光電感應器介紹

所有光電感應器具備同樣的基本組成:

  • 外殼 – 各種形狀、尺寸和構造材料
  • 基本感應元件 – 因技術而異,但一律包含一個鏡頭系統
  • 電子元件 – 評估感應器檢測到的內容
  • 電氣連接 – 提供電源和訊號

認識電磁輻射光譜,有助於光電感應器發揮最佳應用效果。宜福門光電感應器使用可見光 (主要是紅光) 和紅外線的頻譜範圍。

可見紅光
是最佳的「全方位」光源,建議大多數應用。宜福門的感應器多以可見紅光為主。
優點 缺點
在短量程應用中清楚易見好設定 長量程受顏色影響

 

紅外線
優點 缺點

大部分量程不受顏色影響

適合應用於髒污環境 – 具有「穿透」灰塵、薄霧、蒸汽等的能力 。

肉眼不可見,設定更加困難

 

雷射
Advantages Disadvantages

能檢測長量程的小目標物

小光點提供精確的切換點

紅光清楚易見好設定

雷射 LED 通常比標準的紅光或紅外線 LED 更昂貴

 

術語說明

調變光 – 每個感應器藉特有的頻率,從發射器射出脈衝光,接收器則調為專門檢測該頻率的調變光,忽略其他地方投來的環境光。

切換頻率 – 感應器在目標物進出檢測區域時的離散脈衝最高傳遞速度。簡而言之,就是目標經過時的感應器切換速度。

對比度 – 兩個物體的色差和亮度差。白色是最容易檢測的顏色,而黑色最難檢測。

光點 – 發射光在既定距離的直徑。光點大小通常在規格書上以最大量程表示,並且是發射器透鏡光圈角度的函數。

有效光 – 為使感應器切換狀態,必須完全阻斷光束區域。在光束中斷時切換的感應器 (即對照式感應器和偏光反射板式感應器) 能發出有效光,直接從目標物反射光的感應器 (即漫反射感應器) 則不發出有效光。

亮通模式 – 接收器若檢測到光,輸出將變更為亮通。

暗通模式 – 接收器若未檢測到光,輸出將變更為暗通。

過量增益 – 感應器實際接收到的光能與變更輸出狀態所需光能的比值。增益值 1 是切換輸出所需最小值,超過此值一律視為過量增益。這對於確定污染區域中的感應器是否正常運作很有用。

最大過量增益 作業環境髒污度
1.5X 乾淨:鏡頭或反射鏡表面不積灰塵。
5X 微髒。鏡頭或反射鏡表面有少許灰塵、污垢、油、濕氣;定期清潔。
10X 中度髒污:鏡頭或反射鏡表面有明顯髒污,但未被遮蓋;不定期或視需要清潔。
50X 極髒污:鏡片有重度髒污情形;嚴重起霧、薄霧、灰塵、煙氣或油膜;極少清潔。

 

對照式感應器

Through-beam sensor (對照式感應器) 也稱為 through-beam pair。發射器和接收器置於不同機體,並且安裝在對視位置,由發射器透鏡將光投向接收器透鏡。

目標物的阻斷造成接收器光線不足時,輸出變更狀態。在目標物夠大、夠堅固而能阻斷有效光的情況下,顏色、形狀、角度、反射率和表面光潔度便不至於影響應用,因此比運用目標物反射光的漫反射感應器更加可靠。

優點 缺點
  • 長量程
  • 高過量增益 (髒污環境的最佳選項)
  • 整個量程的有效光一致
  • 可靠地檢測不透明物體
  • 整個量程無「死區」
  • 發射器和接收器是分開的機體,零件號不同
  • 必須替兩個機體安裝、佈線,使安裝成本增加
  • 對照式感應器具有高過量增益,能穿過透明和半透明物體

有效光的直徑約相當於發射器和接收器透鏡直徑,在兩端之間保持一致。只要目標物尺寸至少大於有效光,在它阻斷光束時,輸出便會切換。

對照式感應器的輸出:

  • 檢測區內目標物時調為亮通模式。
  • 檢測區內目標物時調為暗通模式。

安裝須知

 

安裝多組對照式感應器時,請注意別讓一個感應器的發射光干擾到其他接收器。如圖所示,簡單的解決方法是將發送器和接收器位置對調。

高反射性物體穿過光束時,可能將光反射到無關的接收器上而造成錯誤訊號。一個簡單的解決方法是隔開感應器以防止雜散反射。

太陽光有一部分波長與光電感應器的發射器相同,所以十分明亮的環境光可能常造成接收器判斷錯誤。常見情況是住宅車庫門的光電感應器被某個角度陽光干擾運作。可行的解決方法包括調整感應器角度, 將陽光隔開,或是調換發射器和接收器的位置。

偏光反射板式感應器

發射器和接收器置於同一機體內,並在對面安裝一反射鏡。光從發射器透鏡傳遞至反射鏡,再反射回接收器透鏡。

運作原理同於對照式感應器。目標物阻斷造成接收器光線不足時,輸出變更狀態。在目標物夠大、夠堅固而能阻斷有效光的情況下,顏色、形狀、角度、反射率和表面光潔度便不至於影響應用,因此比運用目標物反射光的漫反射感應器更加可靠。

