oeztw_ajax_loader.gif

Page top

本文

光電感測器

Photoelectric_TG_TW_8_4
※ 技術指南的PDF檔,建議按滑鼠右鍵"另存目標"儲存檔案。


光電感測器是什麼

「光電感測器」係利用光線的各種性質,以檢測物體是否存在或是表面狀態之變化等。
光電感測器主要是由傳送光線的投光部位和接收光線的受光部位所組成。當投射的光線被檢測物體制遮蔽,或是反射回來時,到達受光部位的受光量就會產生變化。受光部位只要檢測到任何變化,就會將其轉換為電子訊號並加以輸出。一般所使用的光線以可視光(主要為紅色,綠色、紅色則用來判別顏色)和紅外線佔絕大部分。
如下圖所示,光電感測器主要可分為3大類。(詳細內容請參閱➜第4頁「分類」之相關說明)

 
特長
  • 檢測距離較長
    以對照型為例,其檢測距離可達到10m以上,長度為其他檢測方法(磁力、超音波等)所望塵莫及。

  • 對於檢測物體的限制條件較少
    不同於近接感測器,只能檢測金屬材質的物體,本感測器的檢測原理為透過檢測物體進行遮光,因此無論是玻璃、木材、液體等大部分的物體皆能檢測。

  • 應答時間短
    光本身以極為高速的方式行進,除了架構感測器電路的電子零組件所需之機器動作時間外,本產品所需的應答時間極短。

  • 解析度更高
    藉由高階的設計技術,讓投光光束必變為較小的光點,而且由於本產品採用特殊的受光光學系統結構,因此能實現高解析度的目標。如此一來,甚至連微小物體檢測或需要高精確度的位置檢測等皆能迎刃而解。

  • 以非接觸方式完成檢測
    機器本身不需要接觸到物體即可進行檢測,無論是檢測物體或感測器完全不會因此受損。如此即可長時間使用感測器。

  • 進行顏色判別
    檢測物體所產生的光線反射率及吸收率依投光波長、檢測物體的顏色組合而有所不同。本感測器就是利用此種性質,以檢測出物體的顏色。

  • 調整更簡便
    本產品的其中一種機型係採用投射可視光的方式,投光光束可一目瞭然,因此為檢測物體定位時更簡便。
原理
1. 光的性質
●直線前進
  當光線進入空氣或水中,經常以直線方式前進。
  對照型感測器使用狹縫板來檢測微小物體,就是運用光線的此種原理。
●折射
  當光線由折射率不同的介質,進入另一個介質面時,就會改變行進方向。
●反射(正反射、回歸反射、擴散反射)
光線照射在像是鏡子或玻璃等平面上後,反射回來的角度會和入射角相同,這就稱之為「正反射」。
由3個平面直角相交後所組成的形狀,即為所謂的「三面直角稜鏡」。
將光線投射到三面直角稜鏡後,光線就會反覆進行正反射,反射光最後到達方向與投光方向相反,這種反射方式就稱之為「回歸反射」。
原則上來說,大部分的回歸反射板係由邊角數公厘的三面直角稜鏡正確排列而成。
另外,像是白紙等不具光澤性的表面,由於光會被反射到所有的方向,因此稱之為「擴散反射」。擴散反射型產品的檢測方式正是利用此種原理。
●偏光
光波的震動方向會與行進方向互相垂直。光電感測器主要使用LED作為光源。LED所投射出來的光線會朝與行進方向互相垂直的各種方向震動,此種反射方式稱為「無偏光」。將無偏光的震動方向限制於單一方向的光學濾鏡,即為所謂的「偏光濾鏡」。換句話說,當LED投射光線後,通過偏光濾鏡的光線僅會朝向單一方向震動,此種狀態就稱為「偏光」(正確地說,應稱為「直線偏光」)。如此一來,朝向某個方向(例如:垂直方向)震動的偏光就能通過僅朝垂直方向震動(水平方向)的偏光濾鏡了。
回歸反射型的M.S.R功能(請參閱➜第13頁之說明)及對照型的選購品-防止相互干擾就是運用此一理。
2. 光源
●亮燈方式
〈脈衝調變光方式〉
大部分的光電感測器多採用脈衝調變光,其原理就是會在固定周期內反覆進行投光。
此種方式不易受到外部干擾光所影響,適合長距離檢測。內置防止互相干擾功能的機型,其投光週期會因干擾光線或外部干擾光的因素而在固定範圍內改變。
〈直流光方式〉
此種方式會連續投射固定光量的光線,為標記感測器所採用。直流光方式雖然具有高速應答性,但是檢測距離較短,易受外部干擾光影響等則為其缺點。
●光源顏色及種類
3. 三角測距
距離設定型光電感測器所採用的檢測原理,主要為三角測距法。下圖所示為三角測距法的原理。
投光元件所投射的光線會被擴散並反射到檢測物體上。反射光會透過受光透鏡,成像在位置檢測元件上(半導體元件會依光線與檢測元件接觸的位置輸出訊號)。當檢測物體被放置在靠近光學系統的位置A時,反射光會被成像在位置檢測元件的a位置,又,若是放置在離光學系統較遠的位置B,反射光就會成
像於b的位置。因此,僅需測量位置檢測元件上的成像位置,即可計算出和檢測物體之間的距離。
分類
1. 依檢測方式分類
(1)對照型
檢測方式
投光器應設置於受光器的對面,以利投光器的光線投射進入受光器。
當檢測物體被放置於投光器與受光器之間,且光線被遮蔽時,進入受光器的光量就會減少。
本產品可判別光量是否減少,並藉此進行檢測。
此外,本產品的檢測方式與對照型相同,在感測器的形狀方面,投光部位一體成型,即稱之為「溝型」。

