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     德國BALLUFF巴魯夫光電傳感器BOS01JP原理概述及結(jié)構(gòu)分析

BALLUFF光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種器件。其工作原理基于光電效應。光電效應是指光照射在某些物質(zhì)上時，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生了相應的電效應現(xiàn)象。根據(jù)光電效應現(xiàn)象的不同將光電效應分為三類：外光電效應、內(nèi)光電效應及光生伏應。光電器件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。分析了光電器件的性能、特性曲線。

BALLUFF光電傳感器一般由處理通路和處理元件2 部分組成。其基本原理是以光電效應為基礎(chǔ)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電效應是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應的電效應。通常把光電效應分為3 類：（1 ）在光線作用下能使電子溢出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應，如光電管、光電倍增管等；（2 ）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應，如光敏電阻、光敏晶體管等；（3 ）在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏應，如光電池等。

光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。

BALLUFF光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（可見及紫外鐳射光）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。

光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電物理量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為BALLUFF光電傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。

由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式BALLUFF光電傳感器和脈沖(開關(guān))式BALLUFF光電傳感器。模擬式BALLUFF光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式BALLUFF光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式，漫反射式，遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。

光敏二極管是常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參與導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。

光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三極管的穿透電流還??；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，發(fā)射極電流Ie=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。

工作原理

BALLUFF光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。

BALLUFF光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。

發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。

此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導纖維。

分類和工作方式

⑴槽型BALLUFF光電傳感器

把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)組成槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作，輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。

⑵對射型BALLUFF光電傳感器，若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大，一個發(fā)光器和一個收光器組成對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。對射式光電開關(guān)的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用對射式光電開關(guān)時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。

⑶反光板型光電開關(guān)

把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用，稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光源被反光板反射回來再被收光器收到;一旦被檢測物擋住光路，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。

⑷擴散反射型光電開關(guān)

擴散反射型光電開關(guān)的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但擴散反射型光電開關(guān)前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。在檢測時，當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)信號。

沒有信號輸出的原因

首先要考慮的是接線或配置的問題。對于對射型BALLUFF光電傳感器必須由投光部和受光部組合使用，兩端都需要供電；而回歸反射型必須由傳感器探頭和回歸反射板組合使用；同時，用戶必須給傳感器提供穩(wěn)定電源，如果是直流供電，必須確認正負極，如若正負極連接錯誤則會導致輸出信號沒有。

上述的原因分析是對BALLUFF光電傳感器本身的考慮，我們還需要考慮的是檢測物體的位置問題，如果檢測物體不在檢測區(qū)域，這樣的檢測是徒勞的。檢測物體必須在傳感器可以檢測的區(qū)域內(nèi)，也就是光電可以感知的范圍內(nèi)。其次，要考慮傳感器光軸有沒有對準問題，對射型的投光部和受光部光軸必須對準，對應的回歸反射型的探頭部分和反光板光軸必須對準。同樣還要考慮的是檢測物體是否符合標準檢測物體或者最小檢測物體的標準，檢測物體不能小于最小檢測物體的標準，從而避免導致對射型、反射型不能很好檢測透明物體，像反射型對檢測物體的顏色有要求，顏色越深，檢測距離就越近。

如果以上情況都可以很明確地做出排除后，我們需要做的事就是檢測環(huán)境的干擾因素。如光照強度不能超出額定范圍；如果現(xiàn)場環(huán)境有粉塵，就需要我們定期清理BALLUFF光電傳感器探頭表面；或者是多個傳感器緊密安裝，互相產(chǎn)生干擾；還有一種影響比較大的是電氣干擾，如果周圍有大功率設備，產(chǎn)生干擾時必須要有相應的抗干擾措施。如果做過上述的逐一排查，這些因素都可以明確地排除還是沒有信號輸出的話，建議退回廠家檢測判斷。

結(jié)構(gòu)分析

BALLUFF光電傳感器通常由三部分構(gòu)成，它們分別為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。

發(fā)射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈做為光源，這些小而堅固的白熾燈傳感器就是如今BALLUFF光電傳感器的雛形。

接收器有光電二極管、光電三極管及光電池組成。光敏二極管是現(xiàn)在常見的傳感器。BALLUFF光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小稱為光敏二極管的暗電流;當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。

此外，BALLUFF光電傳感器的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導纖維。角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置，它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，仍從這根反射線返回。

類型

⑴槽型BALLUFF光電傳感器

把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。

⑵對射型BALLUFF光電傳感器

若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。

⑶反光板型光電開關(guān)

把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。

⑷擴散反射型光電開關(guān)

它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到信號，輸出一個開關(guān)信號。

標準類型

1）漫反射型：一般型或能量型 (-8)，聚焦式 (-8-H)，帶背景抑制功能型 (-8-H)，帶背景分析功能型 (-8-HW)

2）反射板型：一般型 (-6)，帶偏振濾波功能型 (-54, -55)，帶透明體檢測功能型 (-54-G)，帶前景抑制功能型 (-54-V)

3）對射型

4）槽型

5）光纖傳感器：塑料光纖型，玻璃光纖型

6）色標傳感器，顏色傳感器，熒光傳感器

7）光通訊

8）激光測距：三角反射原理型，相位差原理型，時間差原理型

9）光柵

10）防爆/隔爆型

特長

①檢測距離長

如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法遠距離檢測。

②對檢測物體的限制少

由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定在金屬，它可對玻璃、塑料、木材、液體等幾乎所有物體進行檢測。

