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技術(shù)文章

美國邦納BANNER光電傳感器的原理

閱讀:2002          發(fā)布時(shí)間:2018-2-26

美國邦納BANNER光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。
美國邦納BANNER光電傳感器的原理:
由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標(biāo)物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射到光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。
光敏二極管是zui常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣,當(dāng)無光照時(shí),它與普通二極管一樣,反向電流很小,稱為光敏二極管的暗電流;當(dāng)有光照時(shí),載流子被激發(fā),產(chǎn)生電子-空穴,稱為光電載流子。在外電場的作用下,光電載流子參與導(dǎo)電,形成比暗電流大得多的反向電流,該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比,于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。
光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外,還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大,一般光敏三極管只引出兩個(gè)極——發(fā)射極和集電極,基極不引出,管殼同樣開窗口,以便光線射入。為增大光照,基區(qū)面積做得很大,發(fā)射區(qū)較小,入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時(shí)管子流過的電流為暗電流Iceo=(1+β)Icbo(很?。?,比一般三極管的穿透電流還?。划?dāng)有光照時(shí),激發(fā)大量的電子-空穴對(duì),使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大,此刻流過管子的電流稱為光電流,發(fā)射極電流Ie=(1+β)Ib,可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。
美國邦納BANNER光電傳感器的工作原理:
光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。
光電傳感器在一般情況下,有三部分構(gòu)成,它們分為:發(fā)送器、接收器和檢測電路。
發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束,發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源,發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射,或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面,裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路,它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。
此外,光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。
美國邦納BANNER光電傳感器的分類和工作方式:
⑴槽型光電傳感器
把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)組成槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光,在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時(shí),光被遮擋,光電開關(guān)便動(dòng)作,輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào),切斷或接通負(fù)載電流,從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。
⑵對(duì)射型光電傳感器,若把發(fā)光器和收光器分離開,就可使檢測距離加大,一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成對(duì)射分離式光電開關(guān),簡稱對(duì)射式光電開關(guān)。對(duì)射式光電開關(guān)的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用對(duì)射式光電開關(guān)時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè),檢測物通過時(shí)阻擋光路,收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。
⑶反光板型光電開關(guān)
把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi),在前方裝一塊反光板,利用反射原理完成光電控制作用,稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下,發(fā)光器發(fā)出的光源被反光板反射回來再被收光器收到;一旦被檢測物擋住光路,收光器收不到光時(shí),光電開關(guān)就動(dòng)作,輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。
⑷擴(kuò)散反射型光電開關(guān)
擴(kuò)散反射型光電開關(guān)的檢測頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器,但擴(kuò)散反射型光電開關(guān)前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。在檢測時(shí),當(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光,并把光部分反射回來,收光器就收到光信號(hào),輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。
