一文深度了解光电传感器的应用场景

传感器技术 2020-07-11


光电传感器由于反应速度快, 能实现非接触测量,而且精度高、分辨率高、可靠性好,加之光电传感器具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点,是目前产量最多、应用最广的传感器之一,广泛应用于军事、宇航、通信、智能家居、智能交通、安防、LED照明、玩具、检测与工业自动化控制等多种领域。


光电传感器的烟尘浊度监测

防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染,首先要知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少,因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。



烟雾报警器也是用光电传感器作为核心部件,可以用来测量烟的浓度, 它由红外发光二极管及光电三极管组成,但二者不在同一平面上(有一定角度)。在无烟状态时,光电三极管接收不到红外线;当烟雾进入到感应室后,烟雾粒子会将部分光束散射到光电三极管上,当烟雾的浓度逐渐加大时,就会有更多的光束被散射到感应器上,当到达传感器的光束达到一定的程度,蜂鸣器就会发出报警信号。


条形码扫描笔中的光电传感器



当扫描笔头在条形码上移动时,若遇到黑色线条,发光二极管的光线将被黑线吸收,光敏三极管接收不到反射光,呈高阻抗,处于截止状态。当遇到白色间隔时,发 光二极管所发出的光线,被反射到光敏三极管的基极,光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描过之后,光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号,该信 号经放大、整形后便形成脉冲列,再经计算机处理,完成对条形码信息的识别。


光电传感器在点钞机中计数作用


点钞机中必不可少的组成之一就是光电传感器。点钞机的计数器采用非接触式红外光电检测技术,具有结构简单、精度高和响应速度快等优点。



点钞机的计数器采用两组红外光电传感器。每一个传感器由一个红外发光二极管和一个接收红外光的光敏三极管组成,两者之间留有适当距离。


当无钞票通过时,接收管受光照而导通,输出为0。当有钞票通过瞬间,挡住红外光,接收管光通量不足,输出为1。钞票通过后,接收管又接收到红外光导通。这样就在该部分电路输出端产生一个脉冲信号,这些信号经后续电路整形放大后输入单片机,单片机驱动执行电机,并相应完成计数和显示。点钞机之所以采用两组光电传感器,是为了检测纸币的完整性,避免残币被计入。


通过光电传感器来检测钞票的计数情况进而实现钞票数目的累计,最后用液晶及外部显示部分直观地将钞票数显示给用户,并且在出现异常时可自动向用户报警。


光电传感器应用于自动抄表系统


随着微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展,可以利用光电传感器来研制自动抄表系统。电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转。采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。如:在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑,再配以反射式光电发射接收对管,则当铝盘旋转时,在局部涂黑处便产生脉冲,并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数,并经光电耦合隔离电路,送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可有效地防止干扰信号进入微机。再结合其它传输方式便可以形成自动抄表系统。


光电传感器在自动化生产线上应用


光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,在轻工自动机上广泛应用。


 

光电式带材跑偏检测器

带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。


光电式带材跑偏检测器原理如图1所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。


图1 带材跑偏检测器工作原理


图2为测量电路简图。R1、R2是同型号的光敏电阻。R1作为测量元件装在带材下方,R2用遮光罩罩住,起温度补偿作用。当带材处于正确位置( 中间位)时,由R1、R2、R3、R4组成的电桥平衡,使放大器输出电压U0为0。当带材左偏时,遮光面积减少,光敏电阻R1阻值减少,电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大,输出电压为负值,它反映了带材跑偏的方向及大小。反之,当带材右偏时,U0为正值。输出信号U0一方面由显示器显示出来,另一方面被送到执行机构,为纠偏控制系统提供纠偏信号。


图2 带材跑偏检测器测量电路


 

包装充填物高度检测

用容积法计量包装的成品,除了对重量有一定误差范围要求外,一般还对充填高度有一定的要求,以保证商品的外观质量,不符合充填高度的成品将不许出厂。图3所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度h偏差太大时,光电接头没有电信号,即由执行机构将包装物品推出进行处理。


图3 利用光电检测技术控制充填高度


 

光电色质检测

图4为包装物料的光电色质检测原理。若包装物品规定底色为白色,因质量不佳,有的出现泛黄,在产品包装前先由光电检测色质,物品泛黄时就有比较电压差输出,接通电磁阀,由压缩空气将泛黄物品吹出。



图4 包装物料的光电色质检测原理


 

