光學(xué)傳感器的作用及解決方案

有時(shí)你不能使用傳統(tǒng)的傳感器。當(dāng)您的設(shè)計(jì)涉及布線挑戰(zhàn)，噪聲過(guò)濾問(wèn)題，電氣不友好的條件或其他惡劣或危險(xiǎn)的環(huán)境時(shí)，或者甚至當(dāng)您試圖處理傳感器在狹小空間中工作的大小時(shí)，這些問(wèn)題可能會(huì)在一起足以讓你遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的解決方案。在這些情況下，如果在合理預(yù)算范圍內(nèi)使用多個(gè)傳感器對(duì)大面積進(jìn)行檢測(cè)是目標(biāo)，那么工程師就可以考慮使用光學(xué)傳感器。

光學(xué)傳感器具有重要的特性，如電磁抗擾性，電氣隔離，寬動(dòng)態(tài)范圍和多路復(fù)用功能，并且結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。簡(jiǎn)而言之，光學(xué)傳感器將光線轉(zhuǎn)換成可由儀器讀取的電子信號(hào)。傳感器，測(cè)量裝置和光源通常被集成并連接到電觸發(fā)器，該電觸發(fā)器通過(guò)增加或減少電輸出來(lái)對(duì)信號(hào)變化做出反應(yīng)。光纖或集成光學(xué)電路中的信號(hào)從電路切換到電路。這些開關(guān)本質(zhì)上是機(jī)械的（涉及磨損），電光或磁光，其中最后兩個(gè)具有更長(zhǎng)的壽命。

光學(xué)傳感器測(cè)量距離，力和溫度的變化。使用四種不同的調(diào)制：強(qiáng)度，相位，頻率和極化。光學(xué)傳感器具有高動(dòng)態(tài)范圍，易于多路復(fù)用，可提供接觸式和非接觸式模式，并具有適合各種應(yīng)用的價(jià)格標(biāo)簽。

外部傳感器是指在通過(guò)返回或接收光纖繼續(xù)進(jìn)入探測(cè)器之前，光線離開傳輸光纖的傳感器。外部傳感器用于諸如溫度，壓力，液位和流量的應(yīng)用中。它們比內(nèi)在對(duì)應(yīng)物敏感度低，易于多路復(fù)用。然而，它們可能表現(xiàn)出入口/出口連接問(wèn)題。

對(duì)于內(nèi)在傳感器，光線不會(huì)離開光纖，而是在光纖內(nèi)部發(fā)生變化。該替代方案的應(yīng)用包括旋轉(zhuǎn)，加速，應(yīng)變，聲壓和振動(dòng)。這些傳感器比外部傳感器更難以復(fù)用，但連接挑戰(zhàn)較少。它們具有更復(fù)雜的信號(hào)解調(diào)功能，使用起來(lái)更加昂貴。

光學(xué)傳感器最常用的應(yīng)用包括能源，從電力，石油和天然氣應(yīng)用，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片監(jiān)測(cè)，海上平臺(tái)到電力線監(jiān)測(cè)。它們還用于在橋梁，機(jī)場(chǎng)著陸帶，水壩，鐵路，機(jī)翼，油箱和船體等環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)控。光纖傳感器可在惡劣條件下正常工作，包括高振動(dòng)，極熱，噪音，潮濕，腐蝕性或爆炸性環(huán)境。它們足夠小，可以放入狹窄的區(qū)域，并且柔軟的纖維可以精確定位在需要的地方。

兩種常見(jiàn)類型的光學(xué)傳感器是透射和反射傳感器。透射傳感器，也稱為中斷傳感器，包含一個(gè)彼此面對(duì)的紅外發(fā)射器和光電探測(cè)器（圖1）。當(dāng)物體位于傳感路徑中的發(fā)射器和探測(cè)器之間時(shí)，它會(huì)中斷或破壞發(fā)射器的光束。到達(dá)檢測(cè)器的光能量減少。光能或光電流的這種變化用于影響應(yīng)用中的事件。

圖1：透射式光學(xué)傳感器具有彼此面對(duì)的紅外發(fā)射器和光電探測(cè)器（由Vishay Semiconductor提供）。

反射式傳感器包含一個(gè)彼此相鄰的紅外發(fā)射器和光電探測(cè)器（圖2）。當(dāng)物體處于感測(cè)區(qū)域中時(shí)，發(fā)射的光被反射回光電探測(cè)器，并且到達(dá)探測(cè)器的光能量增加。光能或光電流的這種變化類似地用作應(yīng)用中的輸入信號(hào)。

圖2：反射型光學(xué)傳感器包含彼此相鄰的紅外發(fā)射器和光電探測(cè)器（由Vishay Semiconductor提供）。

一些值得注意的例子

Vishay Semiconductor的單通道TCPT1350X01和雙通道TCUT1350X01（圖3）是緊湊型透射傳感器，包括一個(gè)紅外發(fā)射器和一個(gè)或兩個(gè)光電晶體管探測(cè)器，面對(duì)面放置在一個(gè)表面貼裝封裝。 TCPT1350X01符合高工作溫度要求，適用于-40°C至+ 125°C的工作溫度范圍。兩個(gè)傳感器都具有光電晶體管輸出和0.3 mm的孔徑，每個(gè)傳感器的工作波長(zhǎng)為950 nm，濕度敏感度（MSL）為1.

