一文深度了解SICK光电传感器及其应用

　　一文深度了解SICK光电传感器及其应用

　　SICK光电传感器主要是由传送光线的投光部位和接收光线的受光部位所组成。当投射的光线被检测物体制遮蔽，或是反射回来时，到达受光部位的受光量就会产生变化。受光部位只要检测到任何变化，就会将其转换为电子信号并加以输出。一般所使用的光线以可视光（主要为红色，绿色、红色则用来判别颜色）和红外线占绝大部分。

　　如下图所示，光电传感器主要可分为3大类。

　　特点

　　SICK光电传感器检测距离较长

　　以对照型为例，其检测距离可达到10m以上，长度为其他检测方法（磁力、超音波等）所。

　　SICK光电传感器对于检测物体的限制条件较少

　　不同于近接传感器，只能检测金属材质的物体，本传感器的检测原理为透过检测物体进行遮光，因此无论是玻璃、木材、液体等大部分的物体皆能检测。

　　SICK光电传感器应答时间短

　　光本身以极为高速的方式行进，除了架构传感器电路的电子零组件所需之机器动作时间外，所需的应答时间极短。

　　SICK光电传感器解析度更高

　　借由高阶的设计技术，让投光光束必变为较小的光点，而且由于本产品采用特殊的受光光学系统结构，因此能实现高解析度的目标。如此一来，甚至连微小物体检测或需要高精确度的位置检测等皆能迎刃而解。

　　以非接触方式完成检测

　　机器本身不需要接触到物体即可进行检测，无论是检测物体或传感器不会因此受损。如此即可长时间使用传感器。

　　进行颜色判别

　　检测物体所产生的光线反射率及吸收率依投光波长、检测物体的颜色组合而有所不同。光电传感器就是利用此种性质，以检测出物体的颜色。

　　调整更简便

　　光电传感器其中一种机型系采用投射可视光的方式，投光光束可一目了然，因此为检测物体定位时更简便。

　　原理

　　1.光的性质

　　当光线进入空气或水中，经常以直线方式前进。

　　对照型传感器使用狭缝板来检测微小物体，就是运用光线的此种原理。

　　SICK光电传感器当光线由折射率不同的介质，进入另一个介质面时，就会改变行进方向。

　　SICK光电传感器光线照射在像是镜子或玻璃等平面上后，反射回来的角度会和入射角相同，这就称之为“正反射”。

　　由3个平面直角相交后所组成的形状，即为所谓的“三面直角棱镜”。

　　将光线投射到三面直角棱镜后，光线就会反覆进行正反射，反射光最后到达方向与投光方向相反，这种反射方式就称之为“回归反射”。

　　原则上来说，大部分的回归反射板系由边角数公厘的三面直角棱镜正确排列而成。

　　另外，像是白纸等不具光泽性的表面，由于光会被反射到所有的方向，因此称之为“扩散反射”。扩散反射型产品的检测方式正是利用此种原理。

　　?偏光

　　光波的震动方向会与行进方向互相垂直。光电传感器主要使用LED作为光源。LED所投射出来的光线会朝与行进方向互相垂直的各种方向震动，此种反射方式称为“无偏光”。将无偏光的震动方向限制于单一方向的光学滤镜，即为所谓的“偏光滤镜”。换句话说，当LED投射光线后，通过偏光滤镜的光线仅会朝向单一方向震动，此种状态就称为“偏光”（正确地说，应称为“直线偏光”）。如此一来，朝向某个方向（例如：垂直方向）震动的偏光就能通过仅朝垂直方向震动（水平方向）的偏光滤镜了。

