现代工业光电传感器性能分析及故障排除

刘向荣（陕西重型汽车有限公司车身厂，陕西 西安 710200）



现代工业光电传感器性能分析及故障排除

刘向荣
（陕西重型汽车有限公司车身厂，陕西 西安 710200）

随着现代化企业、工厂新技术的广泛应用，光电传感器的应用与维修已经成为当今设备技术人员维护和保养的重点、难点。文章介绍工业光电传感器的性能、原理以及生产实际的应用和故障解决。

光电传感器；发光二极管；逻辑电路；幅值裕度

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.072

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-217-03

引言

在电子传感设备和控制领域，自动化发展创造了重要的二次创业。随着人工操作向自动化生产的过渡，传感器能够像人工控制中操作员所做的那样，把他们所看到的、听到的和感觉到的数据提供给自动化系统。光电传感器作为一种离散非接触型自动化传感器，广泛的应用于工业中，与目标不通过物理接触就能实现精确检测。

1、广泛的应用

光电传感器的两个组成部分是光源和检测光线有无的接收器，在它的绝大部分样式中，光电传感器是类似行程开关的器件，只是用光束代替了行程开关的机械激励。当物体挡住光束或反射光束到接收器时，光电器件可以检测到目标。作者简介：刘向荣（1982-），男，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，从事设备管理、维护、改造等工作。光的改变代表目标存在或消失，或是目标的大小、形状、反射率、颜色等发生改变。光电传感器的工作距离从5mm(0.2in)～250m(820ft),一些激光器件甚至能工作在304m（1000ft）的范围[1]。

在陕西重型汽车有限公司车身厂冲压车间里，光电传感器的应用也相当广泛，如冲床的光电保护装置，以及检测移动工作台位置的光电开关、废料漏斗满料检测装置等。

2、光电传感器的组成

冲床作为一类危险源设备，由于人员需要进入危险作业范围，光电控制器检测信号需要与PLC程序互锁，要保证冲床行程开动时人员不得进入作业范围，否则冲床将会紧急停止，所以光电保护装置的可靠性、灵敏度、透光度、幅值裕度等参数显得极为重要。

图1为对射式光幕如下：

有效地使用光电传感器以及正确解决光电传感器故障的第一步就是掌握光电传感器的工作原理。每个光电传感器由五个基本部分组成：光源或发射器、光检测器、镜头、逻辑电路、输出开关器件。

2.1光源

很多光电传感器都使用发光二极管（LEDs）作为光源。为了实现不同的检测功能，在大部分光电传感器中，使用红外线、可见红色光、绿光和蓝光或彩色光作为光源（光线发射器）。红外线在所有的发光二极管中，是效果最好的，产生的光线最强，散发的热量却最低，图二为波长与效率示意图[2]。

2.2光线检测器

接收器或者光线检测器，用于检测光线是否存在。接收器直接使电流产生变化，电流变化与接收到的光线强度成正比。光电二极管或光电晶体管是经常用来检测光线的电晶体原件。一般要求光源和接收器的波长相互匹配，才能提高检测能力[3]。

镜头：发光二极管发出的光线一般都覆盖比较大的区域，光线检测器具有相同范围的区域，在此区域内检测器可以检测到光线。如图3为带镜头的LED探测器。

2.3逻辑电路

逻辑电路有三个功能：调整LED光源；放大光线检测器发出的信号；决定输出状态的改变。LED发出的光与器件中的电流值有直接的正比关系。因为发光二极管的开关很快，用一个很短的开通周期（on-duty cycle）就可以对它们进行调制，所以瞬时电流值很高但平均电流要低得多。调制减少了热量，故允许更高的工作电流[4]。

2.4输出器件

一旦通过接收器检测到光线强度的足够变化，光电传感器逻辑电路就会控制传感器中的一个输出器件，给控制系统发出信号，告知工作环境发生变化。输出是离散和模拟的结合，有很多不同的开关器件。

如图4为包含逻辑电路和输出器件的冲床光电控制器。

2.5幅值裕度

幅值裕度是光电传感器中一个很重要的的一个概念。幅值裕度是检测器实际检测到的光线与使得输出改变的最小幅度的光线的比率。

2.6光电传感器检测方式应用

光电传感器基本都工作于三种不同的检测方式。分别为光束传播、反光和散射方式。基于这三种典型方式中应用与不同的环境可以具体分为光束传播、反射、偏振反射、标准散射、锐截至散射、背景抑制散射、聚焦散射、宽角度散射、光纤等方式。

图1中陕西重型汽车有限公司冲压车间采用德国SICK-C2000的对射式光幕保护，1000mm*20mm*3500mm为形成的红外线光幕的高度*厚度*长度。光束密度为1发光点/mm。它的工作机理如同上述所提出的5部分组成，由逻辑电路中的震荡回路产生的调制脉冲经发射电路后，由红外发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，受光器接受的光脉冲进入光敏三极管DU；并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后通过数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动输出光电开关控制信号。

