到底光电感测器是什么
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到底光电感测器是什么

施努卡机器视觉 2020-11-23 9148 0


光电感测器是什么

光电感测器主要利用光线的各种性质,以检测物体是否存在或是表面状态之变化等。

光电感测器主要是由传送光线的投光部位和接收光线的受光部位所组成。当投射的光线被检测物体制遮蔽,或是反射回来时,到达受光部位的受光量就会产生变化。受光部位只要检测到任何变化,就会将其转换为电子讯号并加以输出。一般所使用的光线以可视光(主要为红色,绿色、红色则用来判别颜色)和红外线佔绝大部分。


特长

  1. 检测距离较长:以对照型为例,其检测距离可达到10m以上,长度为其他检测方法(磁力、超音波等)所望尘莫及。

  2. 对于检测物体的限制条件较少:不同于近接感测器,只能检测金属材质的物体,本感测器的检测原理为透过检测物体进行遮光,因此无论是玻璃、木材、液体等大部分的物体皆能检测。

  3. 应答时间短:光本身以极为高速的方式进行,除了架构感测器电路的电子零组件所需之机器动作时间外,本产品所需的应答时间极短。

  4. 解析度更高:藉由高阶的设计技术,让投光光束必变为较小的光点,而且由于本产品採用特殊的受光光学系统结构,因此能实现高解析度的目标。如此一来,甚至连微小物体检测或需要高精确度的位置检测等皆能迎刃而解。

  5. 以非接触方式完成检测:机器本身不需要接触到物体即可进行检测,无论是检测物体或感测器完全不会因此受损。如此即可长时间使用感测器。

  6. 进行颜色判别:检测物体所产生的光线反射率及吸收率依投光波长、检测物体的颜色组合而有所不同。本感测器就是利用此种性质,以检测出物体的颜色。

  7. 调整更简便:本产品的其中一种机型係採用投射可视光的方式,投光光束可一目瞭然,因此为检测物体定位时更简便。


原理

1. 光的性质

●直线前进

  当光线进入空气或水中,经常以直线方式前进。

  对照型感测器使用狭缝板来检测微小物体,就是运用光线的此种原理。


●折射

  当光线由折射率不同的介质,进入另一个介质面时,就会改变行进方向。


●反射(正反射、回归反射、扩散反射)

光线照射在像是镜子或玻璃等平面上后,反射回来的角度会和入射角相同,这就称之为「正反射」。

由3个平面直角相交后所组成的形状,即为所谓的「三面直角稜镜」。

将光线投射到三面直角稜镜后,光线就会反覆进行正反射,反射光最后到达方向与投光方向相反,这种反射方式就称之为「回归反射」。

原则上来说,大部分的回归反射板係由边角数公厘的三面直角稜镜正确排列而成。

另外,像是白纸等不具光泽性的表面,由于光会被反射到所有的方向,因此称之为「扩散反射」。扩散反射型产品的检测方式正是利用此种原理。


●偏光

光波的震动方向会与行进方向互相垂直。光电感测器主要使用LED作为光源。LED所投射出来的光线会朝与行进方向互相垂直的各种方向震动,此种反射方式称为「无偏光」。将无偏光的震动方向限制于单一方向的光学滤镜,即为所谓的「偏光滤镜」。换句话说,当LED投射光线后,通过偏光滤镜的光线仅会朝向单一方向震动,此种状态就称为「偏光」(正确地说,应称为「直线偏光」)。如此一来,朝向某个方向(例如:垂直方向)震动的偏光就能通过仅朝垂直方向震动(水平方向)的偏光滤镜了。


2. 光源

●亮灯方式

大部分的光电感测器多采用脉冲调变光,其原理就是会在固定周期内反覆进行投光。

此种方式不易受到外部干扰光所影响,适合长距离检测。内置防止互相干扰功能的机型,其投光週期会因干扰光线或外部干扰光的因素而在固定范围内改变。

●光源颜色及种类


3. 三角测距

距离设定型光电感测器所採用的检测原理,主要为三角测距法。下图所示为三角测距法的原理。

投光元件所投射的光线会被扩散并反射到检测物体上。反射光会透过受光透镜,成像在位置检测元件上(半导体元件会依光线与检测元件接触的位置输出讯号)。当检测物体被放置在靠近光学系统的位置A时,反射光会被成像在位置检测元件的a位置,若是放置在离光学系统较远的位置B,反射光就会成像于b的位置。因此,仅需测量位置检测元件上的成像位置,即可计算出和检测物体之间的距离。


分类

1. 依检测方式分类

(1)对照型

检测方式,投光器应设置于受光器的对面,以利投光器的光线投射进入受光器。当检测物体被放置于投光器与受光器之间,且光线被遮蔽时,进入受光器的光量就会减少。本产品可判别光量是否减少,并藉此进行检测。

