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文檔簡介
1、plc&fa:2008年1月光電傳感器原理及應用banner公司產品經理喬勇惠1 光電傳感器原理電傳感器是一種小型電子設備, 它可以檢測出其接收到的光強的變 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備, 發(fā)射器帶一個校準鏡頭.將光聚焦射 向接收器,接收器出電纜將這套裝置 接到一個真空管放大器上(見圖1)。在 金屬圓筒內有一個小的白熾燈做為光 源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就 是今夭光電傳感器的雛形。圖1光電傳感器原理圖發(fā)光二極管最早出現(xiàn)在19世紀60 年代,現(xiàn)在找們可以經常在電氣和電 子設備上看到這些二極管作為指示燈 來用。led就是一種半導體元件,其 電氣性能與
2、普通二極管相同,不同之 處在于當給led通電流時.它會發(fā) 光。由干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。不彖白熾燈那 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 于同尺寸白熾燈所產生光能的一部 分。(激光二極管除外,它與普通 led的原理相同,但能產生幾倍的光 能,并能達到更遠的檢測距離)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、藍光、 藍綠光或白光。2 經調制的led傳感器1970年,人們發(fā)現(xiàn)led還有一個 比壽命長更好的優(yōu)點,就是它能夠以 非??斓乃俣葋黹_關,
3、開關速度可達 到khz。將接收器的放大器調制到發(fā) 射器的調制頻率,那么它就只能對以 此頻率振動的光信號進行放大。經過調制的光源到我們可以將光波 的調制比喻成無線電波的傳送和接收。 將收音機調到某臺,就可以忽略其他的 無線電波信號。經過調制的led發(fā)射器 就類似于無線電波發(fā)射器,其接收器就 相當于收音機。人們常常有一個誤解: 認為由于紅夕卜光led發(fā)出的紅外光是看 不到的,那么紅外光的能冒肯定會很 強。經過調制的光申.傳感器的能量的大 小與led光波的波長無太大關系。一個 led發(fā)出的光能很少,經過調制才將其 變得能量很高。一個未經調制的傳感器 只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手 段,使接收器只
4、能接收到發(fā)射器發(fā)出的 光,才能使其能屋變得很高。相比之 下,經過調制的接收器能忽略周圍的 光,只對自己的光或具有相同調制頻率 的光做出響應。未經調制的傳感器用來 檢測周圍的光線或紅外光的輻射,如剛 出爐的紅熱瓶子,在這種應用場合如果 使用其它的傳感器,可能會有誤動作。 如果一個金屬發(fā)射出的光比周圍的光強 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。但是并不是說經調制的傳感器就 一定不受周圍光的干擾,當使用在強 光環(huán)境下時就會有問題。例如,未經 過調制的光電傳感器,當把它直接指 向陽光肘,它能正常動作。我們每個 人都知道,用一塊有放大作用的玻璃 將陽
5、光聚集在一張紙上時,很容易就 會把紙點燃。設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么將調制 的接收器指向陽光時它就不能工作 7,這是周圍光源使其飽和了。調制 的led改進了光電傳感器的設計.增 大了檢測距離,擴展了光束的角度, 人們逐漸接受了這種可靠易于對準的 光束。到1980年,非調制的光電傳感 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 色標檢測),這就需要用可見光源。mrw semen, mew miuddr5104 <plc4fa>在早期,色標