特長

  • 動作穩定度高,檢測距離長(數cm~數十m)
  • 即使檢測物體的通過路徑改變,檢測位置仍不變
  • 不易受到檢測物體的光澤、顏色及傾斜度所影響

(2)擴散反射型
檢測方式
投光器與受光器一體成型,光線不會回到通常受光部位。當投光部位所投射出來的光線一碰到檢測物體,檢測物體所反射出來的光線就會進入受光部位,並讓受光量增加。
本產品可判別光量是否減少,並藉此進行檢測。

特長

  • 檢測距離為數cm~數m
  • 安裝調整更簡便
  • 根據檢測物體的表面狀態(顏色、凹凸面),反射光量、檢測穩定性及距離皆不相同

(3)回歸反射型
檢測方式
採用投光器、受光器一體成型的方式,通常投光器所投射出來的光線會被反射到設置於對面的反射板上,然後再回到受光部位。當檢測物體的光線被遮蔽時,進入受光部位的光量就會減少。
本產品可判別光量是否減少,並藉此進行檢測。

特長

  • 檢測距離為數cm~數m
  • 配線及光軸調整更輕鬆(減少工時)
  • 不易受到檢測物體的顏色、傾斜度影響
  • 光線會通過檢測物體2次,因此適合用來檢測透明物體
  • 當檢測物體的表面為鏡面時,一旦表面接收到反射光,就如同未放置檢測物體狀態,如此將造成感測器無法檢測。這時候,只要利用MSR功能,問題即可迎刃而解
  • 近距離具有盲區

(4)距離設定型
檢測方式
感測器的受光元件採用兩分割光電二極體或位置檢測元件。從檢測物體反射過來的投光光束會在受光元件上成像,且成像位置隨檢測物體的距離而改變、也就是利用「三角測距」原理來進行檢測。
下圖所示的是使用兩分割光電二極體的檢測方式。兩分割光電二極體的其中一端(靠近外殼端)稱之為N (Near)側,另一端則稱之為F (Far)側。當所設定距離的位置內存在檢測物體時,反射光會在N側和F側的中間點成像,此時兩側的光電二極體所接收到的光量相等。當檢測物體被放置於比設定距離更靠近感測器的位置時,反射光則會在N側成像。反之,當檢測物體存在於比設定距離更遠的位置時,反射光會在F側成像。此時,只要計算感測器通過計算N側受光量和F側受光量的差值,即可判斷出檢測物體的位置。

距離設定型的特長
・不易受到檢測物體表面狀態或顏色影響
・不易受到背景物體的顏色影響

BGS (Background Suppression)與FGS (Foreground Suppression)
E3Z-LS61/-66/-81/-86型備有BGS及FGS等2種功能,可用來檢測輸送帶上的物體。
BGS功能指的是不檢測大於設定距離的背景物(輸送帶)。
FGS功能指的是不檢測小近設定距離的物體,以及返回受光器的光量小於規定值的物體,反過來說就是只檢測傳送帶的一種功能。返回受光器的光量較少的物體
大致可分為以下三類:

  1. 檢測物體的反射率極低,也就是比黑紙更黑的物體
  2. 反射光幾乎會全部回到投光側,如鏡面物體
  3. 反射光量大,且朝任意方向散射的凹凸光澤面
    等物體。在第C的情況下,當檢測物體移動時,可能暫時會有反射光回到受光側,這時必須使用OFF延遲計時器等以避免發生顫振(chattering)等情形。