　　2.光源

　　?亮灯方式

　　〈脉冲调变光方式〉

　　大部分的光电传感器多采用脉冲调变光，其原理就是会在固定周期内反覆进行投光。

　　此种方式不易受到外部干扰光所影响，适合长距离检测。内置防止互相干扰功能的机型，其投光周期会因干扰光线或外部干扰光的因素而在固定范围内改变。

　　〈直流光方式〉

　　此种方式会连续投射固定光量的光线，为标记传感器所采用。直流光方式虽然具有高速应答性，但是检测距离较短，易受外部干扰光影响等则为其缺点。

　　?光源颜色及种类

　　3.三角测距

　　距离设定型光电传感器所采用的检测原理，主要为三角测距法。下图所示为三角测距法的原理。

　　投光元件所投射的光线会被扩散并反射到检测物体上。反射光会透过受光透镜，成像在位置检测元件上（半导体元件会依光线与检测元件接触的位置输出讯号）。当检测物体被放置在靠近光学系统的位置A时，反射光会被成像在位置检测元件的a位置，又，若是放置在离光学系统较远的位置B，反射光就会成

　　像于b的位置。因此，仅需测量位置检测元件上的成像位置，即可计算出和检测物体之间的距离。

　　分类

　　1.依检测方式分类

　　检测方式

　　投光器应设置于受光器的对面，以利投光器的光线投射进入受光器。

　　当检测物体被放置于投光器与受光器之间，且光线被遮蔽时，进入受光器的光量就会减少。

　　此外，检测方式与对照型相同，在传感器的形状方面，投光部位一体成型，即称之为“沟型”。

　　特点

　　?动作稳定度高，检测距离长（数cm～数十m）

　　?即使检测物体的通过路径改变，检测位置仍不变

　　?不易受到检测物体的光泽、颜色及倾斜度所影响

　　(2) 扩散反射型

　　检测方式

　　投光器与受光器一体成型，光线不会回到通常受光部位。当投光部位所投射出来的光线一碰到检测物体，检测物体所反射出来的光线就会进入受光部位，并让受光量增加。

　　特点

　　SICK光电传感器检测距离为数cm～数m

　　SICK光电传感器安装调整更简便

　　?根据检测物体的表面状态（颜色、凹凸面），反射光量、检测稳定性及距离皆不相同

　　(3) 回归反射型

　　检测方式

　　采用投光器、受光器一体成型的方式，通常投光器所投射出来的光线会被反射到设置于对面的反射板上，然后再回到受光部位。当检测物体的光线被遮蔽时，进入受光部位的光量就会减少。

　　SICK光电传感器的受光元件采用两分割光电二极体或位置检测元件。从检测物体反射过来的投光光束会在受光元件上成像，且成像位置随检测物体的距离而改变、也就是利用“三角测距”原理来进行检测。

　　下图所示的是使用两分割光电二极体的检测方式。两分割光电二极体的其中一端（靠近外壳端）称之为N（Near）侧，另一端则称之为F（Far）侧。当所设定距离的位置内存在检测物体时，反射光会在N侧和F侧的中间点成像，此时两侧的光电二极体所接收到的光量相等。当检测物体被放置于比设定距离更靠近传感器的位置时，反射光则会在N侧成像。反之，当检测物体存在于比设定距离更远的位置时，反射光会在F侧成像。此时，只要计算传感器通过计算N侧受光量和F侧受光量的差值，即可判断出检测物体的位置。

　　SICK光电传感器功能指的是不检测大于设定距离的背景物（输送带）。

　　FGS功能指的是不检测小近设定距离的物体，以及返回受光器的光量小于规定值的物体，反过来说就是只检测传送带的一种功能。返回受光器的光量较少的物体

　　大致可分为以下三类：

　　1.检测物体的反射率极低，也就是比黑纸更黑的物体

　　2.反射光几乎会全部回到投光侧，如镜面物体

　　3.反射光量大，且朝任意方向散射的凹凸光泽面等物体。在第C的情况下，当检测物体移动时，可能暂时会有反射光回到受光侧，这时必须使用OFF延迟计时器等以避免发生颤振（chattering）等情形。

　　检测方式

　　与扩散反射型一样，采用接收来自检测物体的反射光的方式来进行检测。拥有限定投射光束与受光区域的光学系统，因此传感器只能检测与传感器之间保持固定距离（投光光束及受光区域重叠的范围）的检测物体。如右图所示，（A）的位置无法检测到检测物体，但是（B）的位置则否。