6、傳感器使用白熾燈做光 源,使用光電池接收器,直到后采發(fā) 明了高效的可見光led?,F(xiàn)在.多數(shù) 的色標傳感器都是使用經調制的各種 顏色的可見光led發(fā)射器。經調制的 傳感器往往犧牲了響應速度以荻取更 長的檢測距離,這是因為檢測距離是 一個非常重要的參數(shù)。未經調制的傳 感器可以用來檢測小的物體或動作非 竜快的物體,這些場合要求的響應速 度都非???。但是,現(xiàn)在高速的調制 傳感器也可以提供非常快的響應速 度,能滿足大多數(shù)的檢測應用。3 檢測模式電傳感器的檢測模式分為如下幾 類:對射式、反射板式、偏振反射板 式、直反式、寬光束式、聚焦式、定 區(qū)域式和可調區(qū)域式。其中,直反 式、寬光束式,聚焦式、定區(qū)域式和
7、 可調區(qū)域式有時又歸類于“光電接近 檢測模式”(注意:不要與電容式或 電感式接近開關混淆)。對于光纖傳 感器,如使用對射光纖,則為對射式 檢測模式;如使用直反式光纖,則為 接近式檢測模式。3.1對射式射式檢測方式的發(fā)射器和接收器 相互對射安裝,發(fā)射器的光直接對準 接收器。當被測物擋住光束時,傳感 器輸岀產生變化以指示被測物被檢測 到。(見圖2)圖2對射式檢測模式對射式罡最早使用的一種光電檢 測模式.在調制光岀現(xiàn)之前,發(fā)射器 和接收器的對準是一個很大的難題。 今天,對于使用高能調制光的光電傳 感器,將發(fā)射器和接收器對準己非常 容易。光路對準-對射式光路對準可 使最大數(shù)量的發(fā)射光到達接收器,發(fā) 射
8、光要位于接收區(qū)域的中央位置。當 發(fā)射器為可見光時,為使光路對準方 便,在接收器鏡頭的正前方放一淺色 的標定物,通過觀察照在標定物上的 光斑來調整發(fā)射器位置。將標定物移 開,觀察傳感器上的過量增益指示 燈,細調發(fā)射器和接收器的位置以達 到最佳的對準位置。3.2檢測距離一對射式檢測距離是傳感器一個很重要的 參數(shù)。對于對射式傳感器,此參數(shù)是 指傳感器的發(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,為可靠檢測物 體,此部分光必須要被全部遮擋。對 射式檢測模式的有效光束,我們可以 將其比喻為連接發(fā)射器鏡頭與接收器 鏡頭的一個桿(見圖3)。 圖3對射式檢測模式的有效光束 如
9、果發(fā)射器和接收器的鏡頭大小 不一樣.則此桿會變成錐形。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。對于對射式光 電傳感器,在檢測小的部件或進行精 確定位時,其有效光束可能會太大以 致不能進行可靠檢測。在這種情況 下.可以給傳感器加裝光縫來減小有 效光束的尺寸。(注意:在選擇光縫材料時,要 注意有些非金屬材料可能會被高能的調 制光穿透)安裝光縫會減小通過鏡頭的 光的能審(光縫越小,通過的光就越 少)。例如:直徑20mm的鏡頭安裝上 帶一5mm孔的光縫后,則通過此孔的 光的能量僅為原來的(1/4)2或1/16,如 果發(fā)射器和接收器都安裝了光縫,則 光的能量會損失雙倍。矩形光縫與同
10、 尺寸的圓孔形光縫相比,其鏡頭接收 光的區(qū)域較大。因此,如果被測物通 過光束的方向是一定的,則優(yōu)先選用 矩形光縫(如邊沿檢測)。如果小的 被測物通過光束的方向不是固定的, 則優(yōu)先選用圓形光縫。如果被測物在 通過時總是非常靠近發(fā)射器或接收 器,則僅需安裝一個光縫即可。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。在使用對射式 傳感器檢測小物體時,一方面要保證 有效光束的尺寸必須小于被測物的最 小尺寸,同時要使鏡頭保留盡可能大 的可視區(qū)域,以保證足夠的檢測距離。 一種簡便的方法就是使用光纖,這種光 纖檢測頭的出光孔有多種形狀和尺寸, 以適用于不同的被