3：Vishay的TCPT135X01和TCUT1350X01具有紅外發(fā)射器和一個(gè)或兩個(gè)光電晶體管探測(cè)器。

Vishay Semiconductors傳感器具有5.5 x 4 x 4 mm的緊湊尺寸，可提供1.6 mA的典型輸出電流測(cè)試。這些器件具有3.0 mm的間隙寬度，可以與各種材料一起使用，并且比具有較小間隙的傳感器具有更寬松的機(jī)械公差，非常適合汽車和工業(yè)應(yīng)用，例如用于編碼器和檢測(cè)的精確位置傳感器運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)雙通道，TCUT1350X01還可用于檢測(cè)電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)等應(yīng)用中的方向。

相比之下，Vishay的VCNL4000全集成接近和環(huán)境光傳感器與紅外發(fā)射器和I2C接口（圖4）是一個(gè)完全集成的接近和環(huán)境光數(shù)字16位分辨率傳感器，采用微型無(wú)引線封裝（LLP） ）用于表面安裝。它包括一個(gè)信號(hào)處理IC，并支持易于使用的I2C總線通信接口。

圖4：Vishay的VCNL4000系列是一款微型封裝的接近和環(huán)境光數(shù)字16位分辨率傳感器。

應(yīng)用包括：用于移動(dòng)設(shè)備的接近傳感器（如智能手機(jī)，觸摸電話，PDA和GPS），用于觸摸屏鎖定，省電等;集成環(huán)境光功能，用于顯示/鍵盤對(duì)比度控制和移動(dòng)設(shè)備的調(diào)光;用于消費(fèi)，計(jì)算和工業(yè)設(shè)備和顯示器的接近/光學(xué)開關(guān);和用于消費(fèi)者，計(jì)算和工業(yè)顯示器的調(diào)光控制。

TT Electronics/OPTEK Technology的OPB715Z光學(xué)反射物體傳感器系列（圖5）由一個(gè)封裝在紅外透射外殼中的GaAlAs LED和光學(xué)傳感器組成。該傳感器的特點(diǎn)是檢測(cè)0.5英寸的紙張，并具有較寬的工作距離范圍。這些設(shè)備旨在取代傳統(tǒng)的機(jī)械限位開關(guān)，這些開關(guān)需要長(zhǎng)壽命和可靠性。這些開關(guān)可輕松安裝到0.036英寸（0.914毫米）20號(hào)厚的材料中，矩形開口為0.315 x 0.472英寸（8.0 x 12.0毫米）。

圖5：TT Electronics的OPTEK技術(shù)OPB715Z光學(xué)反射物體傳感器為設(shè)計(jì)人員提供了多種選擇。

傳感器的面板安裝塑料外殼可屏蔽雜散光，并采用18英寸（457毫米）UL認(rèn)證的26-AWG引線端接。 LED是電流限制的，其輸出可以指定為TTL圖騰柱或TLL開路集電極。反向輸出選項(xiàng)可用于任一輸出配置。

內(nèi)置放大器的歐姆龍E3Z光電傳感器（圖6）是一款緊湊型傳感器，據(jù)稱可提供較長(zhǎng)的感應(yīng)距離，并具有出色的抗干擾能力，可抵抗來(lái)自逆變器和其他感性負(fù)載的干擾。 Photo-IC的直通光束距離可達(dá)15米，反光反射距離可達(dá)4米（設(shè)置反射器，傳感器可檢測(cè)光線是否從反射器反射回來(lái)），1米反射漫反射。

圖6：歐姆龍的E3Z傳感器包括一個(gè)內(nèi)置放大器，并提供長(zhǎng)感應(yīng)距離（由歐姆龍?zhí)峁?/p>

注塑技術(shù)確保IP67等級(jí)可承受水和灰塵。該器件具有開關(guān)可選，Light-ON/Dark-ON操作，并且是2米預(yù)接線型號(hào)的M8連接器。 NPN或PNP輸出型號(hào)可用。

具有光強(qiáng)度切換功能的E3Z傳感器還可以通過(guò)定期執(zhí)行傳感器測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。當(dāng)在多塵，骯臟的環(huán)境中使用傳感器時(shí)，由于附著在傳感器的檢測(cè)表面上的灰塵或污垢導(dǎo)致的接收光強(qiáng)度降低，可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。傳統(tǒng)的自診斷功能無(wú)法檢查光強(qiáng)度的操作余量，因?yàn)閭鞲衅魍Ｖ拱l(fā)光。但是，如果通過(guò)PLC發(fā)送的信號(hào)將事故級(jí)別切換為1/2時(shí)傳感器無(wú)法運(yùn)行，則可以確定運(yùn)行余量太小而需要維護(hù)。光學(xué)傳感器不僅適用于工業(yè)用途。他們正在蓬勃發(fā)展的安全和安全市場(chǎng)取得進(jìn)展，并在生物技術(shù)領(lǐng)域扎根，特別是作為測(cè)量體溫，血壓和肌肉位移的醫(yī)療傳感器。成像傳感器正在體內(nèi)用于觀察以及非侵入式掃描應(yīng)用?；瘜W(xué)傳感器識(shí)別和測(cè)量化合物和代謝變量的存在，檢測(cè)用于診斷的特定目標(biāo)元素，并且還用于測(cè)量體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。將所有這些發(fā)展添加到工業(yè)，消費(fèi)者和其他應(yīng)用中的當(dāng)前用途，用于感應(yīng)移動(dòng)，位置，接近度，環(huán)境光，速度和方向，并且很容易理解為什么對(duì)光學(xué)傳感器的加速需求不會(huì)很快減弱。