光学传感器的作用及解决方案

有时你不能使用传统的传感器。当您的设计涉及布线挑战，噪声过滤问题，电气不友好的条件或其他恶劣或危险的环境时，或者甚至当您试图处理传感器在狭小空间中工作的大小时，这些问题可能会在一起足以让你远离传统的解决方案。在这些情况下，如果在合理预算范围内使用多个传感器对大面积进行检测是目标，那么工程师就可以考虑使用光学传感器。

光学传感器具有重要的特性，如电磁抗扰性，电气隔离，宽动态范围和多路复用功能，并且结构紧凑，重量轻。简而言之，光学传感器将光线转换成可由仪器读取的电子信号。传感器，测量装置和光源通常被集成并连接到电触发器，该电触发器通过增加或减少电输出来对信号变化做出反应。光纤或集成光学电路中的信号从电路切换到电路。这些开关本质上是机械的（涉及磨损），电光或磁光，其中最后两个具有更长的寿命。

光学传感器测量距离，力和温度的变化。使用四种不同的调制：强度，相位，频率和极化。光学传感器具有高动态范围，易于多路复用，可提供接触式和非接触式模式，并具有适合各种应用的价格标签。

外部传感器是指在通过返回或接收光纤继续进入探测器之前，光线离开传输光纤的传感器。外部传感器用于诸如温度，压力，液位和流量的应用中。它们比内在对应物敏感度低，易于多路复用。然而，它们可能表现出入口/出口连接问题。

对于内在传感器，光线不会离开光纤，而是在光纤内部发生变化。该替代方案的应用包括旋转，加速，应变，声压和振动。这些传感器比外部传感器更难以复用，但连接挑战较少。它们具有更复杂的信号解调功能，使用起来更加昂贵。

光学传感器最常用的应用包括能源，从电力，石油和天然气应用，风力涡轮机叶片监测，海上平台到电力线监测。它们还用于在桥梁，机场着陆带，水坝，铁路，机翼，油箱和船体等环境中进行监控。光纤传感器可在恶劣条件下正常工作，包括高振动，极热，噪音，潮湿，腐蚀性或爆炸性环境。它们足够小，可以放入狭窄的区域，并且柔软的纤维可以精确定位在需要的地方。

两种常见类型的光学传感器是透射和反射传感器。透射传感器，也称为中断传感器，包含一个彼此面对的红外发射器和光电探测器（图1）。当物体位于传感路径中的发射器和探测器之间时，它会中断或破坏发射器的光束。到达检测器的光能量减少。光能或光电流的这种变化用于影响应用中的事件。

图1：透射式光学传感器具有彼此面对的红外发射器和光电探测器（由Vishay Semiconductor提供）。

反射式传感器包含一个彼此相邻的红外发射器和光电探测器（图2）。当物体处于感测区域中时，发射的光被反射回光电探测器，并且到达探测器的光能量增加。光能或光电流的这种变化类似地用作应用中的输入信号。

图2：反射型光学传感器包含彼此相邻的红外发射器和光电探测器（由Vishay Semiconductor提供）。

一些值得注意的例子

Vishay Semiconductor的单通道TCPT1350X01和双通道TCUT1350X01（图3）是紧凑型透射传感器，包括一个红外发射器和一个或两个光电晶体管探测器，面对面放置在一个表面贴装封装。 TCPT1350X01符合高工作温度要求，适用于-40°C至+ 125°C的工作温度范围。两个传感器都具有光电晶体管输出和0.3 mm的孔径，每个传感器的工作波长为950 nm，湿度敏感度（MSL）为1.

3：Vishay的TCPT135X01和TCUT1350X01具有红外发射器和一个或两个光电晶体管探测器。

Vishay Semiconductors传感器具有5.5 x 4 x 4 mm的紧凑尺寸，可提供1.6 mA的典型输出电流测试。这些器件具有3.0 mm的间隙宽度，可以与各种材料一起使用，并且比具有较小间隙的传感器具有更宽松的机械公差，非常适合汽车和工业应用，例如用于编码器和检测的精确位置传感器运动速度。通过双通道，TCUT1350X01还可用于检测电子助力转向（EPS）系统等应用中的方向。

相比之下，Vishay的VCNL4000全集成接近和环境光传感器与红外发射器和I²C接口（图4）是一个完全集成的接近和环境光数字16位分辨率传感器，采用微型无引线封装（LLP） ）用于表面安装。它包括一个信号处理IC，并支持易于使用的I²C总线通信接口。

图4：Vishay的VCNL4000系列是一款微型封装的接近和环境光数字16位分辨率传感器。

应用包括：用于移动设备的接近传感器（如智能手机，触摸电话，PDA和GPS），用于触摸屏锁定，省电等;集成环境光功能，用于显示/键盘对比度控制和移动设备的调光;用于消费，计算和工业设备和显示器的接近/光学开关;和用于消费者，计算和工业显示器的调光控制。

TT Electronics/OPTEK Technology的OPB715Z光学反射物体传感器系列（图5）由一个封装在红外透射外壳中的GaAlAs LED和光学传感器组成。该传感器的特点是检测0.5英寸的纸张，并具有较宽的工作距离范围。这些设备旨在取代传统的机械限位开关，这些开关需要长寿命和可靠性。这些开关可轻松安装到0.036英寸（0.914毫米）20号厚的材料中，矩形开口为0.315 x 0.472英寸（8.0 x 12.0毫米）。

图5：TT Electronics的OPTEK技术OPB715Z光学反射物体传感器为设计人员提供了多种选择。

传感器的面板安装塑料外壳可屏蔽杂散光，并采用18英寸（457毫米）UL认证的26-AWG引线端接。 LED是电流限制的，其输出可以指定为TTL图腾柱或TLL开路集电极。反向输出选项可用于任一输出配置。

内置放大器的欧姆龙E3Z光电传感器（图6）是一款紧凑型传感器，据称可提供较长的感应距离，并具有出色的抗干扰能力，可抵抗来自逆变器和其他感性负载的干扰。 Photo-IC的直通光束距离可达15米，反光反射距离可达4米（设置反射器，传感器可检测光线是否从反射器反射回来），1米反射漫反射。

图6：欧姆龙的E3Z传感器包括一个内置放大器，并提供长感应距离（由欧姆龙提供）。

注塑技术确保IP67等级可承受水和灰尘。该器件具有开关可选，Light-ON/Dark-ON操作，并且是2米预接线型号的M8连接器。 NPN或PNP输出型号可用。

具有光强度切换功能的E3Z传感器还可以通过定期执行传感器测试来实现预防性维护。当在多尘，肮脏的环境中使用传感器时，由于附着在传感器的检测表面上的灰尘或污垢导致的接收光强度降低，可能会发生错误。传统的自诊断功能无法检查光强度的操作余量，因为传感器停止发光。但是，如果通过PLC发送的信号将事故级别切换为1/2时传感器无法运行，则可以确定运行余量太小而需要维护。光学传感器不仅适用于工业用途。他们正在蓬勃发展的安全和安全市场取得进展，并在生物技术领域扎根，特别是作为测量体温，血压和肌肉位移的医疗传感器。成像传感器正在体内用于观察以及非侵入式扫描应用。化学传感器识别和测量化合物和代谢变量的存在，检测用于诊断的特定目标元素，并且还用于测量体内的化学反应。将所有这些发展添加到工业，消费者和其他应用中的当前用途，用于感应移动，位置，接近度，环境光，速度和方向，并且很容易理解为什么对光学传感器的加速需求不会很快减弱。