③響應時間短

光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。

④分辨率高

能通過高級設計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。

⑤可實現(xiàn)非接觸的檢測

可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。

⑥可實現(xiàn)顏色判別

通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測物體的顏色進行檢測。

⑦便于調(diào)整

在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。

用光電元件作敏感元件的BALLUFF光電傳感器，其種類繁多，用途廣泛。按BALLUFF光電傳感器的輸出量性質(zhì)可分為兩類：（1 ）把被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流而制成的光電測量儀器，可用來測量光的強度以及物體的溫度、透光能力、位移及表面狀態(tài)等物理量。例如：測量光強的照度計，光電高溫計，光電比色計和濁度計，預防火災的光電報警器，構(gòu)成檢查被加工零件的直徑、長度、橢圓度及表面粗糙度等自動檢測裝置和儀器，其敏感元件均用光電元件。半導體光電元件不僅在民用工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應用，在軍事上更有它重要的地位。例如用硫化鉛光敏電阻可做成紅外夜視儀、紅外線照相儀及紅外線導航系統(tǒng)等；（2 ）把被測量轉(zhuǎn)換成繼續(xù)變化的光電流。利用光電元件在受光照或無光照射時" 有" 或"無"電信號輸出的特性制成的各種光電自動裝置。光電元件用作開關(guān)式光電轉(zhuǎn)換元件。例如電子計算機的光電輸入器，開關(guān)式溫度調(diào)節(jié)裝置及轉(zhuǎn)速測量數(shù)字式光電測速儀等。

一、煙塵濁度監(jiān)測儀

防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

二、條形碼掃描筆

當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止狀態(tài)。當遇到白色間隔時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導通。整個條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號，該信號經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計算機處理，完成對條形碼信息的識別。

三、產(chǎn)品計數(shù)器

產(chǎn)品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋光源到BALLUFF光電傳感器的光路，使光電脈沖電路產(chǎn)生一個個電脈沖信號。產(chǎn)品每遮光一次，BALLUFF光電傳感器電路便產(chǎn)生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目，該脈沖經(jīng)計數(shù)電路計數(shù)并由顯示電路顯示出來。

四、光電式煙霧報警器

沒有煙霧時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號輸出，發(fā)出報警。

五、測量轉(zhuǎn)速

在電動機的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，轉(zhuǎn)動時，反射光與不反射光交替出現(xiàn)，BALLUFF光電傳感器相應地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經(jīng)放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機的轉(zhuǎn)速。

六、光電池在光電檢測和自動控制方面的應用

光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不*相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。

應用案例

BALLUFF光電傳感器應用于激光

由于BALLUFF光電傳感器對紅外輻射，或可見光，或?qū)Χ叨继貏e靈敏，因而就更加容易成為激光攻擊的目標。此外，電子系統(tǒng)及傳感器本身還極易受到激光產(chǎn)生的熱噪聲和電磁噪聲的干擾而無法正常工作。戰(zhàn)場上的激光攻擊BALLUFF光電傳感器的方式主要有以下幾種：用適當能量的激光束將傳感器“致盲”，使其無法探測或繼續(xù)跟蹤已經(jīng)探測到的目標?；蛘撸绻麄鞲衅髡趯бw向目標，則致盲將使其失去目標。綜上所述，由于傳感器在戰(zhàn)場上發(fā)揮的作用越來越重要，同時又很容易遭受激光攻擊，它們已成為低能激光的目標。

BALLUFF光電傳感器應用于自動抄表系統(tǒng)

隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)及現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，可以利用BALLUFF光電傳感器來研制自動抄表系統(tǒng)。電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。采用BALLUFF光電傳感器則可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。如：在旋轉(zhuǎn)的光亮的鋁盤上局部涂黑，再配以反射式光電發(fā)射接收對管，則當鋁盤旋轉(zhuǎn)時，在局部涂黑處便產(chǎn)生脈沖，并可將鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)采樣轉(zhuǎn)換為相應的脈沖數(shù)，并經(jīng)光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進行計數(shù)處理。采用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號進入微機。再結(jié)合其它傳輸方式便可以形成自動抄表系統(tǒng)。

BALLUFF光電傳感器應用于監(jiān)控煙塵污染

BALLUFF光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化，通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化實現(xiàn)控制功能。由于光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用，而我們可以利用BALLUFF光電傳感器的特性來檢測煙塵的情況，因而BALLUFF光電傳感器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

衛(wèi)生級防沖洗型BALLUFF光電傳感器

防沖洗型傳感器，能夠提供的可靠性和舒適性，并將運行成本降至。配合IO-Link接口以及能夠大幅延長使用壽命的proTect+密封理念，這兩款新型傳感器適用于苛刻的應用環(huán)境，堪稱食品和飲料行業(yè)的理想解決方案。

巴魯夫?qū)ι湫蛡鞲衅鞑皇鼙砻妗㈩伾筒牧系挠绊懩芸煽康貦z測目標 - 甚至發(fā)亮目標也不會對檢測產(chǎn)生影響。它們由相互對準的分離式發(fā)射器單元和接收器單元組成。某個目標將光束打斷時會使接收器中的輸出信號發(fā)生變化。絕對可靠。