光电传感器的发展与应用

光电传感器的发展与应用【摘要】光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，具有反应快、精度高、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。

因此,光电式传感器在检测和控制领域中应用非常广泛。

【关键词】光电传感器、发展、应用[Abstract]: Photoelectric sensor is a kind of sensor using optoelectronic components as the detecting element, it has the advantages of fast response, high-precision, non-contact, simple structure, flexible forms, and it can detect various parameters. So, photoelectric sensor is widely used in the fields of detection and controlling.Keywords: Photoelectric sensor, development, application1．引言光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛[1]。

由于光电传感器的应用涉及的领域非常广泛，其研究和开发在世界上引起了高度重视，各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。

从最初的应用于军事逐渐发展到民事，而且与我们的生活息息相关，应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与，如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。

美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。

在军事应用方面，研究和开发主要包括：水下探测、航空监测、核辐射检测等。

美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。

如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数，检测肉类和食品的细菌和病毒等。

美国的邦纳公司拥有世界最健全的光电传感器产品线，超过12000种产品包括自含式或放大器分离型，限位开关外型或小型传感器，精密检测或长距离检测传感器，检测距离长达305 m。

并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。

大部分产品防护等级达到NEMA 6P和IP67。

日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。

20 世纪90 年代，由东芝、日本电气等15 家公司和研究机构，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器，日本的电器产品以价格适中质量好而响誉全球。

西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。

我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。

目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，有的达到世界先进水平。

但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验研制阶段，还无法投入批量生产和工程化应用[2]。

2.光电传感器的分类光电传感器一般由发射头(光源)和接收头两部分组成。

它们可以相对独立安装，也可以安装于同一侧，其安装形式主要由被检测对象和检测环境决定。

检测方式可分为对射式、反射式、偏振式、镜面式、漫反射式、会聚式和光幕式等。

( l )对射式对射式光电传感器是一种最常见的非接触检测方式。

其发射头与接收头相对安装，光轴必须保持在同一条直线上。

当被检物不透光时，接收头可以检测到光强发生变化，被检物尺寸应不小于接收头直径的5 0 % ，对于很小的物体,检测时应使用特殊的镜头或遮盖一部分镜头。

对射式的检测距离远，尤其是在环境中灰尘。

杂物较多的场合其优势更明显，最大检测距离可达3 0 米左右。

(2 )反射式反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，在另一侧安装一反射板，当检测物遮挡了光线使接收头的光强发生变化时，输出信号即跟随变化。

反射式光电传感器允许反射光线有一定的角度变化，但是角度应小于15°。

检测距离一般不超过1 0 米，适用于高振动的场合，但不适合检测透明和半透明的物体。

(3 )偏振式偏振式光电传感器的接收头只检测三棱镜的反射光或某些对偏振敏感的反射片所反射的光线。

发射头和接收头安装在同一侧，发射光经过特殊的滤光片后，光线只沿一平面传播。

此种检测方式，接收头只检测来自反光器的反射光线，而对于来自包装物的反光，铝罐和发光包装皮以及某些反射物的反光不敏感，可以减少误检测。

(4 )镜面式镜面式光电传感器的发射头和接收头安装时与反射面保持同一角度，以保证人射角与反射角相同，和镜面反射很相似。

镜面式光电传感器适合于检测反射面是否有破损的部分，可以检查印刷品是否有破洞等。

(5 )漫反射式漫反射式光电传感器的发射头和接收头安装于同一侧，接收头只需很少量的反射光线就能检测到物体。

漫反射式光电传感器适合于检测物体表面的色标(如商标或记号等) ，例如检测某些需要喷漆的位置，或者检测物品上的标签等。

但在使用时需注意，色标和背景之间的色差越大越好，最好是白底黑字,目前某些生产厂家生产的光电传感器的发射光线是可选的(例如红外线、可见光等) ，便于用户根据需要选择。

(6 )会聚式会聚式光电传感器只检测和接收头处于某一固定距离的物体。

当物体处于接收头的焦点位置时，接收头才能检测出来。

也就是说接收头有很大的盲区，对于焦点以外的物体不作检测。

这样有利于检测很细的线。

瓶盖。

透明液体的液位等，还可以检测条形码，对于透明和半透明物体也可以进行检测。

如在检测传送带上的物体时，使用会聚式光电传感器可以避免误检测到传送带或者其他物体。

(7 )光幕式光幕式光电传感器是一种区域传感器，它依靠物体遮光原理，由发射器的红外L E D 发送短光脉冲，形成光幕，接收二极管逐一接收多条红外线光束，发射器的光束与接收器的光束有一一对应的关系。

当被检物进人检测范围挡住至少一束光束时，接收器的控制器就发出信号，达到检测物体的目的。

光幕传感器可用于跳动物体的纵向位置检测。

更适用于保护操作危险机床的人员的手指及全身，光束的密度决定了被保护身体部分的大小；也可将多个光幕和反射镜形成光阵，对较大的危险禁区进行安全监测。

光幕式光电传感器检测距离可达l 米，特殊订货可达更远的距离。

多数安全光幕具有抑制功能，抑制又分为固定抑制和浮动抑制功能,配合自动化或半自动化设备，更具有灵活性。

固定抑制是当有某种固定尺寸的物体长期处于光幕有效检测范围时，光幕应自动抑制该区域内的检测功能，使其能顺利的通过。

浮动抑制功能是在光幕检测范围有物体做上下运动，则光幕自动抑制该区域内的检测功能。

还有的安全光幕具有自学习功能，对生产中正常的人工送料和卸料等动作进行自学习后，即能对生产过程进行很好的判断，避免误检测造成生产的不连续[3]。

3.光电传感器的特点[4](1) 检测距离长。

在对射型中保留10m 以上的检测距离等，便能实现其他检测手段。

(2) 对检测物体的限制少。

由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。

(3) 响应时间短。

光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间。

(4) 分辨率高。

能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

(5) 可实现非接触的检测。

可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

(6) 可实现颜色判别。

通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。

利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

(7) 便于调整。

在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

4.光电传感器的应用4.1 测温功能应用时，将感温头插入被测温环境中，外部法兰安装密封。

传感器输出端与二次仪表输入端经辐射至光电转换器接收，转换成毫伏电压信号。

感温管一般为经过特殊处理的高刚玉管或特殊材质管。

光电转换器由光学透镜、光栏、硅光电池，温度稳定性网络组成。

高压密封器将感温管开口端高压密封，防止感温管透气或断裂产生高压泄露，不影响辐射光传输，所以传感器在现场工作时，可拆卸光电转换器通过高压密封器观察感温管状况或检修光电转换器，信号传输导线为双芯屏蔽铜电缆，将传感器输出端按正负端与仪表信号输入端相接，接地端与地线相接，仪表上电即可实现测温。

4.2 火焰探测报警器硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 MΩ，亮电阻为0.2 MΩ，峰值响应波长为2.2μm。

硫化铅光敏电阻处于V1 管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6 V，电流约为6μΑ。

V2 管集电极电阻两端并联68 μF的电容，可以抑制100 Hz 以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。

V2、V3 构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。

采用偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，确保火焰报警器能长期稳定地工作。

4.3 光控大门我们都有这样的苦恼每次开车到了小区大门都要等门卫来开门或者等其按动电动门的开关，既费时又费人力，如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控大门。

这里要用到一种电子元件-- 干簧继电器，它由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。

当线圈内有电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成连接状态，线圈内没有电流时，磁场消失，瓷片在弹力的作用下，回复到分离状态。

把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，电动机带动大门打开[1]。

4.4 烟尘浊度监测仪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用通过光在烟道里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，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。