沒有信號(hào)輸出的原因
美國邦納BANNER光電傳感器首先要考慮的是接線或配置的問題。對(duì)于對(duì)射型光電傳感器必須由投光部和受光部組合使用,兩端都需要供電;而回歸反射型必須由傳感器探頭和回歸反射板組合使用;同時(shí),用戶必須給傳感器提供穩(wěn)定電源,如果是直流供電,必須確認(rèn)正負(fù)極,如若正負(fù)極連接錯(cuò)誤則會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)沒有。
上述的原因分析是對(duì)光電傳感器本身的考慮,我們還需要考慮的是檢測物體的位置問題,如果檢測物體不在檢測區(qū)域,這樣的檢測是徒勞的。檢測物體必須在傳感器可以檢測的區(qū)域內(nèi),也就是光電可以感知的范圍內(nèi)。其次,要考慮傳感器光軸有沒有對(duì)準(zhǔn)問題,對(duì)射型的投光部和受光部光軸必須對(duì)準(zhǔn),對(duì)應(yīng)的回歸反射型的探頭部分和反光板光軸必須對(duì)準(zhǔn)。同樣還要考慮的是檢測物體是否符合標(biāo)準(zhǔn)檢測物體或者zui小檢測物體的標(biāo)準(zhǔn),檢測物體不能小于zui小檢測物體的標(biāo)準(zhǔn),從而避免導(dǎo)致對(duì)射型、反射型不能很好檢測透明物體,像反射型對(duì)檢測物體的顏色有要求,顏色越深,檢測距離就越近。
如果以上情況都可以很明確地做出排除后,我們需要做的事就是檢測環(huán)境的干擾因素。如光照強(qiáng)度不能超出額定范圍;如果現(xiàn)場環(huán)境有粉塵,就需要我們定期清理光電傳感器探頭表面;或者是多個(gè)傳感器緊密安裝,互相產(chǎn)生干擾;還有一種影響比較大的是電氣干擾,如果周圍有大功率設(shè)備,產(chǎn)生干擾時(shí)必須要有相應(yīng)的抗干擾措施。如果做過上述的逐一排查,這些因素都可以明確地排除還是沒有信號(hào)輸出的話,建議退回廠家檢測判斷。
美國邦納BANNER光電傳感器的結(jié)構(gòu)分析:
光電傳感器通常由三部分構(gòu)成,它們分別為:發(fā)送器、接收器和檢測電路。
發(fā)射器帶一個(gè)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(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈做為光源,這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是如今光電傳感器的雛形。
接收器有光電二極管、光電三極管及光電池組成。光敏二極管是現(xiàn)在zui常見的傳感器。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣,只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口,以便于光線射入,為增加受光面積,PN結(jié)的面積做得較大,光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下,并與負(fù)載電阻相串聯(lián),當(dāng)無光照時(shí),它與普通二極管一樣,反向電流很小稱為光敏二極管的暗電流;當(dāng)有光照時(shí),載流子被激發(fā),產(chǎn)生電子-空穴,稱為光電載流子。
此外,光電傳感器的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置,它由很小的三角錐體反射材料組成,能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角,使光束幾乎是從一根發(fā)射線,經(jīng)過反射后,仍從這根反射線返回。 
美國邦納BANNER光電傳感器的類型:
⑴槽型光電傳感器
把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光,在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時(shí),光被遮擋,光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào),切斷或接通負(fù)載電流,從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。
⑵對(duì)射型光電傳感器
若把發(fā)光器和收光器分離開,就可使檢測距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開關(guān),簡稱對(duì)射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè),檢測物通過時(shí)阻擋光路,收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。
⑶反光板型光電開關(guān)
把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi),在它的前方裝一塊反光板,利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下,發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住,收光器收不到光時(shí),光電開關(guān)就動(dòng)作,輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。
⑷擴(kuò)散反射型光電開關(guān)
它的檢測頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器,但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光,并把光部分反射回來,收光器就收到信號(hào),輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。
美國邦納BANNER光電傳感器生產(chǎn)的發(fā)展方向:
(1)使光電傳感器從理論研究向生產(chǎn)條龍的產(chǎn)業(yè)化模式快速發(fā)展,走自主創(chuàng)新和合作相結(jié)合的跨越式發(fā)展道路,使我國成為世界傳感器的生產(chǎn)大國;
