光電傳感器基礎(chǔ)知識及術(shù)語

1、光電傳感器基礎(chǔ)知識及術(shù)語更新時(shí)間： 2007-10-26光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)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(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)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(nèi)有一個(gè)小的白熾燈 做為光源。這些小而堅(jiān)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）發(fā)光二極管最早出現(xiàn)在 19 世紀(jì) 60 年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二 極管做為指示燈來用。 LED 就是一種半導(dǎo)體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處 在于當(dāng)給 LED通電流時(shí)，它會發(fā)光。

2、由于 LED是固態(tài)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 抗震動抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED 所發(fā)出的光能只相當(dāng)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(dá)到更遠(yuǎn)的檢測距離） 。 LED能發(fā)射人眼看不到的紅外光，也能發(fā)射可見的綠光、黃光、紅光、 藍(lán)光、藍(lán)綠光或白光。經(jīng)調(diào)制的 LED傳感器1970 年，人們發(fā)現(xiàn) LED還有一個(gè)比壽命長更好的優(yōu)點(diǎn)，就是它能夠以非常快的速度來開關(guān)， 開關(guān)速度可達(dá)到 KHz。將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻

3、率，那么它就只能對以此頻 率振動的光信號進(jìn)行放大。我們可以將光波的調(diào)制比喻成無線電波的傳送和接收。將收音機(jī)調(diào)到某臺，就可以忽略其他 的無線電波信號。經(jīng)過調(diào)制的 LED發(fā)射器就類似于無線電波發(fā)射器，其接收器就相當(dāng)于收音 機(jī)。人們常常有一個(gè)誤解：認(rèn)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很強(qiáng)。經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器的能量的大小與LED光波的波長無太大關(guān)系。一個(gè) LED發(fā)出的光能很少，經(jīng)過調(diào)制才將其變得能量很高。一個(gè)未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長焦距 鏡頭的機(jī)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)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光， 只對自

4、己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應(yīng)。 未經(jīng)調(diào)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(yīng)用 場合如果使用其它的傳感器，可能會有誤動作。如果一個(gè)金屬發(fā)射出的光比周圍的光強(qiáng)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(jīng)調(diào)制的傳感器就一定不受周圍光的干擾，當(dāng)使用在強(qiáng)光環(huán)境下時(shí)就會有問題。例如，未經(jīng)過調(diào)制的光電傳感器，當(dāng)把它直 接指向陽光時(shí)，它能正常動作。我們每個(gè)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(shí)，很容易就會把紙點(diǎn)燃。設(shè)想將玻璃替換成傳感器的鏡頭，將紙?zhí)鎿Q成光電三極 管，這樣我們就很容易理解為什

5、么將調(diào)制的接收器指向陽光時(shí)它就不能工作了，這是周圍光 源使其飽和了。調(diào)制的 LED改進(jìn)了光電傳感器的設(shè)計(jì)，增大了檢測距離，擴(kuò)展了光束的角度，人們逐漸接受 了這種可靠易于對準(zhǔn)的光束。到 1980 年，非調(diào)制的光電傳感器逐步就退出了歷史舞臺。紅外光 LED是效率最高的光束，同時(shí)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(qū)分顏色（如色標(biāo)檢測） ，這就需要用可見光源。在早期，色標(biāo)傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池接收器，直到后來發(fā)明了高效的可見光 LED?，F(xiàn)在， 多數(shù)的色標(biāo)傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器。 經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應(yīng)速度以獲取更長的檢測距離，

6、這是因?yàn)闄z測距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)。 未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非?？斓奈矬w，這些場合要求的響應(yīng)速度都 非?？臁５?，現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非?？斓捻憫?yīng)速度，能滿足大多數(shù)的檢測 應(yīng)用。光纖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，光芯外面包一層包層，這層包層的密度比光芯要低，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(nèi)， ），被全部反射回來。根據(jù) 光學(xué)原理，所有光束都可以由光纖來傳

7、輸。兩條入射光束（入射角在接受角以內(nèi)）沿光纖長度方向經(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(nèi)。這個(gè)接受角比兩倍的最大入射角略 大，這是因?yàn)楣饫w在從空氣射入密度較大的光纖材料中時(shí)會有輕微的折射。光在光纖內(nèi)部的 傳輸不受光纖是否彎曲的影響 （彎曲半徑要大于最小彎曲半徑） 。大多數(shù)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(xì)（直徑約50 m）的玻璃纖維絲組成。典型的光纜由幾百根單獨(dú)的帶金屬外皮玻璃光纖組成，光纜外部有一層護(hù)套保護(hù)。光纜的端部有各種尺寸和外形，并且澆 注了堅(jiān)固的透明樹脂。檢測面經(jīng)過光學(xué)打磨，非常平滑。這道精心的打磨工

8、藝能顯著提高光 纖束之間的光耦合效率。玻璃光纖內(nèi)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(yī)療 設(shè)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(fèi)用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應(yīng)用場合并不需要得到一個(gè)非常清 晰的圖像，所以多數(shù)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(dāng)然其所 得到的圖像也只是一些光。玻璃光纖外部的保護(hù)層通常是柔性的不銹鋼護(hù)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(jiān)固并且性能可靠，可使用在高溫和有化學(xué)

9、成分的環(huán)境中，它可以傳輸可見光和紅 外光。常見的問題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過小而導(dǎo)致玻璃絲折斷， 對于這種應(yīng)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(gòu)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(shù)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(jù)使用將其剪短。邦納公司的塑料光纖都配有一個(gè)光 纖刀。不像玻璃光纖，塑料光纖具有較高的柔性，帶防護(hù)外皮的塑料光纖適于安裝在往復(fù)運(yùn) 動的機(jī)械結(jié)構(gòu)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。與玻璃光纖相比，塑料光纖易受高溫，化學(xué)物質(zhì)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(fā)射器傳輸?shù)綑z測區(qū)域，或從檢測區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?。分叉式的光纖有兩個(gè)明顯的分支， 可分別傳輸發(fā)射光和接收光，使傳感器既可以通過一個(gè)分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測區(qū)域，同時(shí) 又通過另一個(gè)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(yīng)用由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