什么是光传感器？光学传感器的基本原理以及各种测距方法的特点

什么是光学传感器？它们有什么用途？

光学传感器是检测光强度并将其转换为电信号的设备。它们不仅使用可见光，还使用人眼无法感知的不可见光，例如近红外线。光学传感器用于各种检测任务，包括工厂自动化、安全系统、自动门和智能手机的屏幕亮度调节。
还有其他类型的传感器，例如压力传感器、角度传感器和加速度传感器，用于各种目标物体。然而，光学传感器特别适合检测物体。
光学传感器主要由光发射器和光接收器组成。来自光发射器的光照射到物体上，光接收器检测反射光或透射光的强度以检测物体的存在。传感器利用此原理来确认产品是否在工厂生产线上、测量电机转数、测量尺寸等。它们代替人眼进行高精度检测，有助于质量确认和工业机械自动化。

光学传感器的五大特点

光学传感器具有以下五个特点。

1. 非接触式测量
   光学传感器可在没有物理接触的情况下检测物体。这使得测量不会损坏物体，使其特别适合用于精密材料和表面以及卫生管理很重要的环境。它们还可以有效地检测移动物体和高温或高压等具有挑战性的环境。与接触式传感器相比，它们受到的摩擦和劣化更少，并且具有使用寿命更长的优点。它们广泛用于需要清洁环境的领域，例如食品工业、制药和半导体制造。
   
2. 快速响应
   由于光学传感器以光速运行，其响应速度极快，可达微秒级。这使得它们非常适合用于高速生产线和质量控制系统。例如，它们可以检测微小的飞行颗粒，或精确定位快速移动的产品。它们也适用于实时反馈控制和高速计数。这种高速特性还可用于控制工业机器人和检测高速打印机的卡纸情况。
   
3. 检测范围广
   光学传感器利用光的直线传播特性，能够探测从近距离到远距离的广阔范围内的物体。通过使用透镜和反射镜，可以进一步扩大探测范围，或将探测范围缩小到更小的区域。这一特性使光学传感器能够执行各种任务，从探测小型部件到测量大型物体的位置。而且，由于单个传感器可以覆盖广阔的区域，因此可以减少传感器的数量，从而有助于节省成本。它们被广泛应用于建筑物入口检测系统和大型仓库的物体检测等各个领域。
   
4. 各种可检测的特性
   光学传感器不仅可以检测物体的存在，还可以检测物体的各种属性，例如颜色、透明度、反射率和形状。这种多功能性使其非常适合用于产品质量控制、分类和识别等复杂任务。例如，食品行业使用它们来检测异物，汽车行业使用它们来检查喷漆质量等。它们还用于光学读取条形码和二维码等信息。此外，通过选择光波长，光学传感器不仅可以利用可见光，还可以利用红外光和紫外光进行检测。
   
5. 对环境因素敏感
   光学传感器易受环境因素的影响，例如周围的光照条件、灰尘、湿气和振动。因此，适当的放置和保护至关重要。尤其是在户外或工厂等光照条件可能发生变化的场所，防止检测误差的措施至关重要。滤光片和合理的传感器放置位置可以减少这些因素的影响。此外，提高传感器的防尘防水性能以及添加温度补偿等措施也能起到一定的作用。此外，定期维护和校准对于保持稳定的性能也至关重要。

光学传感器的不同距离测量方法

接下来，我们将概述光学传感器的主要测距方法及其特点。这些方法大致分为“对射式”和“反射式”两类。反射式传感器又分为四种不同的方法。在以下章节中，我们将详细探讨每种方法。

・对射型

对射式光学传感器的光发射器和光接收器相对放置。当物体从它们之间穿过时，传感器会对其进行检测。这种方法能够实现高精度检测，并且受背景干扰较小。它可以检测透明物体，并且适合在几十厘米到几十米的宽距离范围内进行检测。由于这些原因以及其稳定的运行，这种方法被广泛应用于各种应用。需要精确对准发射器和接收器，并且需要注意的是，检测区域仅限于一条直线。

主要用途：检测生产线上的产品存在、电梯门安全装置、自动门的人体检测等。

・反射型

反射式光学传感器的发射器和接收器位于同一侧，利用目标物体反射的光来检测物体。反射式传感器采用四种检测方法。

a.漫反射型

漫反射传感器利用目标物体自身反射的光进行检测。只需一个装置，安装简便，可检测各种形状和材质的物体。与对射式传感器相比，检测距离较短，适合近距离检测。检测性能有时会因目标物体的颜色或表面状况而有所不同。

用途：检测生产线上零件的存在、检测包装线上的产品以及机械臂的定位等。

b. 距离设定型

距离设定型光学传感器可精确测量与目标物体的距离，并判断目标物体是否存在于设定范围内。这些传感器使用三角测量法测量距离。传感器以特定角度发射光线，光线经测试物体反射后进入接收器。传感器检测反射光进入接收器的位置，并利用位置信息、入射角和三角函数计算出与测试物体的距离。这可实现高精度距离测量，且不受测试物体颜色或轮廓的影响。

用途：装配线上的零件定位、仓库的库存管理、汽车的停车辅助系统等。

c.回归反射型

回归反射型传感器利用专用反射板的反射光被目标物体遮挡来检测物体。该传感器可实现远距离检测，检测性能稳定，适合检测小型物体。

用途：工厂大型机械的位置检测、配送中心的货物通道检测、铁路道口控制系统

d. 有限反射型

有限反射型传感器仅检测特定距离内的目标物体。发射器和接收器是分开的，并且光轴以一定角度相交。这使得它们只能在发射器轴线与接收器轴线相交的有限检测区域内检测反射光。在上图中，传感器可以检测到物体 (a)，但无法检测到物体 (b)。由于传感器可以忽略检测区域外的背景和物体，因此即使在复杂环境中也能实现稳定检测。

用途：检测传送线上的物体等。

选择最佳光学传感器

在根据具体用例选择最佳传感器时，上述每种距离测量方法都有各自的特点、优缺点需要考虑。例如，漫反射传感器非常适合生产线上的一般物体检测，但在需要远距离检测或高精度定位时，通常会选择反射式或距离设定式传感器。

此外，近年来的技术进步推动了融合这些基本方法的混合传感器以及使用激光的高精度测距传感器的开发。这些传感器可以满足日益复杂的环境和用例的需求。选择光学传感器时，需要综合考虑目标物体的特性（例如尺寸、形状、材质和颜色）、检测距离、周围环境（例如光照、温度和湿度）、所需的精度和响应速度等。耐用性和可靠性也是工业用途需要考虑的重要因素。

选择最佳的光学传感器并进行适当的安装和调整，可以显著提高生产力、加强质量控制、提升安全性等。随着技术的进步，光学传感器的性能和功能也在稳步发展，人们对其未来更广泛的应用寄予厚望。