光电传感器

光电传感器概要

光电传感器的定义

「光电传感器」是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变化。受光部将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。 光电传感器如下图所示主要分为3类。（详细内容请参见「 分类 」）

光电传感器特长

光电传感器原理

①光的性质

直射

光在空气中和水中时，总是直线传播。

使用对射型传感器外置的开叉来检测微小物体的示例便是运用了这种原理。 
   
曲折 是指光射入到曲折率不同的界面上时，通过该界面后，改变行进方向的现象。
   
反射（正反射、回归反射、扩散反射） 在镜面和玻璃平面上，光会以与入射角相同的角度反射，称为正反射。 3个平面互相直角般组合的形状称为三面直角棱镜。 如果面向三面直角棱镜投光，将反复进行正反射，最终的反射光将向投光的反方向行进。
这样的反射称为回归反射。 多数的回归反射板都是由数mm角的三面直角棱镜按规律排列而构成的。 此外，在白纸等没有光泽性的表面上，光线将向各个方向反射，这样的反射称为扩散反射。 扩散反射型将该原理作为检测方式。
   
偏光 光线可以表现为与其行进方向垂直的振动波。作为光电传感器的光源，主要使用LED。从 LED投射的光线，会在与行进方向垂直的各个方向上振动，这种状态的光称为无偏光。将无偏 光的光的振动方向限制在一个方向上的光学过滤器称为偏光过滤器。即从LED投光，并通过偏 光过滤器的光线只在一个方向上振动，这种状态称为偏光（正确地说应为直线偏光）。在某 一方向（例如纵方向）上振动的偏光，无法通过限制在其垂直方向（横方向）上振动的偏光 过滤器。回归反射型的M.S.R功能（→③M.S.R.功能（Mirror Surface Rejection：镜面体光泽 清除）页）和作为对射型配件的防止相互干扰过滤器就是应用了这种原理。
  
②光源 光的点亮方式 〈脉冲变调光〉 多数光电传感器采用脉冲变调光，基本以一定周期反复投光。 由于很容易排除杂乱光的影响，所以可以实现长距离检测。在带防止相互干扰功能的类型中 ，投光的周期会根据干扰光和杂乱光而在一定范围内变化。
 
〈直流光〉 是连续投射一定光量的光线，在标记传感器等部分机型中使用。能得到高速响应性，但有检 测距离短，容易受杂乱光影响等缺点。  
光源色与种类
 
③光纤型 构造 由于检测部（光纤）中完全没有电气部分，所以耐干扰等耐环境性良好。
 
E3X-DA-S（数字放大器）
   
检测原理 光纤由中间的核心和外围部分曲折率较小的外包金属构成。 如果光线入射到核心部分，光线将会在与外包金属的交界面上一边反复进行全反射，一边行进。通过光纤 内部从端面发出的光线以约60°的角度扩散，照射到检测物体上。 
   
光纤的种类与特性

截面	构造	特长	有效用途	代表型号
柔软型 (多核心)	(中间的素线固定)	很少因弯曲造成光量变动 容许弯曲半径：R1mm	与传统的标准型相比 柔软，可像电线般布线 弯曲半径可忽略 即使碰触到光纤，光量也不变动	E32-T11R E32-T11R
标准型 单芯		光的传输效果好 (检测距离较长) 容许弯曲半径 ： R25mm或R10mm		E32-TC200 E32-DC200
耐弯曲型(束)	（中间的素线分散）	耐曲折性良好 反复弯曲次数100万次以上（代表例） 容许弯曲半径：R4mm	即使使用机器人手臂等可动的部分也很难破损	E32-T11 E32-D11

④三角测距 距离设定型光电传感器主要以三角测距为检测原理。下图所示的是三角测距的原理。从投光元件投射的光线将在检测物体上扩散反射。反射光将通过受光透镜在位置检测元件（输出符合光线位置信号的半导体元件）上成像。检测物体在靠近光学系统的位置A的情况下，反射光会在位置检测元件的a位置上成像。在离光学系统较远的位置B的情况下，反射光将在b位置上成像。因此，通过测定位置检测元件上的成像位置，可以检测与检测物体的距离。 
  

光电传感器分类

①按检测方式分类
(1)对射型 检测方式 为了使投光器发出的光能进入受光器，对向设置投光器与受光器。 如果检测物体进入投光器和受光器之间遮蔽了光线，进入受光器的光量将减少。 掌握这种减少后便可进行检测。
   
此外，检测方式与对射型相同，在传感器形状方面，也有投光受光部一体化，称为槽形的种类。
 
特长： 动作的稳定度高，检测距离长。（数cm～数十m） 即使检测物体的通过线路变化，检测位置也不变。 检测物体的光泽?颜色?倾斜等的影响很少。
(2)扩散反射型 检测方式 在投受光器一体型中，通常光线不会返回受光部。如果投光部发出的光线碰到检测物体，检 测物体反射的光线将进入受光部，受光量将增加。掌握这种增加后，便可进行检测。
 