優點 缺點
  • 光束路徑是對照式感應器的兩倍長,屬於中量程應用。
  • 單一機體設計,減少購置安裝成本
  • 內建偏光濾鏡,能可靠地檢測有光澤物體
  • 反射鏡易於安裝
  • 可靠地檢測不透明物體
  • 整個量程無「死區」
  • 具有較低的過量增益,甚至低於漫反射感應器,因為反射鏡造成能量損失
  • 除非使用特殊「透明物體」型號,否則無法可靠地檢測透明物體
  • 有效光直徑不一致

偏光反射板式感應器的有效光呈錐形。光束直徑在感應器近處約與發射器透鏡同等大小。在反射鏡近處則與反射鏡同等大小,這代表在感應器近處能檢測較小物體,但在接收器近處不見得能檢測到。

偏光反射板式感應器的輸出:

  • 檢測區內目標物時調為亮通模式。
  • 檢測區內目標物時調為暗通模式。

偏光反射板式感應器必須配合棱鏡反射鏡使用。反射鏡設計為將入射光束旋轉 90 度。感應器透鏡上的偏光濾鏡使光波永遠朝單一方向,光波到了反射鏡位置再被旋轉為配合接收器上偏光濾鏡的方向。

有光澤目標物可能將高強度光反射回感應器,但由於光線方向不正確,因此目標物不會造成錯誤訊號。

漫反射感應器

漫反射感應器將發射器和接收器置於同一機體。發射光從目標物反射回感應器,由接收器進行評估。為您的應用選擇正確的解決方案時,請務必仔細考慮目標物和其後方背景的特性。漫反射感應器的過量增益比對照式感應器低得多,但通常高於偏光反射板式感應器。

漫反射感應器靈敏度非常高。從目標物反射的發射光能量當中,只有 2% 會導致輸出切換。

優點 缺點
  • 無需安裝反射鏡或第二機體即可直接檢測
  • 購置安裝費用低於對照式感應器和偏光反射板式感應器
  • 短量程
  • 極易受目標物的特徵影響,譬如顏色、材質、尺寸和形狀
  • 具反光性或離目標物很近的背景可能使檢測喪失可靠性。
  • 反射性強的背景 (例如窗戶玻璃或衣服反光布條) 可能導致檢測超出感應器量程

目標物的影響因素:

大型物體可反射更多光,因此量程更長。

使用紅光感應器時,長量程能檢測到亮色物體。紅外線感應器受目標物顏色的影響則要小許多。相較於平坦或無光澤面,有光澤面更能在長量程被檢測到。

光滑表面的反射性優於粗糙表面。舉例來說,藍色光滑塑膠目標物比藍色天鵝絨目標物反射更多光。

平坦目標物在與感應器垂直的情況下,比其他角度反射更多光。同樣的,非平坦目標物容易使光偏離感應器,導致能量和量程損失。

背景干擾
漫反射感應器檢測從任何地方反射到接收器的光。背景反射光看起來無異於目標物反射光,在背景的反射性比目標物強又非常接近後者的情況下,這種干擾特別麻煩。

減少背景干擾的方法:

  1. 以深色無光漆塗覆在背景表面。
  2. 調整感應器相對於背景的角度。
  3. 調低感應器的靈敏度,使背景「消隱」。
  4. 使用內建背景消隱功能的漫反射感應器。

具背景消隱功能感應器

這是一種專為消除背景干擾而設計的漫反射感應器,運用多種技術實現背景消隱功能,包括固定量程、三角測量法、二極體陣列、PMD 光飛行時間

優點 缺點
  • 無背景干擾
  • 無需安裝反射鏡或第二機體即可直接檢測
  • 購置安裝費用低於對照式感應器和偏光反射板式感應器
  • 提供不受顏色影響的短量程應用版
  • 量程不如標準漫反射感應器
  • 價格高於標準漫反射感應器
  • 短量程
  • 極易受目標物的特徵影響,譬如顏色、材質、尺寸和形狀
  • 感應器表面近處可能有「死區」

 

固定量程
發射器和接收器透鏡以一定角度放置,構成檢測區域。檢測區域內的物體將光反射到接收器透鏡受檢測,檢測區域外的物體 (不論遠近) 則不具備將光反射回接收器的幾何條件。這種方法一般應用於短量程,而且無法調整。

三角測量法
此一技術使用兩個接收元件來實現背景消隱功能。電位器負責進行調整,以機械方式調整鏡片位置來決定兩個接收器分別針對目標物和背景的檢測點,接著使感應器調整至兩點正中間。感應器評估接收光角度,以判定接收光來自目標或背景。

二極體陣列
此法類似三角測量法,不同處是接收器採用 63 二極體陣列。安裝其他接收器能實現精確的背景消隱 (即目標物和背景可能十分接近)。二極體陣列感應器配備微處理器,並以電子方式透過按鈕編程。

PMD 光飛行時間技術
光子混合組件 (PMD) 測量感應器和目標物之間的光往返時間,藉以確定感應器和物體 (以及感應器和背景) 的距離。

雷射二極體發出的調變雷射光被目標反射,經由透鏡導回感光晶片 (PMD Smart Pixel) 上,在晶片比對光波之下判斷目標物距離。

Diagram of sensor using time of flight technology

光波從雷射光源傳播出去。光從目標物反射回來時,產生與距離成正比的相移。

這項獨家技術的功能:

  • 穩定檢測小反射體
  • 不受顏色和角度影響,可快速安裝
  • 透過 IO-Link 測量距離資訊

宜福門的 ODG、O1D、O5D、OID 雷射測距感應器皆使用這項技術。