3、光电传感器检测方式

光电传感器基本都工作于三种不同的检测方式。分别为光束传播、反光及散射。

3.1光束传播方式

光束传播方式下，光源和接收器是独立包装的。这两个单元放置于正对的位置，这样从光源出来的光线正好直接照射在接收器上。目标必须在光源和接收器之间，从而能够阻挡住光线。光束传播传感器提供的检测距离最长，工作幅值裕度最高。

3.2反射方式

使用最频繁的检测方式，称为反射或反光，光源和接收器在同一包装内。光源发出的光束被一种特殊的反射器件所反射，返回到接收器，接收器，接收器输出器件触发跳变，此反射器件称为基准目标。当待检测的目标物体阻挡了光束之后，输出器件改变状态，传感器检测到物体。这种检测方式的最大有效检测距离，部分取决于反射器或反射带的效果。

3.3偏振反射方式

偏振反射传感器在光源和接收器前面有偏振滤波器，两者之间相差90°的相位。

可以发现从光源发出的光线为水平偏振方向，但是到达接收器的光线必须具有垂直偏振，高抛光的物体阻断光束后，从发射器出来的水平偏振光线被反射回接收器。接收器的垂直滤波器阻挡光线到达接收器，所以不能触发接收器。因此，传感器的输出器件是处于关断状态。

3.4散射方式

光束传播和反射传感器产生的光束，被经过的物体阻隔，光线能够到达目标物体的两侧。但是，光线一般不可能到达一个目标物体的两侧。在这些应用中，散射方式传感器是光电传感器唯一的选择。散射方式传感器，有时称光电接近传感器，光源和接收器处于同一包装内，与反射方式一样。待检测的物体是作为靶子把光源发出的光束反射到接收器。检测的目的是从表面反射的光源光线中得到尽可能高的幅值裕度。

4、维护和保障

基于光电传感器的原理和性能分析，对于工业现场的实际应用中的维护和故障检测排除都会带来强大的技术支持。

品牌：光电开关、光电传感器的制造厂商相当众多，能从中选择适合自身工况的，达到使用要求便于维护、保养的，同时性价比较高的才是用户的最终选择目标。推荐制造厂商：德国SICK、日本RIKEN、美国Honeywell、日本OMRON电子有限公司、美国罗克韦尔自动化有限公司。

国内：科力光电 香港：KEYENCE 基恩士有限公司。

故障易发点及其排除：

（1）发射装置异常，发光器或镜头污染导致幅值裕度极低，采用清洁发射镜头、受光器和发光二级管方法排除；

（2）发射装置电源、信号线对接式插头接触不良导致输出异常。可采用检查接受装置指示灯指示状态判别，并同时检查插接口是否氧化；

（3）输出一直为常开状态，检查控制器的电源保险以及微型控制继电器的线圈；

（4）反射式光幕装置一直异常，因为反射式光电开关原理不同于对射式，发射器和受光器均在发射端，主要靠反光器的反射板反射光束到发射端的受光器，这样就容易造成光线反射误差的累积。因而需要对发射端的固定位置和反射板的位置进行调整以防止没有物体进入光幕范围，而因为光线传播误差造成的输出信号错误影响正常生产的问题；

（5）对于日常的检查和保养，应注重于对光敏元件的保护，尽量避免因为工厂工作情况加工人对光电设施的意外撞击、碰撞造成的损坏。出现异常时无法排除，应当停止设备的工作，联系光电制造厂商进行故障分析，强烈禁止随意更改、屏蔽光电控制线路，因为光电传感器的控制信号与设备控制PLC系统或控制线路互锁，随意更改易发生意外事故；

（6）检测所有的放大器的设置是否正确，很多传感器放大器的灵敏度可以调整，保证保护选择开关在适当的位置；

（7）根据现场环境，确定物体通过传感器的速度不超过检测单元的上升和下降时间；

（8）确定外部温度或供电电压改变时，检测距离不减小。

5、小结

通过对现代工业光电传感器性能分析及故障排除方法的介绍，希望能同广大的工厂设备维护技术人员一起分享光电控制技术，使得在日常维护保养过程中更加科学化、理性的判断故障问题和对新设备的器件采购提供新的思路和理念！

[1]美James A.Rehg Glenn J.Sartori 工业电子技术[J].

[2]Http:www.ab.com艾伦.布拉德利有限公司的接近和光电传感器

[3]杰 林均淳.电器检测技术[J].机械工业出版社.1996年

[4]测量技术与仪表[J].清华大学出版社.2004年.

Performance Analysis And Trouble Shooting Of Modern Industrial Photoelectric Sensor

Liu Xiangrong
(Shaanxi Heavy-duty Motor Company Limited body factory,Shaanxi Xian 710200)

with the extensive application of modern enterprise,factory new technology,the application and maintenance of photoelectric sensor has become the focus and difficulty of maintenance and maintenance of equipment and technical personnel.This paper introduces the performance and principle of industrial photoelectric sensor and its application in production practice.

photoelectric sensor; led; logic circui; amplitude margin

U463.6识码：A

1671-7988（2016）08-217-03