(2)光電傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。產(chǎn)品品種要向高技術(shù)、高附加值傾斜,尤其要填補(bǔ)“空白”品種;
(3)生產(chǎn)格局向?qū)I(yè)化發(fā)展。即生產(chǎn)傳感器門類少而精,且專門生產(chǎn)某一應(yīng)用領(lǐng)域需要的某一類傳感器系列產(chǎn)品,以獲得較高的*,各傳感器企業(yè)的專業(yè)化合作生產(chǎn);
(4)光電傳感器大生產(chǎn)技術(shù)向自動(dòng)化發(fā)展。光電傳感器的門類、品種繁多,所用的敏感材料各異,決定了傳感器制造技術(shù)的多樣性和復(fù)雜性??v觀當(dāng)前光電傳感器工藝線的概況,多數(shù)工藝已實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化,但距離生產(chǎn)過程全自動(dòng)化尚存在諸多困難,有待今后廣泛采用CAD、CAM及先進(jìn)的自動(dòng)化裝備和工業(yè)機(jī)器人予以突破;
(5)企業(yè)的重點(diǎn)技術(shù)改造應(yīng)加強(qiáng)從依賴引進(jìn)技術(shù)向引進(jìn)技術(shù)的消化吸收與自主創(chuàng)新的方向轉(zhuǎn)移;
(6)企業(yè)經(jīng)營要加快從國內(nèi)市場為主向國內(nèi)與國外兩個(gè)市場相結(jié)合的化方向跨越發(fā)展;
(7)企業(yè)結(jié)構(gòu)將向“大、中、小并舉”、“集團(tuán)化、專業(yè)化生產(chǎn)共存”的格局發(fā)展。
美國邦納BANNER光電傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域:車載娛樂/導(dǎo)航/DVD系統(tǒng)背光控制,以便在所有的環(huán)境光條件下都可以顯示出理想的背光亮度;后座娛樂用顯示器背光控制;儀表組背光控制(速度計(jì)/轉(zhuǎn)速計(jì));自動(dòng)后視鏡亮度控制(通常要求兩個(gè)傳感器,一個(gè)是前向的,一個(gè)是后向的);自動(dòng)前大燈和雨水感應(yīng)控制(,根據(jù)需求進(jìn)行變化);后視相機(jī)控制(,根據(jù)需求進(jìn)行變化)。在提供更舒適的顯示質(zhì)量方面已經(jīng)成為zui有效的解決方案之一,它具有與人眼相似的特性,這對(duì)于汽車應(yīng)用而言至關(guān)重要,因?yàn)檫@些應(yīng)用要求在所有環(huán)境光條件下都能達(dá)到*的背光效果。例如,在白天,用戶需要zui大的亮度來實(shí)現(xiàn)*的可見度,但是這種亮度在對(duì)于夜間條件而言則是過亮的,因此帶有良好光譜響應(yīng) (良好的IR衰減)的光傳感器、適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍和整體的良好輸出信號(hào)調(diào)節(jié)可以很容易地自動(dòng)完成這些應(yīng)用。終端用戶可以設(shè)置幾個(gè)閾值水平(如低、中、亮光),或能夠隨意地動(dòng)態(tài)地改變傳感器的背光亮度。這也適用于汽車后視鏡亮度控制,當(dāng)鏡子變暗和/或變亮?xí)r需要智能的亮度管理,可以通過環(huán)境光傳感器來完成。
對(duì)于便攜式應(yīng)用,如果用戶不改變系統(tǒng)設(shè)置(通常是亮度控制),那么一個(gè)顯示器總是消耗同樣多的能量。在室外等特別亮的區(qū)域,用戶傾向于提高顯示器的亮度,這就會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。而當(dāng)條件變化時(shí),如進(jìn)入建筑物,大多數(shù)用戶都不會(huì)去改變設(shè)置,因此系統(tǒng)功耗仍然保持很高。但是,通過使用一個(gè)光傳感器,系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測條件變化并調(diào)節(jié)設(shè)置,以保證顯示器處于*的亮度,進(jìn)而降低總功耗。在一般的消費(fèi)類應(yīng)用中,這也能夠延長電池壽命。對(duì)于、筆計(jì)本電腦、PAD和數(shù)碼相機(jī),通過采用環(huán)境光傳感器反饋,可以自動(dòng)進(jìn)行亮度控制,從而延長了電池壽命。
并不是一個(gè)新的構(gòu)想。在數(shù)十年前就已經(jīng)利用光電二極管和光敏電阻來實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想。所謂新構(gòu)想,是指對(duì)環(huán)境光感應(yīng)的同時(shí)還能消減無用的紅外線和紫外線光,而且在支持汽車規(guī)格AECQ-1000嚴(yán)格要求的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)小封裝,尤其是能夠保證在-40度至+105度(2級(jí))溫度范圍內(nèi)的操作,以滿足其余的規(guī)格要求。如何保持工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并滿足AECQ-1000的2級(jí)工作要求,這是當(dāng)今在所有光設(shè)計(jì)解決方案中所面臨的挑戰(zhàn)。采用一個(gè)光傳感器或LED發(fā)射器或接收器時(shí),任何的光學(xué)解決方案都會(huì)面臨著暴露在恒定高溫下(>+85度)而出現(xiàn)的封裝變色問題(會(huì)變暗或變成淡黃)。同樣值得一提的是,到目前為止,所有環(huán)境光傳感器的應(yīng)用都限于車艙內(nèi),在發(fā)動(dòng)機(jī)艙或戶外環(huán)境中還沒有出現(xiàn)光傳感器應(yīng)用。事實(shí)上,即使出現(xiàn)了這樣的應(yīng)用,光封裝也不是針對(duì)這樣的苛刻條件(+125或+150度的條件)而設(shè)計(jì),因此,在當(dāng)前的光學(xué)封裝技術(shù)下,它們很可能還不能夠承受這樣的條件。
半導(dǎo)體相似傳感器和封裝開發(fā)的進(jìn)展使得終端用戶在光傳感器上具有了更廣泛的選擇。小封裝、低功耗、高集成和簡單易用性是設(shè)計(jì)者更多地采用光傳感器的原因,其應(yīng)用范圍涉及消費(fèi)類電子、工業(yè)應(yīng)用以及汽車領(lǐng)域。

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