BGS模式、FGS模式的特長

  • 可檢測出微小的高度差(BGS、FGS)
  • 不易受到檢測物體的顏色所影響(BGS、FGS)
  • 不易受到背景物體的影響(BGS)
  • 有可能因檢測物體個別差異而受到影響(BGS、FGS)

(5)限定反射型
檢測方式
與擴散反射型一樣,採用接收來自檢測物體的反射光的方式來進行檢測。擁有限定投射光束與受光區域的光學系統,因此感測器只能檢測與感測器之間保持固定距離(投光光束及受光區域重疊的範圍)的檢測物體。如右圖所示,(A)的位置無法檢測到檢測物體,但是(B)的位置則否。

特長

  • 可檢測出微小的高度差
  • 可限定與感測器之間的距離,並只在此範圍內有檢測物體時進行檢測
  • 不易受到檢測物體的顏色所影響
  • 不易受到檢測物體光澤、傾斜度影響

2. 依檢測方式選擇時之重點
● 對照型/回歸反射型的確認事項

檢測物體

  1. 大小、形狀(長×寬×高)
  2. 透明度(不透明體/半透明體/透明體)
  3. 移動速度V (m/s或個/分)

感測器
  1. 檢測距離(L)
  2. 形狀及大小限制
    a. 感測器
    b. 回歸反射板(回歸反射型時)
  3. 是否採多個密合安裝
    a. 台數
    b. 安裝間距
    c. 可否採取交錯安裝方式
  4. 安裝限制(角度是否正確等)

環境
  1. 環境溫度
  2. 水、油、藥品等是否飛散
  3. 其他

● 擴散反射型、距離設定型、限定反射型的確認事項

檢測物體

  1. 大小、形狀(長×寬×高)
  2. 顏色
  3. 材質(鐵、SUS、木頭、紙等)
  4. 表面狀態(粗糙、有光澤)
  5. 移動速度V (m/s或個/分)

感測器
  1. 檢測距離(與工件之間的距離)(L)
  2. 形狀及大小限制
  3. 是否採多個密合安裝
    a. 台數
    b. 安裝間距
  4. 安裝限制(角度是否正確等)

背景
  1. 顏色
  2. 材質(鐵、SUS、木頭、紙等)
  3. 表面狀態(粗糙、有光澤等)

環境
  1. 環境溫度
  2. 水、油、藥品等是否飛散
  3. 其他
 

3. 依結構分類
光電感測器通常由投光部位、受光部位、放大部位、控制部位及電源部位等所組成,根據其構成狀態,可分為以下幾類:

(1) 增幅器分離型
只將投光部和受光部分離,分別架構投光器和受光器(對照型),或者製作成一體成型的投光器受光器(反射型)。其他放大部位和控制部位則製作成一體成型的放大器單元。

特長

  • 投光器受光器僅由投光元件、受光元件以及光學系統等組成,因此體積更精巧
  • 投光器、受光器即使被設置於狹小的場所,也能在遠端進行感度調整
  • 投光、受光部位與放大器單元之間的訊號線易受干擾所影響
  • 代表機種(放大器單元):E3NC型、E3C-LDA型、E3C型

(2) 放大器內建型
電源部位以外為一體型(對照型分為包含投光部位的投光器和包含受光部位、放大部位及控制部位的受光器)。電源部位則單獨製作成電源模組。


特長

  • 受光部位、放大部位及控制部位採一體成型方式,負責微小訊號接收的訊號線不需要迂迴繞接,因此不易受到干擾影響
  • 配線工時低於放大器分離型
  • 一般來說,體積雖然大於放大器分離型,但無感度調整功能型的體積輕巧,毫不遜於前者
  • 代表機種:E3Z型、E3T型、E3S-C型

(3) 電源內建型
從投光器、受光器到電源部位皆採一體成型方式。

特長

  • 可直接連接商用電源,且受光器可以提供直接容量較大的控制輸出
  • 投光器、受光器內置電源變壓器等,因此與其他類型相比,體積更為龐大
  • 代表機種:E3G-M型、E3JK型、E3JM型

(4) 區域感測器
投光部、受光部為多光軸(對照型)配合用途可以選擇感測器的檢測幅度

特長

  • 可以感測大範圍
  • 適合用於揀選零組件
  • 代表機種:F3W-E型、F3W-D型