11、測物。有些高能的經 過調制的對射式傳感器,在近距離使用 時,有時會在被測物周圍產生光能激增 現(xiàn)象,致使傳感器產生誤動作。這也是 為什么要求被測物尺寸一定要大于有效 光束尺寸的原因之一。3.3反射板式反射板式的檢測模式中,一個傳 感器本身既有發(fā)射器又有接收器(見 圖4)。發(fā)射器發(fā)射光照到反射板 上,反射光再返回接收器上。當物體 擋住光束時,被測物就被檢測到了。 在反射板式傳感器的檢測距離為從傳 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 (見圖4 )。圖4反射板將發(fā)射光返回到接收黠上圖5有效光束為錐形待殊情況下與此不同,如:當傳 感器離反射板太近時,光束不能全部 覆蓋整個
12、反射板;或者發(fā)射光為激光 光束時。在這些情況下,有效光束的 尺寸擴展不到反射板的整個面積。反 射板通常是由多個幾何棱鏡組成的矩 陣,每個棱鏡有三個互相垂直的平面 和一個斜面。光束從斜面射入,經其 他三個面反射后從這個斜面上平行的 返回(見圖6)。這樣反射板就將入 射光反回到了接收器。圖6棱鏡將入射光反射回接收器 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。棱鏡或反射板經常作為汽車安全 反射板用,當汽車前燈照在反射板上 時,反射板會反射回很強的光使司機 能及時觀察到。高速公路上的警示標 志可以用反射帶來制作,反射帶表面 涂有一層薄的帶幾何棱鏡的反光材料 或玻璃細沙。(光滑的
13、玻璃表面也可 把光反射回去,但是涂玻璃細沙的表 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 于反射板來說,它能將入射光以偏離 垂直線最大20。的角度反射回來,這 樣就使對準非常容易。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 板反射回來的光。但是對于反光率很 強的被測物,當擋住光束時,也能將 很強的光反射回傳感器而使其誤認為 被測物并未出現(xiàn)。對這種問題,我們 也有相應的解決辦法。如果一個表面 很平很亮的物體總是沿固定的方向經 過
14、檢測區(qū)域,那么找們可以將傳感器 和反射板傾斜安裝,以使被測物表面 反射回來的光回不到傳感器,傾斜角 度通當為1015° 但是如果光亮被測物表面是圓形 或被測物是以不確定的角度進入檢測 區(qū)域,則問題就會比較復雜。此時我 們可以將傳感器和反射板水平及垂直 方向均旋轉一定角度,這樣通常情況 下可以解決問題。如問題仍不能解 決,則考慮使用偏振反射板式或對射 武檢測模式。3.4偏振圖7偏振反射板式傳感器適于檢測表面光亮的物體偏振鏡頭與可見光的反射板式傳 感器配合使用,能很好解決光亮物體 的檢測問題。兩個偏振鏡頭分別安裝 在發(fā)射器和接收器鏡頭的前面,偏振 方向互相垂直。發(fā)射光經發(fā)射器垂直 偏振鏡
15、頭偏振后,變成垂直振動的光 波(見圖7),此光波經反射板反射 (去偏振)后,變?yōu)樗椒较蛘駝拥?光波,這種光波可通過接收器的水平 偏振鏡頭被接收器接收。偏振鏡頭雖 然解決了傳感器檢測光亮物體時的誤 動作問題,但同時也大大減弱了有效 光束的能量,這一點對于檢測環(huán)境灰 塵較大或需要較長檢測距離的應用場 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。3.5光路對準一反射板式近年來,隨著led技術的不斷提 高,使用可見光光源的發(fā)射器逐步增 多。當使用可見光光源時,反射板式 傳感器的對準就很容易了。當我們在 反射板上看到可見光時,光路基本就 對準了。3.6接近檢測模式近檢測模式的光電
