光纖傳感器的各種分類(lèi)以及檢測(cè)原理解析

對(duì)于光纖傳感器，如使用對(duì)射光纖，則為對(duì)射式檢測(cè)模式；如使用直反式光纖，則為接近式檢測(cè)模式。超聲波傳感器分對(duì)射式和接近式兩種檢測(cè)模式。

對(duì)射式

射式檢測(cè)方式的發(fā)射器和接收器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接收器。當(dāng)被測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。

對(duì)射式是最早使用的一種光電檢測(cè)模式。在調(diào)制光出現(xiàn)之前，發(fā)射器和接收器的對(duì)準(zhǔn)是一個(gè)很大的難題。今天，對(duì)于使用高能調(diào)制光的光電傳感器，將發(fā)射器和接收器對(duì)準(zhǔn)已非常容易。

光路對(duì)準(zhǔn)－對(duì)射式

光路對(duì)準(zhǔn)可使最大數(shù)量的發(fā)射光到達(dá)接收器，發(fā)射光要位于接收區(qū)域的中央位置。

當(dāng)發(fā)射器為可見(jiàn)光時(shí)，為使光路對(duì)準(zhǔn)方便，在接收器鏡頭的正前方放一淺色的標(biāo)定物，通過(guò)觀察照在標(biāo)定物上的光斑來(lái)調(diào)整發(fā)射器位置。將標(biāo)定物移開(kāi)，觀察傳感器上的過(guò)量增益指示燈，細(xì)調(diào)發(fā)射器和接收器的位置以達(dá)到最佳的對(duì)準(zhǔn)位置。

檢測(cè)距離－對(duì)射式

檢測(cè)距離是傳感器一個(gè)很重要的參數(shù)。對(duì)于對(duì)射式傳感器，此參數(shù)是指?jìng)鞲衅鞯陌l(fā)射器與接收器之間的最大距離。有效光束是指發(fā)射的所有光束中起作用的那部分，為可靠檢測(cè)物體，此部分光必須要被全部遮擋。對(duì)射式檢測(cè)模式的有效光束，我們可以將其比喻為連接發(fā)射器

鏡頭（或超聲波變送器）與接收器鏡頭（或變送器）的一個(gè)桿，如果發(fā)射器和接收器的鏡頭大小不一樣，則此桿會(huì)變成錐形。有效光束與發(fā)射器發(fā)射的光束或接收器的可接收區(qū)域是不一樣的。

對(duì)于對(duì)射式光電傳感器，在檢測(cè)小的部件或進(jìn)行精確定位時(shí)，其有效光束可能會(huì)太大以致不能進(jìn)行可靠檢測(cè)。在這種情況下，可以給傳感器加裝光縫來(lái)減小有效光束的尺寸。（注意：在選擇光縫材料時(shí)，要注意有些非金屬材料可能會(huì)被高能的調(diào)制光穿透）。

安裝光縫會(huì)減小通過(guò)鏡頭的光的能量（光縫越小，通過(guò)的光就越少）。例如：直徑20mm的鏡頭安裝上帶一5mm孔的光縫后，則通過(guò)此孔的光的能量?jī)H為原來(lái)的（1/4）2或1/16th，如果發(fā)射器和接收器都安裝了光縫，則光的能量會(huì)損失雙倍。

矩形光縫與同尺寸的圓孔形光縫相比，其鏡頭接收光的區(qū)域較大。因此，如果被測(cè)物通過(guò)光束的方向是一定的，則優(yōu)先選用矩形光縫（如邊沿檢測(cè)）。如果小的被測(cè)物通過(guò)光束的方向不是固定的，則優(yōu)先選用圓形光縫。

如果被測(cè)物在通過(guò)時(shí)總是非?？拷l(fā)射器或接收器，則僅需安裝一個(gè)光縫即可。其有效光束尺寸在有光縫的一端為光縫上孔的尺寸，在未安裝光縫的一端為鏡頭的尺寸，成為錐形。

