光纤传感器的各种分类以及检测原理解析

对于光纤传感器，如使用对射光纤，则为对射式检测模式；如使用直反式光纤，则为接近式检测模式。超声波传感器分对射式和接近式两种检测模式。

对射式

射式检测方式的发射器和接收器相互对射安装，发射器的光直接对准接收器。当被测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。

对射式是最早使用的一种光电检测模式。在调制光出现之前，发射器和接收器的对准是一个很大的难题。今天，对于使用高能调制光的光电传感器，将发射器和接收器对准已非常容易。

光路对准－对射式

光路对准可使最大数量的发射光到达接收器，发射光要位于接收区域的中央位置。

当发射器为可见光时，为使光路对准方便，在接收器镜头的正前方放一浅色的标定物，通过观察照在标定物上的光斑来调整发射器位置。将标定物移开，观察传感器上的过量增益指示灯，细调发射器和接收器的位置以达到最佳的对准位置。

检测距离－对射式

检测距离是传感器一个很重要的参数。对于对射式传感器，此参数是指传感器的发射器与接收器之间的最大距离。有效光束是指发射的所有光束中起作用的那部分，为可靠检测物体，此部分光必须要被全部遮挡。对射式检测模式的有效光束，我们可以将其比喻为连接发射器

镜头（或超声波变送器）与接收器镜头（或变送器）的一个杆，如果发射器和接收器的镜头大小不一样，则此杆会变成锥形。有效光束与发射器发射的光束或接收器的可接收区域是不一样的。

对于对射式光电传感器，在检测小的部件或进行精确定位时，其有效光束可能会太大以致不能进行可靠检测。在这种情况下，可以给传感器加装光缝来减小有效光束的尺寸。（注意：在选择光缝材料时，要注意有些非金属材料可能会被高能的调制光穿透）。

安装光缝会减小通过镜头的光的能量（光缝越小，通过的光就越少）。例如：直径20mm的镜头安装上带一5mm孔的光缝后，则通过此孔的光的能量仅为原来的（1/4）2或1/16th，如果发射器和接收器都安装了光缝，则光的能量会损失双倍。

矩形光缝与同尺寸的圆孔形光缝相比，其镜头接收光的区域较大。因此，如果被测物通过光束的方向是一定的，则优先选用矩形光缝（如边沿检测）。如果小的被测物通过光束的方向不是固定的，则优先选用圆形光缝。

如果被测物在通过时总是非常靠近发射器或接收器，则仅需安装一个光缝即可。其有效光束尺寸在有光缝的一端为光缝上孔的尺寸，在未安装光缝的一端为镜头的尺寸，成为锥形。

在使用对射式传感器检测小物体时，在使用对射式传感器检测小物体时，一方面要保证有效光束的尺寸必须小于被测物的最小尺寸，同时要使镜头保留尽可能大的可视区域，以保证足够的检测距离。一种简便的方法就是使用光纤，这种光纤检测头的出光孔有多种形状和尺寸，以适用于不同的被测物。

有些高能的经过调制的对射式传感器，在近距离使用时，有时会在被测物周围产生光能激增现象，致使传感器产生误动作。这也是为什么要求被测物尺寸一定要大于有效光束尺寸的原因之一。

对于对射式的超声波传感器，通过使用声波引导器件可以确定其波形图。此器件安装在接收器的变送器（有时也安装在发射器上），安装此器件后，接收器对从侧面过来的声波反应就会很弱，因而可以比较可靠的检测小的物体。

反射板式

反射板式的检测模式中，一个传感器本身既有发射器又有接收器。发射器发射光照到反射板上，反射光再返回接收器上。当物体挡住光束时，被测物就被检测到了。

反射板式传感器的检测距离为从传感器到反射板的距离。其有效光束通常为锥形，从镜头边沿到反射板边沿。特殊情况下与此不同，如：当传感器离反射板太近时，光束不能全部覆盖整个反射板；或者发射光为激光光束时。在这些情况下，有效光束的尺寸扩展不到反射板的整个面积。

反射板通常是由多个几何棱镜组成的矩阵，每个棱镜有三个互相垂直的平面和一个斜面。光束从斜面射入，经其他三个面反射后从这个斜面上平行的返回。这样反射板就将入射光反回到了接收器。

多数棱镜式反射板由透明丙烯酸塑料压铸而成，具有多种尺寸和外形。棱镜或反射板经常作为汽车安全反射板用，当汽车前灯照在反射板上时，反射板会反射回很强的光使司机能及时观察到。