16、傳感器是通過 檢測從被測物反射回來的能來判斷 是否有被測物。例如,當傳感器接收 到被測物反射回來的聲波時,被測物 就被檢測到了。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。在這種檢測模式中,當 被測物出現(xiàn)時,它把一定數(shù)量的光反 射回傳惑器而不象對射或檢測模式中 是把光擋住。光電的接近檢測模式又 分為以下幾種檢測方式:直反式、寬 光束式、聚焦式、定區(qū)域式和可調區(qū) 域式。3.7直反式光電傳感器中,直反式傳感器是 一種常用的檢測模式。在這種方式 中,發(fā)射器發(fā)出的光以多種角度照到 被測物表面上,被測物表面同樣以多 種角度對入射光進行反射,其中只有 很小的一部分被反射回接收器。直反
17、戒檢測模式對光能的利用率 相對較低,因為其接收器只能接收到 很小一部分的反射光。同其他接近檢 測模式一樣,直反式也受被測物表面 反光率的影響。對于具有亮白表面的 被測物.傳感器的檢測距離就要比暗 黑表面的物體要遠。多數(shù)直反式傳感 器都加裝鏡頭來校準發(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展檢測距離,但在 檢測非常光亮的表面時比較困難,此 時傳感器的安裝角度就變得非常重 要。因為非常光亮的表面就象鏡面一 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。如果被測物表面平行 于傳感器的檢測頭,則多數(shù)的直反式 傳感器能接收到反射回來的光。但是
18、如果被測物是圓形表面(如金屬桶) 或被檢測的金屬薄片/薄膜經常發(fā)生顫 動,則檢測起來就會很不可靠。3.8寬光束直反式避免檢測光亮物體時光的損失對檢 測性能的影響,尤其是近距離檢測時, 可以使用寬光束直反式傳感器,沒有聚 光鏡頭,檢測距離就會縮嫁,但同時也 不必嚴格要求傳感器鏡頭必須與光亮的 被怦面平行。這是其優(yōu)點所在。對于 任何接近檢測模式的傳感器,其檢測距 離受被測物大小及外形的影響。尺寸大 的被測物反射回來的光的能量要比小的 被測物多。在2.5mm檢測距離之內, 寬光束直反式傳感器的檢測性能要比一 般直反式的要好。因此如果傳感器鏡頭 能夠貼近被測物檢測,則寬光束直反式 傳感器能可靠檢測細沙
19、或電線這樣的小 物體。3.9聚焦式一種可以檢測小物體的檢測模式 為聚焦式。多數(shù)聚焦式傳感器是給發(fā) 射器加裝一個鏡頭,使發(fā)射光聚焦在 鏡頭前面的某一點,同時接收器鏡頭 的焦點也在此處。這樣就在固定距離 處形成了一個小的能塑集中的檢測區(qū) 域。聚焦式傳感器對反射光的利用率 很高,它能可建檢測一般直反式或寬 光束直反式傳感器所不能檢測到的小 物體和反光率非常低的物體。聚焦式 傳感器的檢測距離是固定的,就是其 焦距。這就要求傳感器距離被測物非 常近。聚焦式傳感器在焦點附近能可 靠檢測被測物,這一以焦點為中心的 區(qū)域稱為景深。景深的大小取決于傳 感器的設計和被測物的反光率。精密 聚焦式傳感器的景深是很小的
20、,所以 可以用來進行精確定位或外觀的檢 測。有時在檢測某些物體時,需要忽 略背景中靜止或運動的物體。聚焦式 傳感器的一個待點就是能忽略景深以 外的物體。請注意:景深的近點和遠 點也受被測物反光率的影響。(傳感器 有時檢測不到反光率弱的被測物,但 可能會檢測到被測物后面反光率較強 的背景。)色標檢測是聚焦式傳感器的 一個待殊應用,使用精空聚焦式傳感 器來檢測色標,以對產品進行定位。 在色標檢測中,傳感器光源的顏色非 常重要,其中藍綠色光源被證明具有 更寬的使用范圍,它甚至可以檢測白 紙上20%的黃色。激光聚焦式傳感器可以產生一個 能量集中,尺寸非常小的光斑,直徑 約0.25mm ,非常適合于檢測