在使用對(duì)射式傳感器檢測(cè)小物體時(shí)，在使用對(duì)射式傳感器檢測(cè)小物體時(shí)，一方面要保證有效光束的尺寸必須小于被測(cè)物的最小尺寸，同時(shí)要使鏡頭保留盡可能大的可視區(qū)域，以保證足夠的檢測(cè)距離。一種簡(jiǎn)便的方法就是使用光纖，這種光纖檢測(cè)頭的出光孔有多種形狀和尺寸，以適用于不同的被測(cè)物。

有些高能的經(jīng)過(guò)調(diào)制的對(duì)射式傳感器，在近距離使用時(shí)，有時(shí)會(huì)在被測(cè)物周?chē)a(chǎn)生光能激增現(xiàn)象，致使傳感器產(chǎn)生誤動(dòng)作。這也是為什么要求被測(cè)物尺寸一定要大于有效光束尺寸的原因之一。

對(duì)于對(duì)射式的超聲波傳感器，通過(guò)使用聲波引導(dǎo)器件可以確定其波形圖。此器件安裝在接收器的變送器（有時(shí)也安裝在發(fā)射器上），安裝此器件后，接收器對(duì)從側(cè)面過(guò)來(lái)的聲波反應(yīng)就會(huì)很弱，因而可以比較可靠的檢測(cè)小的物體。

反射板式

反射板式的檢測(cè)模式中，一個(gè)傳感器本身既有發(fā)射器又有接收器。發(fā)射器發(fā)射光照到反射板上，反射光再返回接收器上。當(dāng)物體擋住光束時(shí)，被測(cè)物就被檢測(cè)到了。

反射板式傳感器的檢測(cè)距離為從傳感器到反射板的距離。其有效光束通常為錐形，從鏡頭邊沿到反射板邊沿。特殊情況下與此不同，如：當(dāng)傳感器離反射板太近時(shí)，光束不能全部覆蓋整個(gè)反射板；或者發(fā)射光為激光光束時(shí)。在這些情況下，有效光束的尺寸擴(kuò)展不到反射板的整個(gè)面積。

反射板通常是由多個(gè)幾何棱鏡組成的矩陣，每個(gè)棱鏡有三個(gè)互相垂直的平面和一個(gè)斜面。光束從斜面射入，經(jīng)其他三個(gè)面反射后從這個(gè)斜面上平行的返回。這樣反射板就將入射光反回到了接收器。

多數(shù)棱鏡式反射板由透明丙烯酸塑料壓鑄而成，具有多種尺寸和外形。棱鏡或反射板經(jīng)常作為汽車(chē)安全反射板用，當(dāng)汽車(chē)前燈照在反射板上時(shí)，反射板會(huì)反射回很強(qiáng)的光使司機(jī)能及時(shí)觀察到。

高速公路上的警示標(biāo)志可以用反射帶來(lái)制作，反射帶表面涂有一層薄的帶幾何棱鏡的反光材料或玻璃細(xì)沙。（光滑的玻璃表面也可把光反射回去，但是涂玻璃細(xì)沙的表面其反光率低于帶幾何棱鏡的表面）

非常光亮的表面也可以做反射板用，但入射光會(huì)以等同的角度朝相反方向反射回去。為了使傳感器能接收到反射光，發(fā)射光必須垂直于鏡面。但對(duì)于反射板來(lái)說(shuō)，它能將入射光以偏離垂直線(xiàn)最大20?的角度反射回來(lái)，這樣就使對(duì)準(zhǔn)非常容易。

好的反射板的反光率是一張白紙的3，000倍，所以反射板式傳感器很容易接收到從反射板反射回來(lái)的光。但是對(duì)于反光率很強(qiáng)的被測(cè)物，當(dāng)擋住光束時(shí)，也能將很強(qiáng)的光反射回傳感器而使其誤認(rèn)為被測(cè)物并未出現(xiàn)。對(duì)這種問(wèn)題，我們也有相應(yīng)的解決辦法。

如果一個(gè)表面很平很亮的物體總是沿固定的方向經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域，那么我們可以將傳感器和反射板傾斜安裝，以使被測(cè)物表面反射回來(lái)的光回不到傳感器，傾斜角度通常為10~15?。

