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光電傳感器基礎(chǔ)知識

發(fā)布時間:2008/5/29 0:00:00 訪問次數(shù):585

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真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)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,它會發(fā)光。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還有一個比壽命長更好的優(yōu)點,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,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光聚集在一張紙上時,很容易就會把紙點燃。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么將調(diào)制的接收器指向陽光時它就不能工作了,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,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,這是因為檢測距離是一個非常重要的參數(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常快的物體,這些場合要求的響應(yīng)速度都非常快。但是,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。
  
  超聲波傳感器
  
  聲波傳感器所發(fā)射和接收的聲波,其振動頻率都超過了人耳所能聽到的范圍。它是通過計算聲波從發(fā)射,經(jīng)被測物反射回到接收器所需要的時間,來判斷物體的位置。對于對射式超聲波傳感器,如果物體擋住了從發(fā)射器到接收器的聲波,則傳感器就會檢測到物體。與光電傳感器不同,超聲波傳感器不受被測物透明度和反光率的影響,因此在許多使用超聲波傳感器的場合就不適合使用光電傳感器來檢測。
  
  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,光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低,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輸。
  兩條入射光

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真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)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,它會發(fā)光。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還有一個比壽命長更好的優(yōu)點,就是它能夠以非?斓乃俣葋黹_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,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光聚集在一張紙上時,很容易就會把紙點燃。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么將調(diào)制的接收器指向陽光時它就不能工作了,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,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,這是因為檢測距離是一個非常重要的參數(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)速度都非常快。但是,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。
  
  超聲波傳感器
  
  聲波傳感器所發(fā)射和接收的聲波,其振動頻率都超過了人耳所能聽到的范圍。它是通過計算聲波從發(fā)射,經(jīng)被測物反射回到接收器所需要的時間,來判斷物體的位置。對于對射式超聲波傳感器,如果物體擋住了從發(fā)射器到接收器的聲波,則傳感器就會檢測到物體。與光電傳感器不同,超聲波傳感器不受被測物透明度和反光率的影響,因此在許多使用超聲波傳感器的場合就不適合使用光電傳感器來檢測。
  
  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,光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低,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輸。
  兩條入射光
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