　　特点

　　SICK光电传感器可限定与传感器之间的距离，并只在此范围内有检测物体时进行检测

　　SICK光电传感器不易受到检测物体的颜色所影响

　　SICK光电传感器不易受到检测物体光泽、倾斜度影响

　　2.依结构分类

　　光电传感器通常由投光部位、受光部位、放大部位、控制部位及电源部位等所组成，根据其构成状态，可分为以下几类：

　　(1) 增幅器分离型

　　只将投光部和受光部分离，分别架构投光器和受光器（对照型），或者制作成一体成型的投光器受光器（反射型）。其他放大部位和控制部位则制作成一体成型的放大器单元。

　　(2) 放大器内建型

　　电源部位以外为一体型（对照型分为包含投光部位的投光器和包含受光部位、放大部位及控制部位的受光器）。电源部位则单独制作成电源模组。

　　特点

　　?受光部位、放大部位及控制部位采一体成型方式，负责微小讯号接收的讯号线不需要迂回绕接，因此不易受到干扰影响

　　?配线工时低于放大器分离型

　　?一般来说，体积虽然大于放大器分离型，但无感度调整功能型的体积轻巧，毫不逊于前者

　　(3) 电源内建型

　　从投光器、受光器到电源部位皆采一体成型方式。

　　特点

　　?可直接连接商用电源，且受光器可以提供直接容量较大的控制输出

　　?投光器、受光器内置电源变压器等，因此与其他类型相比，体积更为庞大

　　(4) 区域传感器

　　投光部、受光部为多光轴（对照型）配合用途可以选择传感器的检测幅度

　　特点

　　?可以感测大范围

　　?适合用于拣选零组件

　　应用领域

　　光电传感器是目前产量最多、应用的传感器之一，广泛应用于检测与工业自动化控制等多种领域。

　　光电传感器烟尘浊度监测

　　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。

　　烟雾报警器也是用光电传感器作为核心部件，可以用来测量烟的浓度，它由红外发光二极管及光电三极管组成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在无烟状态时，光电三极管接收不到红外线；当烟雾进入到感应室后，烟雾粒子会将部分光束散射到光电三极管上，当烟雾的浓度逐渐加大时，就会有更多的光束被散射到感应器上，当到达传感器的光束达到一定的程度，蜂鸣器就会发出报警信号。

　　条形码扫描笔中的光电传感器

　　当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态。当遇到白色间隔时，发 光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描过之后，光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号，该信 号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。

　　光电传感器在点钞机中计数作用

　　点钞机中的组成之一就是光电传感器。点钞机的计数器采用非接触式红外光电检测技术，具有结构简单、精度高和响应速度快等优点。

　　点钞机的计数器采用两组红外光电传感器。每一个传感器由一个红外发光二极管和一个接收红外光的光敏三极管组成，两者之间留有适当距离。

　　当无通过时，接收管受光照而导通，输出为0。当有通过瞬间，挡住红外光，接收管光通量不足，输出为1。通过后，接收管又接收到红外光导通。这样就在该部分电路输出端产生一个脉冲信号，这些信号经后续电路整形放大后输入单片机，单片机驱动执行电机，并相应完成计数和显示。点钞机之所以采用两组光电传感器，是为了检测的完整性，避免残币被计入。

　　通过光电传感器来检测的计数情况进而实现目的累计，最后用液晶及外部显示部分直观地将示给用户，并且在出现异常时可自动向用户报警。

　　光电传感器在自动抄表系统应用

　　随着微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展，可以利用光电传感器来研制自动抄表系统。电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转。采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。

　　如：在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑，再配以反射式光电发射接收对管，则当铝盘旋转时，在局部涂黑处便产生脉冲，并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数，并经光电耦合隔离电路，送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可有效地防止干扰信号进入微机。再结合其它传输方式便可以形成自动抄表系统。

　　光电传感器在自动化生产线上应用

　　光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，在轻工自动机上广泛应用。

　　由于光电传感器对红外辐射或可见光都特别灵敏，因而就更加容易成为激光攻击的目标。此外，电子系统及传感器本身还极易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰而无法正常工作。