但是如果光亮被測(cè)物表面是圓形或被測(cè)物是以不確定的角度進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，則問(wèn)題就會(huì)比較復(fù)雜。此時(shí)我們可以將傳感器和反射板水平及垂直方向均旋轉(zhuǎn)一定角度，這樣通常情況下可以解決問(wèn)題。如問(wèn)題仍不能解決，則考慮使用偏振反射板式或?qū)ι涫綑z測(cè)模式。

偏振

偏振鏡頭與可見(jiàn)光的反射板式傳感器配合使用，能很好解決光亮物體的檢測(cè)問(wèn)題。兩個(gè)偏振鏡頭分別安裝在發(fā)射器和接收器鏡頭的前面，偏振方向互相垂直。

發(fā)射光經(jīng)發(fā)射器垂直偏振鏡頭偏振后，變成垂直振動(dòng)的光波，此光波經(jīng)反射板反射（去偏振）后，變?yōu)樗椒较蛘駝?dòng)的光波，這種光波可通過(guò)接收器的水平偏振鏡頭被接收器接收。

偏振鏡頭雖然解決了傳感器檢測(cè)光亮物體時(shí)的誤動(dòng)作問(wèn)題，但同時(shí)也大大減弱了有效光束的能量，這一點(diǎn)對(duì)于檢測(cè)環(huán)境灰塵較大或需要較長(zhǎng)檢測(cè)距離的應(yīng)用場(chǎng)合尤為重要。偏振反射板式傳感器僅能與帶幾何棱鏡的反射板配合使用。

光路對(duì)準(zhǔn)－反射板式

近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的不斷提高，使用可見(jiàn)光光源的發(fā)射器逐步增多。當(dāng)使用可見(jiàn)光光源時(shí)，反射板式傳感器的對(duì)準(zhǔn)就很容易了。當(dāng)我們?cè)诜瓷浒迳峡吹娇梢?jiàn)光時(shí)，光路基本就對(duì)準(zhǔn)了。

接近檢測(cè)模式

近檢測(cè)模式的光電和超聲波傳感器是通過(guò)檢測(cè)從被測(cè)物反射回來(lái)的能量來(lái)判斷是否有被測(cè)物。例如，當(dāng)超聲波傳感器接收到被測(cè)物反射回來(lái)的聲波時(shí)，被測(cè)物就被檢測(cè)到了。這種傳感器的發(fā)射器和接收器是組裝在一起的，且在傳感器的同一側(cè)。在這種檢測(cè)模式中，當(dāng)被測(cè)物出現(xiàn)時(shí)，它把一定數(shù)量的光反射回傳感器而不象對(duì)射式檢測(cè)模式中是把光擋住。光電的接近檢測(cè)模式又分為以下幾種檢測(cè)方式：直反式、寬光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調(diào)區(qū)域式。

直反式

光電傳感器中，直反式傳感器是一種常用的檢測(cè)模式。在這種方式中，發(fā)射器發(fā)出的光以多種角度照到被測(cè)物表面上，被測(cè)物表面同樣以多種角度對(duì)入射光進(jìn)行反射，其中只有很小的一部分被反射回接收器。

直反式檢測(cè)模式對(duì)光能的利用率相對(duì)較低，因?yàn)槠浣邮掌髦荒芙邮盏胶苄∫徊糠值姆瓷涔?。同其他接近檢測(cè)模式一樣，直反式也受被測(cè)物表面反光率的影響。對(duì)于具有亮白表面的被測(cè)物，傳感器的檢測(cè)距離就要比暗黑表面的物體要遠(yuǎn)。

多數(shù)直反式傳感器都加裝鏡頭來(lái)校準(zhǔn)發(fā)射光，使其更加集中，以便獲得更多的反射光。雖然加裝鏡頭可以擴(kuò)展檢測(cè)距離，但在檢測(cè)非常光亮的表面時(shí)比較困難，此時(shí)傳感器的安裝角度就變得非常重要。

