光电传感器的特点及技术进展

作者：沈阳仪表科学研究院 徐开先

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 光电传感器是基于光电效应的传感器，通常由光源、光路、光电元件构成。所谓光电效应，是指当光照射到某种物质时，该物质的导电特性发生变化的一种物理现象。 根据光电效应原理，光电传感器可分为： ● 外光电效应：光电管、光电倍增管等。 ● 内光电 按光电传感器信号形式可分为： ● 模拟式光电传感器：位移式光电传感器； ● 数字式光电传感器：转速传感器、光栅式传感器等。 通常，光电传感器还包括光纤传感器、固体图像传感器。 光电传感器的应用可归纳为四种基本形式：直射式（辐射式）、吸收式、遮光式、反射式。 如图1， WORLD-BEAM Q20系列光电传感器产品具有优良的光学性能，采用业界通用的标准传感器外壳，可用于材料处理、制造自动化、错误检测、长距离物体检测或故障检测。 光电传感器的特点 可实现非接触测量 光电测量时不与被测对象直接接触，不会对被测物体和传感器造成损伤，理论上能长期使用。 对被测物体限制少 由于光电传感器检测物体时，以检测物体引起的遮光、反射、直射为检测原理，所以可对金属、玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。 响应时间短 光本身具有高速的特性，且传感器电路都有电子器件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间极短。 分辨率高 能通过设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 可实现颜色判别 利用被测物体形成的光的反射率和吸收率，根据被投光的光线波长和被测物体的颜色组合的差异性，可对被测物体的颜色进行检测。 便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对被测物体的位置进行调整。 光电传感器存在的问题是：价格较高，对测量环境的要求也较高。 光电传感器的技术进展 ● 产品性能向智能化和多功能方向发展 光电传感器在性能上具有自检测、在线操作的功能，在应用中还能实现自动补偿、自动校正、数据存储、判决决策等功能，对外界环境变化有自适应功能。光电传感器产品的智能化，不仅体现在产品的功能上，还体现在用户的操作使用上，客户只要通过相应的产品手册，就可方便地使用产品，通过调试辅助软件，将需要的参数输入系统，就可完成相应的设置，非常方便。“一键设置”就是这种趋势的典型体现，如施克传感器公司的光电开关，灵敏度调节、背景遮蔽的自学习，都可通过一键来设置、存储和操作，很快就可以自动完成，这样的功能不仅提高了工作效率，在客户对光电传感器解决方案的接受和适应上也很有意义。 ● 产品结构向小型化和微型化方向发展 传统的光电传感器往往体积较大，功能不完善，其性能指标精确性、可靠性、灵敏度等很难满足现场复杂环境的需求，随着新材料的应用，传感器操作系统友好界面的提出，要求传感器配有标准的输出模式，节省材料，降低成本，光电传感器外型结构向小型化、微型化发展是必然趋势。 光电传感器为了向小型化、微型化方向发展，传感器内部芯体的集成化趋势也很明显，使传感器占有空间减小，使得产品的整体设计灵活，有利于整体性能提高。 ● 产品应用向适用性、耐用性方向发展 光电传感器应用场合千差万别，应用环境严苛不一， 有时需耐高（ 低） 温、耐高湿热， 有冲击、振动、腐蚀等情况；有时为普通环境；有时要求产品有高的性能指标，高可靠性、高精度、快速反应；但有时要求产品廉价，并不追求高指标；有时要求维护、安装方便、体积小巧；有时要求坚固耐用等。光电传感器的制造厂商应根据现场应用环境，推出适用性强、耐用性好的产品，采用差别化设计和个性化制造，关键是要有好的性/ 价比， 而不是一味地追求高指标。采用新材料、新设计、新测量技术，是光电传感器制造厂商满足现场适用性、耐用性的根本出路。 如美国邦纳公司最近开发出一款VSM系列微型光电传感器，可应用于需高柔性、高震动场合，也可作为电感式接近开关和光纤传感器的替代产品，应用于一些特殊场合，如太阳能极板及圆晶片的检测场合。其主要特点是：坚固的不锈钢外壳，蓝宝石镜头；防护等级IP67级，能抵抗大部分化学物质；非常小巧，整个传感器直径为4mm；高性能——先进的聚焦光学设计，保证检测范围的一致性；狭窄光束，能够在设备中嵌入安装。该传感器具有广泛的应用场合，适合于食品、饮料、医疗设备检测，以及其他对光滑表面、卫生要求等级高的场合。 ● 产品生产向规模化和专业化方向发展 2008年国内光电传感器的销售额为6.96亿元人民币，2009年受世界经济影响，略有下降，2010年约为8亿元人民币。主要应用于冶金行业（占27.5％）、汽车行业（26.5％）、电力行业（ 2 0 . 0 ％ ） 、电子行业（ 占18.9％），但轨道交通和风电行业其应用幅度在增加。 国内从事光电传感器的厂商，据初步统计有近400家，主要集中在长三角和珠三角地区，这些厂商产品水平高低不一，工装水平良莠不一，产业规模大小不一，应用领域侧重不一，尚未形成国内的龙头企业和知名品牌，主要应用于低端产品市场，与国际差距甚大。从提高效益、降低成本、绿色环保、低碳经济出发，应该走生产规模化、产品专业化之路，对光电传感器生产厂商重新洗牌，兼并重组，提升产品的核心竞争力，进行产业结构调整，形成若干家光电传感器的龙头企业，有着自主知识产权的著名品牌。 光电传感器的应用 光电传感器在应用时要注意两方面的问题，一是光电元件的选用，二是工作环境的要求。 光电元件品种很多，而且性能差异很大，各类元件都有一些独特的性质，所以选用合适的光电元件不仅可以得到满意的性能，也能得到最合适的性/价比，表1给出了几种常用的光电元件的主要特性。 选择光电传感器时的另一项决定因素是工作环境。一些行业（如食品与汽车行业等）的工作环境可能会很脏或很危险，或二者兼有。在处理食品时，湿度可能较高，并且现场环境中有很多液体。处理引擎或其他零件的汽车制造厂车间，也可能会有沙子、润滑剂和冷却剂等。在这种情况下，必须考虑光电传感器的环境适应性，如果传感器不能适应污垢环境，就不能被使用。这种考虑还会影响所需的检测范围，因为可能需要将光电传感器放置在离恶劣环境更远的位置上（而不是放在所需的位置）。如果指示灯被弄脏或信号减弱，那么能够主动警示和通知是很有帮助的。 类似的环境问题也会影响传感器的尺寸，尺寸的变化可以从比一个手指还小到比张开的手掌还大。小尺寸传感器比大尺寸传感器要贵，因为将所有部件都装入一个小空间内的成本更高。小尺寸传感器收集光线的面积更小，一次检测范围更小，光学性能更低。这些缺点必须克服，以便小尺寸传感器能更好地与可用物理空间相匹配。 此外，光电传感器主要应用于冶金、汽车、电力、航空航天、化工、公共设施、军工、制药、交通、建材、石化、造纸、市政等行业。此外，光电传感器的创新应用主要有：工厂自动化、温度测量与控制、火焰探测与报警、光控大门（位置）、智能电网等。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/6/2012)