一个点上面，增益增大了很多，于是传感器很容易地就检测到窄小的物体或者反射性能差的物体，其原理示意图见3所示。

    具有背景光抑制功能的漫射型光电传感器只能检测一定距离的目标物体，在这个距离以外的物体它便检测不到。在各种漫射型光电传感器中，这种类型的传感器敏感目标物体颜色的灵敏度是最低的。这种传感器的一个主要优点是，它不会检测背景物体。而普通的漫
    射型光电传感器往往会把背景物体误认为是目标物体。