因?yàn)榉浅９饬恋谋砻婢拖箸R面一樣，安裝角度稍微一偏，多數(shù)的反射光就都反射走了，只有很小的一部分反射回接收器。如果被測(cè)物表面平行于傳感器的檢測(cè)頭，則多數(shù)的直反式傳感器能接收到反射回來(lái)的光。但是如果被測(cè)物是圓形表面（如金屬桶）或被檢測(cè)的金屬薄片/薄膜經(jīng)常發(fā)生顫動(dòng)，則檢測(cè)起來(lái)就會(huì)很不可靠。

寬光束直反式

了避免檢測(cè)光亮物體時(shí)光的損失對(duì)檢測(cè)性能的影響，尤其是近距離檢測(cè)時(shí)，可以使用寬光束直反式傳感器，沒(méi)有聚光鏡頭，檢測(cè)距離就會(huì)縮短，但同時(shí)也不必嚴(yán)格要求傳感器鏡頭必須與光亮的被測(cè)平面平行。這是其優(yōu)點(diǎn)所在。

對(duì)于任何接近檢測(cè)模式的傳感器，其檢測(cè)距離受被測(cè)物大小及外形的影響。尺寸大的被測(cè)物反射回來(lái)的光的能量要比小的被測(cè)物多。

在2.5mm檢測(cè)距離之內(nèi)，寬光束直反式傳感器的檢測(cè)性能要比一般直反式的要好。因此如果傳感器鏡頭能夠貼近被測(cè)物檢測(cè)，則寬光束直反式傳感器能可靠檢測(cè)細(xì)沙或電線(xiàn)這樣的小物體。

聚焦式

外一種可以檢測(cè)小物體的檢測(cè)模式為聚焦式。多數(shù)聚焦式傳感器是給發(fā)射器加裝一個(gè)鏡頭，使發(fā)射光聚焦在鏡頭前面的某一點(diǎn)，同時(shí)接收器鏡頭的焦點(diǎn)也在此處。這樣就在固定距離處形成了一個(gè)小的能量集中的檢測(cè)區(qū)域。

聚焦式傳感器對(duì)反射光的利用率很高，它能可靠檢測(cè)一般直反式或?qū)捁馐狈词絺鞲衅魉荒軝z測(cè)到的小物體和反光率非常低的物體。

檢測(cè)距離－聚焦式

聚焦式傳感器的檢測(cè)距離是固定的，就是其焦距。這就要求傳感器距離被測(cè)物非常近。

聚焦式傳感器在焦點(diǎn)附近能可靠檢測(cè)被測(cè)物，這一以焦點(diǎn)為中心的區(qū)域稱(chēng)為景深。景深的大小取決于傳感器的設(shè)計(jì)和被測(cè)物的反光率。精密聚焦式傳感器的景深是很小的，所以可以用來(lái)進(jìn)行精確定位或外觀的檢測(cè)。

有時(shí)在檢測(cè)某些物體時(shí)，需要忽略背景中靜止或運(yùn)動(dòng)的物體。聚焦式傳感器的一個(gè)特點(diǎn)就是能忽略景深以外的物體。請(qǐng)注意：景深的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)也受被測(cè)物反光率的影響。（傳感器有時(shí)檢測(cè)不到反光率弱的被測(cè)物，但可能會(huì)檢測(cè)到被測(cè)物后面反光率較強(qiáng)的背景。）

色標(biāo)檢測(cè)是聚焦式傳感器的一個(gè)特殊應(yīng)用，使用精密聚焦式傳感器來(lái)檢測(cè)色標(biāo)，以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定位。在色標(biāo)檢測(cè)中，傳感器光源的顏色非常重要，其中藍(lán)綠色光源被證明具有更寬的使用范圍，它甚至可以檢測(cè)白紙上20%

的黃色。

激光聚焦式傳感器可以產(chǎn)生一個(gè)能量集中，尺寸非常小的光斑，直徑約0.25mm，非常適合于檢測(cè)小的物體或做為機(jī)械手的定位傳感器。由于其光束能量很強(qiáng)，所以常用來(lái)檢測(cè)反光率很低的其他傳感器不能可靠檢測(cè)的物體。

