什麼是光感測器？光學感測器的基本原理以及各種測距方法的特點

什麼是光學感測器？它們有什麼用途？

光學感測器是檢測光強度並將其轉換為電信號的設備。它們不僅使用可見光，還使用人眼無法感知的不可見光，例如近紅外線。光學感測器用於各種檢測任務，包括工廠自動化、安全系統、自動門和智慧手機的螢幕亮度調節。
還有其他類型的感測器，例如壓力感測器、角度感測器和加速度感測器，用於各種目標物體。然而，光學感測器特別適合檢測物體。
光學感測器主要由光發射器和光接收器組成。來自光發射器的光照射到物體上，光接收器檢測反射光或透射光的強度以檢測物體的存在。感測器利用此原理來確認產品是否在工廠生產線上、測量電機轉數、測量尺寸等。它們代替人眼進行高精度檢測，有助於品質確認和工業機械自動化。

光學感測器的五大特點

光學感測器具有以下五個特點。

1. 非接觸式測量
   光學感測器可在沒有物理接觸的情況下檢測物體。這使得測量不會損壞物體，使其特別適合用於精密材料和表面以及衛生管理很重要的環境。它們還可以有效地檢測移動物體和高溫或高壓等具有挑戰性的環境。與接觸式感測器相比，它們受到的摩擦和劣化更少，並且具有使用壽命更長的優點。它們廣泛用於需要清潔環境的領域，例如食品工業、製藥和半導體製造。
   
2. 快速回應
   由於光學感測器以光速運行，其響應速度極快，可達微秒。這使得它們非常適合用於高速生產線和品質控制系統。例如，它們可以檢測微小的飛行顆粒，或精確定位快速移動的產品。它們也適用於即時回饋控制和高速計數。這種高速特性也可用於控制工業機器人和偵測高速印表機的卡紙情況。
   
3. 檢測範圍廣
   光學感測器利用光的直線傳播特性，能夠探測從近距離到遠距離的廣闊範圍內的物體。透過使用透鏡和反射鏡，可以進一步擴大探測範圍，或將探測範圍縮小到更小的區域。這一特性使光學感測器能夠執行各種任務，從探測小型部件到測量大型物體的位置。而且，由於單一感測器可以覆蓋廣泛的區域，因此可以減少感測器的數量，從而有助於節省成本。它們被廣泛應用於建築物入口檢測系統和大型倉庫的物體檢測等各個領域。
   
4. 各種可檢測的特性
   光學感測器不僅可以偵測物體的存在，還可以偵測物體的各種屬性，例如顏色、透明度、反射率和形狀。這種多功能性使其非常適合用於產品品質控制、分類和識別等複雜任務。例如，食品業使用它們來檢測異物，汽車業使用它們來檢查噴漆品質等。它們也用於光學讀取條碼和二維碼等資訊。此外，透過選擇光波長，光學感測器不僅可以利用可見光，還可以利用紅外光和紫外光進行檢測。
   
5. 對環境因素敏感
   光學感測器易受環境因素的影響，例如周圍的光照條件、灰塵、濕氣和振動。因此，適當的放置和保護至關重要。尤其是在戶外或工廠等光照條件可能改變的場所，防止偵測誤差的措施至關重要。濾光片和合理的感測器放置位置可以減少這些因素的影響。此外，提高感測器的防塵防水性能以及添加溫度補償等措施也能起到一定的作用。此外，定期維護和校準對於保持穩定的性能也至關重要。

光學感測器的不同距離測量方法

接下來，我們將概述光學感測器的主要測距方法及其特點。這些方法大致分為「對射式」和「反射式」兩類。反射式感測器又分為四種不同的方法。在以下章節中，我們將詳細探討每種方法。

・對射型

對射式光學感測器的光發射器和光接收器相對放置。當物體從它們之間穿過時，感測器會對其進行檢測。這種方法能夠實現高精度檢測，並且受背景幹擾較小。它可以檢測透明物體，並且適合在幾十厘米到幾十米的寬距離範圍內進行檢測。由於這些原因以及其穩定的運行，這種方法被廣泛應用於各種應用。需要精確對準發射器和接收器，並且需要注意的是，偵測區域僅限於一條直線。

主要用途：偵測生產線上的產品存在、電梯門安全裝置、自動門的人體偵測等。

・反射型

反射式光學感測器的發射器和接收器位於同一側，利用目標物體反射的光線來偵測物體。反射式感測器採用四種檢測方法。

a.漫反射型

漫反射感測器利用目標物體自身反射的光線進行偵測。只需一個裝置，安裝簡便，可偵測各種形狀和材質的物體。與對射式感測器相比，檢測距離較短，適合近距離檢測。偵測性能有時會因目標物體的顏色或表面狀況而有所不同。

用途：檢測生產線上零件的存在、檢測包裝線上的產品、機械手臂的定位等。

b. 距離設定型

距離設定型光學感測器可精確測量與目標物體的距離，並判斷目標物體是否存在於設定範圍內。這些感測器使用三角測量法測量距離。感測器以特定角度發射光線，光線經測試物體反射後進入接收器。感測器偵測反射光進入接收器的位置，並利用位置資訊、入射角和三角函數計算出與測試物體的距離。這可實現高精度距離測量，且不受測試物體顏色或輪廓的影響。

用途：裝配線上的零件定位、倉庫的庫存管理、汽車的停車輔助系統等。

c.回歸反射型

回歸反射型感測器利用專用反射板的反射光被目標物體遮蔽來偵測物體。此感測器可實現遠距離檢測，檢測性能穩定，適合檢測小型物體。

用途：工廠大型機械的位置偵測、配送中心的貨物通道偵測、鐵路道口控制系統

d. 有限反射型

有限反射型感測器僅偵測特定距離內的目標物體。發射器和接收器是分開的，光軸以一定角度相交。這使得它們只能在發射器軸線與接收器軸線相交的有限檢測區域內檢測反射光。在上圖中，感測器可以偵測到物體 (a)，但無法偵測到物體 (b)。由於感測器可以忽略檢測區域外的背景和物體，因此即使在複雜環境中也能實現穩定檢測。

用途：偵測傳送線上的物體等。

選擇最佳光學感測器

根據具體用例選擇最佳感測器時，上述每種距離測量方法都有各自的特點、優缺點需要考慮。例如，漫反射感測器非常適合生產線上的一般物體偵測，但在需要遠距離偵測或高精度定位時，通常會選擇反射式或距離設定式感測器。

此外，近年來的技術進步推動了融合這些基本方法的混合感測器以及使用雷射的高精度測距感測器的開發。這些感測器可以滿足日益複雜的環境和用例的需求。選擇光學感測器時，需要綜合考慮目標物體的特性（例如尺寸、形狀、材質和顏色）、偵測距離、周圍環境（例如光照、溫度和濕度）、所需的精確度和反應速度等。耐用性和可靠性也是工業用途需要考慮的重要因素。

選擇最佳的光學感測器並進行適當的安裝和調整，可顯著提高生產力、加強品質控制、提升安全性等。隨著技術的進步，光學感測器的性能和功能也在穩步發展，人們對其未來更廣泛的應用寄予厚望。