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光电传感器在自动控制领域的应用

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：凡小杰

[导读] 信息时代传感器是获取自然与生产中信息的主要途径和手段，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面具有重要作用。

凡小杰
        中国电子科技集团公司第五十三研究所   天津 300308


        摘要：信息时代传感器是获取自然与生产中信息的主要途径和手段，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面具有重要作用。光电传感器是目前产量最多应用最广的传感器之一，在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
        前言：光电传感器由于能完成光信号与电信号的转化，并且能很好地实现光与电的隔离，满足了很多电子系统和自动控制的性能要求，因而得到了广泛应用。光电传感器通过光电效应实现光与电的相互转换。笔者介绍了光电传感器的基本工作原理及其应用优势，分析了光电传感器的研究现状，然后以光电传感器在变电站通信控制系统中的应用为例进行了分析，为全面了解光电传感器的应用现状提供了参考。
        关键词：光电传感器；自动控制领域；应用；
        1.光电传感器原理及优势
        1.1光电传感器的基本原理
          光电效应是指物体因受到光辐射而吸收能量，使自身的电子发生了本质的变化。光电传感器是通过把光强变化转换为电信号的变化来实现光电转换的。光电传感器一般由发送器、接收器和检测电路三部分构成。发送器往往是光源，它向着接收器持续不断地发出光辐射。接收器接收到发送器发出的光辐射后，通过光电元件将其转换为电信号，该电信号的变化规律与所接收到的光辐射变化一致。检测电路对电信号进行进一步的处理，即可得到被测物理量的精确值。根据发射端（光源）与接收端（光电元件）的位置关系，可以将光电传感器分为槽型、对射型、反光板型和漫反射型四类。另外，还包括光纤式光电传感器、光电图像传感器等新型光电传感器件。
        1.2光电传感器的应用优势
        （1）检测距离长。采用对射型光电传感器，可以把检测距离增加到几十米至上百米，这是电磁、超声等其他检测方法无法做到的。适合用于大型生产线或受地理环境限制的户外测量。（2）检测对象随意。绝大多数光电传感器都是通过检测光路有无阻断来完成相应物理量的检测，显然光路是否通畅与被测物体本身的材料没有任何关系。因此，光电传感器适用于金属、玻璃、木材、塑胶、液体、气体等多种对象的检测，适用范围非常广泛。（3）多物理量检测。光电传感器可检测物体的有无、位置、颜色、成分、速度、方向等多种物理量，可以满足自动控制领域的很多控制需求，在大型控制设备和电子电路中起到了举足轻重的作用。（4）响应速度快。光电传感器是基于光和电的原理工作的，其内部几乎不包含任何机械执行机构，而光子和电子都以光速运动，其反应速度可忽略不计，完全可以满足自动控制系统中的响应速度要求。（5）非接触式检测。光电传感器通过光束的一收一发就能实现相应物理量的测量，简单快捷，无需任何附加的工具，也无需与被测物体发生直接的机械接触，是无损检测技术的重要分支。在很大程度上也提高了检测效率。
        2.光电式传感器分类
        2.1槽形光电传感器
          又叫做U型光电开关，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽，阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。因为槽形光电开关比较安全可靠，适合检测高速变化、分辨透明与半透明的物体。
        2.2对射式光电传感器
          对射式光电传感器就是发射器和接受器分开放置，发射器发送红外光给一定距离外的接受器接受形成通路。检测物通过时阻挡光路，接收器就动作，输出一个开关控制信号，因为发射器发出的光束只跨越感应距离一次，所以可以可靠地用于野外或粉尘污染较为严重的环境中。
        2.3反射式光电传感器
          把发射器和接受器装入同一个装置内，在装置一定距离放置一个反光板，将发射器的光线反射回接受器，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式光电开关。