定區(qū)域式

區(qū)域式傳感器是一種光電接近式傳感器，它具有很明確的檢測(cè)范圍，能忽略此范圍以外的物體而不受此物體表面反光率的影響。

定區(qū)域式傳感器是通過(guò)比較落在兩個(gè)接收器上的反射光的多少來(lái)判斷被測(cè)物是否出現(xiàn)。如果落在接收器R2上的反射光等于或多于落在R1上的反射光，則傳感器檢測(cè)到被測(cè)物。

可調(diào)區(qū)域式

就象定區(qū)域式一樣，可調(diào)區(qū)域式傳感器可以區(qū)分位于不同距離處的物體，在這種情況下，檢測(cè)距離是可調(diào)的?？烧{(diào)區(qū)域式傳感器的接收器能產(chǎn)生兩個(gè)電流I1和I2，這兩個(gè)電流的比值隨反射光落在接收器上位置的不同而會(huì)有所變化。傳感器關(guān)斷點(diǎn)的位置與這個(gè)比值有直接的關(guān)系，此關(guān)斷點(diǎn)的位置可通過(guò)電位器來(lái)調(diào)整，即使位于關(guān)斷點(diǎn)以外的物體具有很強(qiáng)的反光率，傳感器依然會(huì)將其忽略。

光纖式

實(shí)上，光纖式并不是一種具體的檢測(cè)模式，使用不同的光纖可以組成不同的檢測(cè)模式。使用分離式光纖可以組成對(duì)射式的檢測(cè)模式，使用一體式光纖可以組成反射板式或接近式檢測(cè)模式，特殊的光纖可以定制，下圖的光纖是在檢測(cè)頭使用了特殊的結(jié)構(gòu)，使其形成了聚焦式檢測(cè)鏡頭。

超聲波接近模式

交流電壓供電后，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生震動(dòng)。這種震動(dòng)交替壓縮和撞擊空氣分子使其不斷地向外傳送超聲波，同時(shí)超聲波發(fā)生器也能接收超聲波的回波。

超聲波傳感器根據(jù)其發(fā)生器的不同分為：靜電式和壓電式，靜電式傳感器用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離檢測(cè)，通常能達(dá)到6-7米。這種長(zhǎng)距離的傳感器常用來(lái)檢測(cè)大容器的液位等。壓電式傳感器通常只有較短的檢測(cè)距離，一般在1米左右，但密封較好，能用在惡劣的環(huán)境下。

通常與直反式光電傳感器相比，超聲波傳感器較少受被測(cè)物表面特性的影響。但是，超聲波發(fā)生器的表面與光滑平整的被測(cè)物表面之間的平行度要保持在3?之內(nèi)（對(duì)于表面粗糙的物體，這個(gè)角度不太重要）。對(duì)于表面吸聲的材料，如衣服或泡沫，使用超聲波傳感器很難檢測(cè)。

同時(shí)，較小的物體反射回的波的能量很弱，所以選擇傳感器時(shí)，被測(cè)物的尺寸是非常重要的需要考慮的因素。當(dāng)被測(cè)物沿垂直于傳感器檢測(cè)平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，超聲波傳感器具有很高的重復(fù)精度，因而它們被廣泛用來(lái)測(cè)量距離。

一些傳感器具有可調(diào)整的檢測(cè)窗口或模擬量輸出，可輸出一個(gè)與被測(cè)物距離成比例的電壓/電流值。數(shù)字濾波器可使傳感器具有抗電磁或其他聲波干擾的能力，模擬量輸出具有很高的線(xiàn)性度，帶溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鬟m用于環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)合。

在超聲波接近式傳感器中，也有超聲波發(fā)生器與控制器分離的產(chǎn)品。這些小的超聲波發(fā)生器可以安裝在狹小的空間內(nèi)，由控制器進(jìn)行檢測(cè)和輸出控制。對(duì)射式的超聲波傳感器具有獨(dú)立的發(fā)射器和接收器，是檢測(cè)透明物體的理想產(chǎn)品。
責(zé)任編輯；zl