21、小的物 體或做為機械手的定位傳感器。由于 其光束能量很強,所以常用來檢測反 光率很低的其他傳感器不能可靠檢測 的物體。3.10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。見圖8。圖8 在定區(qū)域檢測模式中.如果落在r2上的反射光等于或多干落在r1上的反射光,則傳感器檢測到被測物3.11可調區(qū)域式象定區(qū)域式一樣,可調區(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,檢測距離是可調 的??烧{區(qū)域式傳感器的接收器能產 生兩個電流x和i2 ,這兩個電流的比 值隨反射光落在接收器上位置的不同 而會有所變化。傳感器關
22、斷點的位置 與這個比值有直接的關系,此關斷點 的位置可通過電位器來調整,即使位 于關斷點以外的物體具有很強的反光 率,傳感器依然會將其忽略。見圖9。圖9在可調區(qū)域檢測模式中,位于關斷點以外的物體被忽略掉4 banner光電傳感器的應用4.1 q12檢測記憶棒的有無并計數(shù)記憶棒在傳送帶上傳送,world- beam q12可以通過檢測記憶棒與傳 送帶之間的微小髙度差來進行計數(shù)。圖10 q12檢測記憶棒的有無并計數(shù)4.2 qs18在傳送帶上對注射器計數(shù)注射器在傳送帶上通過時, world-beam qs18背景抑制型傳 感器可以檢測每一個注射器并將信號 發(fā)送到后端計數(shù)器上。圖1】qs18在傳送帶上
23、對注射器計數(shù)(下轉第123頁)106 (plc4fa)plc&fa2008年5月個盛樣桶裝滿時,自動移動,將第二 個盛樣桶放在流槽下面等待裝樣,在 第二個盛樣桶裝滿肘,自動移動,將 第三個盛樣桶放在流槽下面等待裝 樣,依次第三、第四個盛樣桶都 裝滿,本系統(tǒng)還有數(shù)字顯示板,數(shù)字 顯示板根據(jù)接近開關檢測到盛樣桶的 移動次數(shù),動態(tài)顯示裝滿樣桶數(shù),提 示取樣工何時去換桶。本系統(tǒng)還配備 有煤層監(jiān)測系統(tǒng),皮帶機上無煤或煤 少時延時取樣。皮帶采樣機系統(tǒng)由 plc控制系統(tǒng)、采樣機、小皮帶機和 數(shù)字顯示板組成。3.2電控設計plc控制系統(tǒng)由壁掛式電器柜、 接觸器、plc、觸摸屏組成,采樣機 由機架、電機
24、、減速機、采樣鏟、機 器量、檢測開關組成,小皮帶機由機 架、電機、減速機皮帶、托輾、接近 開關組成,數(shù)字顯示板有檢測開關、 數(shù)碼管、技術模塊、鐘表模塊組成。(1 )整個采樣系統(tǒng)系統(tǒng)控制器 設計了電腦及強電兩部分。(2) 采樣系統(tǒng)系統(tǒng)控制柜具有 較強的人工智能,觸摸屏以全中文菜 單方式顯示,以人機對話方式與采樣 系統(tǒng)系統(tǒng)用戶交互信息,給操作者帶 來極大方便。(3) 采樣系統(tǒng)控制器實時采集采 樣系統(tǒng)各項工況信號,并軟件處理分 析,實時采樣系統(tǒng)的正常、安全運行。3.3功能設計(1 )現(xiàn)場信號采集:采集現(xiàn)場 信號,進行信號處理、計算。并保存 數(shù)據(jù)以方便用戶查閱,同時對采樣系 統(tǒng)全自動運行進行實時監(jiān)控。確保采 樣系統(tǒng)的正常、安全運行。(2) 設置采樣系統(tǒng)運行參數(shù); 設置采樣系統(tǒng)全自動運行所需時間間 隔、采樣績多少、時段等參數(shù)。(3) 信息處理:將現(xiàn)場采集的 信號進行智數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計處理,完成 故障預測、故障處理、數(shù)據(jù)查詢打印等工作;(4) 動識別故障并保護:發(fā)生 故障時,軟件自動識別故障,保護采 樣系統(tǒng)及附屬設備安全。(5) 通訊功能:通過rs-485通 訊可把工況數(shù)據(jù)實時傳送至中心機房 并接收中心指令,控制采樣系統(tǒng)相關 設備運行.(6) 軟手動功能:手動、自動
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