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正常情况下，发射器发出的光被反光板反射回来被接受器接收；当光路被检测物挡住，接受器收不到光时，传感器产生输出，开关动作。这种光电传感器可以辨别不透明的物体，借助反射部件形成较大的有效距离范围，可以用于野外或粉尘污染较为严重的环境中。
        2.4漫反射式光电传感器
          　它的检测头里也装有一个发射器和一个接受器，没有反光板。正常情况下发射器发出的光接受器是收不到的；只有当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，接受器才收到光信号，然后输出一个开关控制信号。多见于公共厕所自动冲水系统，自动水龙头。
        2.5光纤式光电传感器
          　把来自光源的光用光纤引导到检测点，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。
        3.光电传感器在自动控制领域的应用
        3.1自动印刷
          传统的印刷行业中，很多工作都是流水线操作，一般是一人负责一道工序，生产力十分低下。现如今信息化的高度发展，随之而来的是传统的手工操作已经被光电传感器的技术所代替。采用光电开关来实现印刷机的自动化操作。印刷机进行正常工作时，检测器会对纸带上反射出来的信号进行精准而及时的捕捉。假如在印刷时出现了断纸状况，检测器将会在纸带断开处接收不到信号，但会自动采取一些操作，如停纸或停机等，继而使印刷机可以不被断纸缠绕住卷筒。在印刷行业中应用传感器技术，不但能够最大程度地有效提升生产率，还达到了解放生产力的目的，对社会的发展起到积极的促进作用。
        3.2光电色质
          针对于颜色的判别，光电传感技术有很强的应用能力。很早就应用在了工业领域的颜色分选中，现在已经趋于成熟。例如，在粮食生产方面，由于各种杂粮与谷物具有比较杂的颜色，对其进行人工分选难度特别大，光电传感器可以针对这个难题进行针对性解决。光电传感器可以依据光学的原理，对谷物等进行准确而快速的判断。针对于粮食的色质、色度与光泽等进行判断后，符合条件的物料可以继续加工，运用电压差把存在颜色偏差的物料淘汰出来，保质保量地完成粮食的分选工作。考虑到被测物本身的光学特性差异，就需要参照差异性来做好对应的分析处理，然后基于不同颜色的粮食来实现对应的分类，如机器中的大米色选机、杂粮色选机等。在包装产品之前，也需要完善其检测，一旦有颜色差异的存在，就需要直接接通电源，从而实现存在颜色差异物品的分离处理。
        3.3光电转速传感器
          在实施检测中，需要做好转速调制盘的安装处理，直接在盘上打上小孔，在转速盘中，白炽灯的光就会有恒定光在另一面存在。一旦满足检测要求，就会让其达到光敏二极管，最终形成光电转换器。如果光与发光二极管之间存在遮挡，就会导致其处于低电平输出的状态，就好比一个脉冲。如果有一个电动机添加在光电传感器的尾部，会做好多孔电动盘的设置，这样就可以直接形成诸多脉冲，在计算这一部分数据之后，就可以获取转速。再如自动的抄表系统，就能够运用光电的传感器对铝盘进行操作，从而使其转数转换成脉冲。接下来再运用计算机进行相应的数据处理，构成自动的抄表系统。
        3.4精密测量
          选择光电鼠标作为带有运动速度检测传感器，其准确性较高、价格低廉，并且使用个非常的方便，在配合上LabVIEW虚拟仪器以及数字式PID的变成控制的检测现实，这样就可以改装精度要求偏低、速度要求不高的设备，最终确保速度的稳定性，能够满足精密测量的要求。
        结语：光电传感器精度高、结构形式简单，在各个行业之中得到广泛的应用。光电传感器是基于光电效应工作的，是实现光电转换的关键器件，具有检测距离长、检测对象无限制、检测物理量多、响应速度快、非接触式检测等优点，在自动控制系统中占有极其重要的地位。随着光电传感器的集成化和产业化，以及无线光电传感器、光纤光电传感器、智能光电传感器和COMS图像传感器等新型光电传感器件的出现，未来的光电传感器市场正在被重新定义。
        参考文献：
        [1]梁潇怀.光电传感器在自动控制领域的应用[J].信息记录材料,2017,18(08):12-13.
        [2]丁红昌.绝对式单码道线位移光栅传感器原理与实现[D].长春:长春理工大学,2016.