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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

今天光電傳感器的雛形。

早期的光電傳感器

使用白熾燈做為光

源；隨著技術的進

步，現(xiàn)在使用非常

小的LED做為光源

發(fā)光二極管早出現(xiàn)在19世紀60年代，現(xiàn)在我們

可以經(jīng)常在電氣和電子設備上看到這些二極管做

為指示燈來用。LED就是一種半導體元件，其電氣

性能與普通二極管相同，不同之處在于當給LED通

電流時，它會發(fā)光。

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檢測到（見圖5）。周圍

光源接收器也可以用來檢測室外光。

人們常常有一個誤解：認為由于紅外光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。經(jīng)過調

制的光電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(jīng)過調制才將其變得

能量很高。一個未經(jīng)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。

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(jīng)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。

但是并不是說經(jīng)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(jīng)過

調制的光電傳感器，當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

它就不能工作了，這是周圍光源使其飽和了。

未經(jīng)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。

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。

在早期，色標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。現(xiàn)在，多數(shù)

的色標傳感器都是使用經(jīng)調制的各種顏色的可見光LED

發(fā)射器。

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，因而折射率。

光束照在這兩種材料的邊界處（入射角在一定范圍內，

見圖9），被全部反射回來。根據(jù)光學原理，所有光束都

可以由光纖來傳輸。

紅外光LED是效率較高的光束，同時也是在光譜上與光

電三極管匹配的光束（見圖6）

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。

聲波傳感器所發(fā)射和接收的聲波，其振動頻率都

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，聲波傳感器不受被測物透明

度和反光率的影響，因此在許多使用聲波傳感器的場

合就不適合使用光電傳感器來檢測

經(jīng)調制的傳感器往往犧牲了響應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)

調制的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非?？斓奈?/p>

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?？斓捻憫俣龋軡M足

大多數(shù)的檢測應用。

表示了兩條入射光束（入射角在接受角以內）沿光

光纜的端部有各種尺寸和外形，并且澆注了堅固的透明

樹脂。檢測面經(jīng)過光學打磨，非常平滑。這道精心的打

磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率

塑料光纖由單根的光纖束（典型光束直徑為0.25到

1.5mm）構成，通常有PVC外皮。它能安裝在狹小的空

間并且能彎成很小的角度。

多數(shù)的塑料光纖其檢測頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱

形，另一端未做加工以方便客戶根據(jù)使用將其剪短。邦

納公司的塑料光纖都配有一個光纖刀。

不像玻璃光纖，塑料光纖具有較高的柔性，帶防護外皮

的塑料光纖適于安裝在往復運動的機械結構上。塑料光

纖吸收一定波長的光波，包括紅外光（見圖12），因而

塑料光纖只能傳輸可見光。與玻璃光纖相比，塑料光纖

易受高溫，化學物質和溶劑的影響。

纖長度方向經(jīng)多次反射后，從另一端射出。另一條入射

角出接受角范圍的入射光，損失在金屬外皮內。這個

接受角比兩倍的較大入射角略大，這是因為光纖在從空

氣射入密度較大的光纖材料中時會有輕微的折射。光在

光纖內部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響（彎曲半徑要

大于小彎曲半徑）。大多數(shù)光纖是可彎曲的，很容易

安裝在狹小的空間。

玻璃光纖由一束非常細（直徑約50μm）的玻璃纖維絲

組成。典型的光纜由幾百根單獨的帶金屬外皮玻璃光纖

組成，光纜外部有一層護套保護。

玻璃光纖內的光纖束可以是緊湊布置的，也可隨意布置。

玻璃光纖和塑料光纖既有“單根的”－對射式，也有

“分叉的”－直反式（見圖13）。單根光纖可以將光從發(fā)

射器傳輸?shù)綑z測區(qū)域，或從檢測區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?。?/p>

叉式的光纖有兩個明顯的分支，可分別傳輸發(fā)射光和接

收光，使傳感器既可以通過一個分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z

測區(qū)域，同時又通過另一個分支將反射光傳輸回接收器。

光纖檢測頭光芯做成多種形

狀，以適應不同的檢測要求

玻璃光纖堅固并且性能

，可使用在高溫和

有化學成分的環(huán)境中，

它可以傳輸可見光和紅

外光。常見的問題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過小而

導致玻璃絲折斷，對于這種應用場合，我們TJ使用塑

料光纖。

緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫(yī)療設備或管道鏡上。每

一根光纖從一端到另一端都需要精心布置，這樣才能在

另一端得到非常清晰的圖像。由于這種光纖費用非常昂

貴并且多數(shù)的光纖應用場合并不需要得到一個非常清晰

的圖像，所以多數(shù)的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的，

這種光纖就非常了，當然其所得到的圖像也只是一

些光。

玻璃光纖外部的保護層通常是柔性的不銹鋼護套，也有

的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纖可用于

特殊的空間或環(huán)境，其檢測頭做成不同的形狀以適用于

不同的檢測要求。

對射式是早使用的一種光電檢測模式。在調制光出現(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

對準已非常容易。

光路對準－對射式

光路對準可使較大數(shù)量的發(fā)射光到達接收器，發(fā)射光要

位于接收區(qū)域的位置。

由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗電磁干擾，因而能被

用在一些特殊的場合，如：適用于真空環(huán)境下的真空傳

導光纖（VFT）和適用于環(huán)境下的光纖。在這兩個

應用中，特制的光纖安裝在特殊的環(huán)境中，經(jīng)一個法蘭

引出來接到外面的傳感器上，光纖和法蘭的尺寸多種多

樣（見圖14）。本安型傳感器，如NAMUR型的傳感器，

可直接用在特殊或有性危險的環(huán)境中（見圖15）。

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。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。

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

到較佳的對準位置。

光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。聲波傳感器分對射式和接近式兩種檢測模式。

直反式的玻璃光纖，其檢測頭處的光纖束是隨意布置的。

直反式的塑料光纖，其光纖束是沿光纖長度方向一根挨

一根布置。

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，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。

1970年，人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個比壽命長更好的

，就是它能夠以非?？斓乃俣葋黹_關，開關

速度可達到KHz（見圖3）。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。

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