此外,本产品的检测方式与对照型相同,在感测器的形状方面,投光部位一体成型,即称之为「沟型」。


特长

动作稳定度高,检测距离长(数cm~数十m),即使检测物体的通过路径改变,检测位置仍不变,不易受到检测物体的光泽、颜色及倾斜度所影响


(2)扩散反射型

检测方式

投光器与受光器一体成型,光线不会回到通常受光部位。当投光部位所投射出来的光线一碰到检测物体,检测物体所反射出来的光线就会进入受光部位,并让受光量增加。

本产品可判别光量是否减少,并藉此进行检测。


特长


检测距离为数cm~数m

安装调整更简便

根据检测物体的表面状态(颜色、凹凸面),反射光量、检测稳定性及距离皆不相同


(3)回归反射型

检测方式

採用投光器、受光器一体成型的方式,通常投光器所投射出来的光线会被反射到设置于对面的反射板上,然后再回到受光部位。当检测物体的光线被遮蔽时,进入受光部位的光量就会减少。

本产品可判别光量是否减少,并藉此进行检测。


特长


检测距离为数cm~数m

配线及光轴调整更轻鬆(减少工时)

不易受到检测物体的颜色、倾斜度影响

光线会通过检测物体2次,因此适合用来检测透明物体

当检测物体的表面为镜面时,一旦表面接收到反射光,就如同未放置检测物体状态,如此将造成感测器无法检测。这时候,只要利用MSR功能,问题即可迎刃而解

近距离具有盲区


(4)距离设定型

检测方式

感测器的受光元件採用两分割光电二极体或位置检测元件。从检测物体反射过来的投光光束会在受光元件上成像,且成像位置随检测物体的距离而改变、也就是利用「三角测距」原理来进行检测。

下图所示的是使用两分割光电二极体的检测方式。两分割光电二极体的其中一端(靠近外壳端)称之为N (Near)侧,另一端则称之为F (Far)侧。当所设定距离的位置内存在检测物体时,反射光会在N侧和F侧的中间点成像,此时两侧的光电二极体所接收到的光量相等。当检测物体被放置于比设定距离更靠近感测器的位置时,反射光则会在N侧成像。反之,当检测物体存在于比设定距离更远的位置时,反射光会在F侧成像。此时,只要计算感测器通过计算N侧受光量和F侧受光量的差值,即可判断出检测物体的位置。


(5)限定反射型

检测方式

与扩散反射型一样,采用接收来自检测物体的反射光的方式来进行检测。拥有限定投射光束与受光区域的光学系统,因此感测器只能检测与感测器之间保持固定距离(投光光束及受光区域重叠的范围)的检测物体。


特长


可检测出微小的高度差

可限定与感测器之间的距离,并只在此范围内有检测物体时进行检测

不易受到检测物体的颜色所影响

不易受到检测物体光泽、倾斜度影响


2. 依检测方式选择时之重点

● 对照型/回归反射型的确认事项


检测物体


大小、形状(长×宽×高)

透明度(不透明体/半透明体/透明体)

移动速度V (m/s或个/分)


感测器

检测距离(L)

形状及大小限制

a. 感测器

b. 回归反射板(回归反射型时)

是否採多个密合安装

a. 台数

b. 安装间距

c. 可否採取交错安装方式

安装限制(角度是否正确等)


环境

环境温度

水、油、药品等是否飞散

其他


● 扩散反射型、距离设定型、限定反射型的确认事项


检测物体


大小、形状(长×宽×高)

颜色

材质(铁、SUS、木头、纸等)

表面状态(粗糙、有光泽)

移动速度V (m/s或个/分)


感测器

检测距离(与工件之间的距离)(L)

形状及大小限制

是否採多个密合安装

a. 台数

b. 安装间距

安装限制(角度是否正确等)


背景

颜色

材质(铁、SUS、木头、纸等)

表面状态(粗糙、有光泽等)


环境

环境温度

水、油、药品等是否飞散

其他

 

3. 依结构分类

光电感测器通常由投光部位、受光部位、放大部位、控制部位及电源部位等所组成,根据其构成状态,可分为以下几类:


(1) 增幅器分离型

只将投光部和受光部分离,分别架构投光器和受光器(对照型),或者製作成一体成型的投光器受光器(反射型)。其他放大部位和控制部位则製作成一体成型的放大器单元。


特长


投光器受光器仅由投光元件、受光元件以及光学系统等组成,因此体积更精巧

投光器、受光器即使被设置于狭小的场所,也能在远端进行感度调整

投光、受光部位与放大器单元之间的讯号线易受干扰所影响

代表机种(放大器单元):E3NC型、E3C-LDA型、E3C型


(2) 放大器内建型

电源部位以外为一体型(对照型分为包含投光部位的投光器和包含受光部位、放大部位及控制部位的受光器)。电源部位则单独製作成电源模组。



特长


受光部位、放大部位及控制部位採一体成型方式,负责微小讯号接收的讯号线不需要迂迴绕接,因此不易受到干扰影响

配线工时低于放大器分离型

一般来说,体积虽然大于放大器分离型,但无感度调整功能型的体积轻巧,毫不逊于前者

代表机种:E3Z型、E3T型、E3S-C型


(3) 电源内建型

从投光器、受光器到电源部位皆採一体成型方式。


特长


可直接连接商用电源,且受光器可以提供直接容量较大的控制输出

投光器、受光器内置电源变压器等,因此与其他类型相比,体积更为庞大

代表机种:E3G-M型、E3JK型、E3JM型


(4) 区域感测器

投光部、受光部为多光轴(对照型)配合用途可以选择感测器的检测幅度


标签:光电转换

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