高速公路上的警示标志可以用反射带来制作，反射带表面涂有一层薄的带几何棱镜的反光材料或玻璃细沙。（光滑的玻璃表面也可把光反射回去，但是涂玻璃细沙的表面其反光率低于带几何棱镜的表面）

非常光亮的表面也可以做反射板用，但入射光会以等同的角度朝相反方向反射回去。为了使传感器能接收到反射光，发射光必须垂直于镜面。但对于反射板来说，它能将入射光以偏离垂直线最大20�的角度反射回来，这样就使对准非常容易。

好的反射板的反光率是一张白纸的3，000倍，所以反射板式传感器很容易接收到从反射板反射回来的光。但是对于反光率很强的被测物，当挡住光束时，也能将很强的光反射回传感器而使其误认为被测物并未出现。对这种问题，我们也有相应的解决办法。

如果一个表面很平很亮的物体总是沿固定的方向经过检测区域，那么我们可以将传感器和反射板倾斜安装，以使被测物表面反射回来的光回不到传感器，倾斜角度通常为10~15�。

但是如果光亮被测物表面是圆形或被测物是以不确定的角度进入检测区域，则问题就会比较复杂。此时我们可以将传感器和反射板水平及垂直方向均旋转一定角度，这样通常情况下可以解决问题。如问题仍不能解决，则考虑使用偏振反射板式或对射式检测模式。

偏振

偏振镜头与可见光的反射板式传感器配合使用，能很好解决光亮物体的检测问题。两个偏振镜头分别安装在发射器和接收器镜头的前面，偏振方向互相垂直。

发射光经发射器垂直偏振镜头偏振后，变成垂直振动的光波，此光波经反射板反射（去偏振）后，变为水平方向振动的光波，这种光波可通过接收器的水平偏振镜头被接收器接收。

偏振镜头虽然解决了传感器检测光亮物体时的误动作问题，但同时也大大减弱了有效光束的能量，这一点对于检测环境灰尘较大或需要较长检测距离的应用场合尤为重要。偏振反射板式传感器仅能与带几何棱镜的反射板配合使用。

光路对准－反射板式

近年来，随着LED技术的不断提高，使用可见光光源的发射器逐步增多。当使用可见光光源时，反射板式传感器的对准就很容易了。当我们在反射板上看到可见光时，光路基本就对准了。

接近检测模式

近检测模式的光电和超声波传感器是通过检测从被测物反射回来的能量来判断是否有被测物。例如，当超声波传感器接收到被测物反射回来的声波时，被测物就被检测到了。这种传感器的发射器和接收器是组装在一起的，且在传感器的同一侧。在这种检测模式中，当被测物出现时，它把一定数量的光反射回传感器而不象对射式检测模式中是把光挡住。光电的接近检测模式又分为以下几种检测方式：直反式、宽光束式、聚焦式、定区域式和可调区域式。

直反式

光电传感器中，直反式传感器是一种常用的检测模式。在这种方式中，发射器发出的光以多种角度照到被测物表面上，被测物表面同样以多种角度对入射光进行反射，其中只有很小的一部分被反射回接收器。

直反式检测模式对光能的利用率相对较低，因为其接收器只能接收到很小一部分的反射光。同其他接近检测模式一样，直反式也受被测物表面反光率的影响。对于具有亮白表面的被测物，传感器的检测距离就要比暗黑表面的物体要远。

多数直反式传感器都加装镜头来校准发射光，使其更加集中，以便获得更多的反射光。虽然加装镜头可以扩展检测距离，但在检测非常光亮的表面时比较困难，此时传感器的安装角度就变得非常重要。

因为非常光亮的表面就象镜面一样，安装角度稍微一偏，多数的反射光就都反射走了，只有很小的一部分反射回接收器。如果被测物表面平行于传感器的检测头，则多数的直反式传感器能接收到反射回来的光。但是如果被测物是圆形表面（如金属桶）或被检测的金属薄片/薄膜经常发生颤动，则检测起来就会很不可靠。

宽光束直反式

了避免检测光亮物体时光的损失对检测性能的影响，尤其是近距离检测时，可以使用宽光束直反式传感器，没有聚光镜头，检测距离就会缩短，但同时也不必严格要求传感器镜头必须与光亮的被测平面平行。这是其优点所在。

对于任何接近检测模式的传感器，其检测距离受被测物大小及外形的影响。尺寸大的被测物反射回来的光的能量要比小的被测物多。

在2.5mm检测距离之内，宽光束直反式传感器的检测性能要比一般直反式的要好。因此如果传感器镜头能够贴近被测物检测，则宽光束直反式传感器能可靠检测细沙或电线这样的小物体。