彩塑包装制袋塑料薄膜位置控制

图5为包装机塑料薄膜位置控制系统原理。成卷的塑料薄膜上印有商标和文字,并有定位色标。包装时要求商标及文字定位准确,不得将图案在中间切断。薄膜上商标的位置由光电系统检测,并经放大后去控制电磁离合器。薄膜上色标( 不透光的一小块面积,一般为黑色)未到达定位色标位置时,光电系统因投光器的光线能透过薄膜而使电磁离合器有电而吸合,薄膜得以继续运动,薄膜上的色标到达定位色标位置时,因投光器的光线被色标挡住而发出到位的信号,此信号经光电变换、放大后,使电磁离合器断电脱开,薄膜就准确地停在该位置,待切断后再继续运动。



图5 薄膜位置控制系统示意图


当薄膜上的色标未到达光电管时,光电继电器线圈无电流通过,伺服电机转动,带动薄膜继续前进。当色标到达光电管位置时,光电继电器线圈有电流,伺服电机立即停转,因而薄膜就停在那一个位置。当切断动作完成后,又使伺服电机继续转动。如图6所示。


图6 薄膜位置控制示意图


 

其他方面的应用

利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测,例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴(见图7),以及送料机构是否断料(见图8)等。


 

图7 瓶子灌装检测示意图           


图8 送料机构检测示意图


此外,利用反射式光电传感器可以检测布料的有无和宽度。利用遮挡式光电传感器检测布料的下垂度,其结果可用于调整布料在传送中的张力,利用安装在框架上的反射式光电传感器可以发现漏装产品的空箱,并利用油缸将空箱推出。


光电传感器应用于激光武器


由于光电传感器对红外辐射或可见光都特别灵敏,因而就更加容易成为激光攻击的目标。此外,电子系统及传感器本身还极易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰而无法正常工作。战场上的激光武器攻击光电传感器的方式主要有以下几种:用适当能量的激光束将传感器"致盲",使其无法探测或继续跟踪已经探测到的目标。或者,如果传感器正在导引武器飞向目标,则致盲将使其失去目标。综上所述,由于传感器在战场上发挥的作用越来越重要,同时又很容易遭受激光攻击,它们已成为低能激光武器的首选目标。



光电传感器在汽车上的应用


车载娱乐/导航/DVD系统背光控制,以便在所有的环境光条件下都可以显示出理想的背光亮度;后座娱乐用显示器背光控制;仪表组背光控制(速度计/转速计);自动后视镜亮度控制(通常要求两个传感器,一个是前向的,一个是后向的);自动前大灯和雨水感应控制(专用,根据需求进行变化);后视相机控制(专用,根据需求进行变化)。


在提供更舒适的显示质量方面已经成为最有效的解决方案之一,它具有与人眼相似的特性,这对于汽车应用而言至关重要,因为这些应用要求在所有环境光条件下都能达到完全的背光效果。


例如,在白天,用户需要最大的亮度来实现最佳的可见度,但是这种亮度在对于夜间条件而言则是过亮的,因此带有良好光谱响应 (良好的IR衰减)的光传感器、适当的动态范围和整体的良好输出信号调节可以很容易地自动完成这些应用。终端用户可以设置几个阈值水平(如低、中、亮光),或能够随意地动态地改变传感器的背光亮度。


这也适用于汽车后视镜亮度控制,当镜子变暗和/或变亮时需要智能的亮度管理,可以通过环境光传感器来完成。


光电传感器在消费类电子产品上的应用


半导体相似传感器和封装开发的最新进展使得终端用户在光传感器上具有了更广泛的选择。小封装、低功耗、高集成和简单易用性是设计者更多地采用光传感器的原因,更多地应用于消费类电子。


对于便携式应用,如果用户不改变系统设置(通常是亮度控制),那么一个显示器总是消耗同样多的能量。在室外等特别亮的区域,用户倾向于提高显示器的亮度,这就会增加系统的功耗。而当条件变化时,如进入建筑物,大多数用户都不会去改变设置,因此系统功耗仍然保持很高。但是,通过使用一个光传感器,系统能够自动检测条件变化并调节设置,以保证显示器处于最佳的亮度,进而降低总功耗。


在一般的消费类应用中,这也能够延长电池寿命。对于移动电话、笔计本电脑、PAD和数码相机,通过采用环境光传感器反馈,可以自动进行亮度控制,从而延长了电池寿命。


光电传感器利用光电的变量,还有极其广泛的应用,如自动扶梯,自动门,防盗警卫、自动照明、料位控制等等,未来随着物联网技术的发展和普及,光电传感器应用将渗透到人类生活的方方面面。


- END -



  



制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 

《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。

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