聚焦式

外一种可以检测小物体的检测模式为聚焦式。多数聚焦式传感器是给发射器加装一个镜头，使发射光聚焦在镜头前面的某一点，同时接收器镜头的焦点也在此处。这样就在固定距离处形成了一个小的能量集中的检测区域。

聚焦式传感器对反射光的利用率很高，它能可靠检测一般直反式或宽光束直反式传感器所不能检测到的小物体和反光率非常低的物体。

检测距离－聚焦式

聚焦式传感器的检测距离是固定的，就是其焦距。这就要求传感器距离被测物非常近。

聚焦式传感器在焦点附近能可靠检测被测物，这一以焦点为中心的区域称为景深。景深的大小取决于传感器的设计和被测物的反光率。精密聚焦式传感器的景深是很小的，所以可以用来进行精确定位或外观的检测。

有时在检测某些物体时，需要忽略背景中静止或运动的物体。聚焦式传感器的一个特点就是能忽略景深以外的物体。请注意：景深的近点和远点也受被测物反光率的影响。（传感器有时检测不到反光率弱的被测物，但可能会检测到被测物后面反光率较强的背景。）

色标检测是聚焦式传感器的一个特殊应用，使用精密聚焦式传感器来检测色标，以对产品进行定位。在色标检测中，传感器光源的颜色非常重要，其中蓝绿色光源被证明具有更宽的使用范围，它甚至可以检测白纸上20%

的黄色。

激光聚焦式传感器可以产生一个能量集中，尺寸非常小的光斑，直径约0.25mm，非常适合于检测小的物体或做为机械手的定位传感器。由于其光束能量很强，所以常用来检测反光率很低的其他传感器不能可靠检测的物体。

定区域式

区域式传感器是一种光电接近式传感器，它具有很明确的检测范围，能忽略此范围以外的物体而不受此物体表面反光率的影响。

定区域式传感器是通过比较落在两个接收器上的反射光的多少来判断被测物是否出现。如果落在接收器R2上的反射光等于或多于落在R1上的反射光，则传感器检测到被测物。

可调区域式

就象定区域式一样，可调区域式传感器可以区分位于不同距离处的物体，在这种情况下，检测距离是可调的。可调区域式传感器的接收器能产生两个电流I1和I2，这两个电流的比值随反射光落在接收器上位置的不同而会有所变化。传感器关断点的位置与这个比值有直接的关系，此关断点的位置可通过电位器来调整，即使位于关断点以外的物体具有很强的反光率，传感器依然会将其忽略。

光纤式

实上，光纤式并不是一种具体的检测模式，使用不同的光纤可以组成不同的检测模式。使用分离式光纤可以组成对射式的检测模式，使用一体式光纤可以组成反射板式或接近式检测模式，特殊的光纤可以定制，下图的光纤是在检测头使用了特殊的结构，使其形成了聚焦式检测镜头。

超声波接近模式

交流电压供电后，超声波发生器产生震动。这种震动交替压缩和撞击空气分子使其不断地向外传送超声波，同时超声波发生器也能接收超声波的回波。

超声波传感器根据其发生器的不同分为：静电式和压电式，静电式传感器用来进行长距离检测，通常能达到6-7米。这种长距离的传感器常用来检测大容器的液位等。压电式传感器通常只有较短的检测距离，一般在1米左右，但密封较好，能用在恶劣的环境下。

通常与直反式光电传感器相比，超声波传感器较少受被测物表面特性的影响。但是，超声波发生器的表面与光滑平整的被测物表面之间的平行度要保持在3�之内（对于表面粗糙的物体，这个角度不太重要）。对于表面吸声的材料，如衣服或泡沫，使用超声波传感器很难检测。

同时，较小的物体反射回的波的能量很弱，所以选择传感器时，被测物的尺寸是非常重要的需要考虑的因素。当被测物沿垂直于传感器检测平面运动时，超声波传感器具有很高的重复精度，因而它们被广泛用来测量距离。

一些传感器具有可调整的检测窗口或模拟量输出，可输出一个与被测物距离成比例的电压/电流值。数字滤波器可使传感器具有抗电磁或其他声波干扰的能力，模拟量输出具有很高的线性度，带温度补偿的传感器适用于环境温度变化较大的场合。

在超声波接近式传感器中，也有超声波发生器与控制器分离的产品。这些小的超声波发生器可以安装在狭小的空间内，由控制器进行检测和输出控制。对射式的超声波传感器具有独立的发射器和接收器，是检测透明物体的理想产品。
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