特长： 检测距离为数cm～数m。 便于安装调整。 在检测物体的表面状态（颜色、凹凸）中光的反射光量会变化，检测稳定性也变化。 
(3)回归反射型 检测方式 在投受光器一体型中，通常投光部发出的光线将反射到相对设置的反射板上，回到受光部。 如果检测物体遮蔽光线，进入受光部的光量将减少。 掌握这种减少后，便可进行检测。
 
特长 检测距离为数cm～数m。 布线.光轴调整方便（可节省工时）。 检测物体的颜色、倾斜等的影响很少。 光线通过检测物体2次，所以适合透明体的检测。 检测物体的表面为镜面体的情况下，根据表面反射光的受光不同，有时会与无检测物体的状 态相同，无法检测。这种影响可通过MSR功能来防止。
(4)距离设定型 检测方式         作为传感器的受光元件，使用2比例光电二极管或位置检测元件。通过检测物体反射的投 光光束将在受光元件上成像。这一成像位置以根据检测物体距离不同而差异的三角测距原理 为检 测原理。         下图所示的是使用2比例光电二极管的检测方式。2比例光电二极管的一端（接近外壳的 一侧）称为N（Near）侧，而另一端称为F（Far）侧。检测物体存在于已设定距离的位置上 的情况下，反射光将在N侧和F侧的中间点成像，两侧的二极管将受到同等的光量。此外，相 对于设定距离，检测物体存在于靠近传感器的位置的情况下，反射光将在N侧成像。相反的， 相对于设定距离，检测物体存在于较远的位置的情况下，反射光将在F侧成像。传感器可通过 计算N侧与F侧的受光量差来判断检测物体的位置。   
距离设定型的特长 受检测物体的表面状态?颜色的影响少。 不易受背景物体的影响。   BGS(Background Suppression)和FGS(Foreground Suppression) 在E3Z-LS61/-66/-81/-86中，检测传输带上物体的情况下，可选择BGS和FGS两种功能中的任 何一个。 BGS是不会对比设定距离更远的背景（传输带）进行检测的功能。 FG是不会对比设定距离更近的物体，以及回到受光器的光量少于规定的物体进行检测的功能，反言之，是只对传输带进行检测的功能。
回到受光器光量少的物体是指：   ①检测物体的反射率极低，比黑画纸更黑的物体。 ②反射光几乎都回到投光侧，如镜子等物体。 ③反射光量大，但向随机方向发散，有凹凸的光泽面等物体。 注：③的情况下，根据检测物体的移动，有时反射光会暂时回到受光侧，所以有时需要通过OFF延迟定时器来防止高速颤动。 
     
特长 可对微小的段差进行检测（BGS、FGS）。 不易受检测物体的颜色影响（BGS、FGS）。 不易受背景物体的影响（BGS）。 有时会受检测物体的斑点影响（BGS、FGS）。
(5)限定反射型 检测方式 与扩散反射型相同，接受从检测物体发出的反射光进行检测。设置为在投光器和受光器上仅入射 正反射光，仅对离开传感器一定距离（投光光束与受光区域重叠的范围）的检测物体进行检测。 下图中，可在（A）位置检测物体，但在（B）位置无法检测。
   
特长 可检测微妙的段差。 限定与传感器的距离，只在该范围内有检测物体时进行检测。 不易受检测物体的颜色的影响。 不易受检测物体的光泽、倾斜的影响。

②按检测方式选择点
对射型/回归反射型的确认事项 检测物体 1．大小、形状（纵×横×高） 2．透明度（不透明体|半透明体|透明体） 3．移动速度V（m/s或个/分）   传感器 1．检测距离（L） 2．形状?大小的限制 a）传感器 b）回归反射板（回归反射型的情况下） 3．有无多个紧密安装 a）台数 b）安装间距 c）是否可以交错安装 4．安装的限制（是否需要角度等）   环境 1．环境温度 2．有无水、油、药品等飞散 3．其他
   
扩散反射型、距离设定型、限定反射型的确认事项 检测物体 1．大小形状（纵×横×高） 2．颜色 3．材料（铁、SUS、木、纸等） 4．表面状态（粗糙、有光泽） 5．移动速度V（m/s或个/分）   
传感器 1．检测距离（与工件之间的距离）（L） 2．形状、大小的限制 3．有无多个紧密安装 a）台数 b）安装间距 4．安装的限制（是否需要角度等）   
背景 1．颜色 2．材料（铁、SUS、木、纸等） 3．表面状态（粗糙、有光泽等）   
环境 1．环境温度 2．有无水、油、药品等飞散 3．其他

③按构成分类 光电传感器通常由投光部、受光部、增幅部、控制部、电源部构成，按其构成状态可分为以下几类。   (1)放大器分离型 仅投光部和受光部分离，分别作为投光部和受光部（对射型）、或一体的投受光器（反射型）。其他的增幅部、控制部采用一体的放大器单元形。   特长 投受光器仅由投光元件、受光元件及光学系统构成，所以可以采用小型。 即使在狭小的场所设置投、受光器，也可在较远的场所调整灵敏度。 投?受光部与放大器单元间的信号线很容易受干扰。 代表机型（放大器单元）：E3C-LDA、E3C   (2)放大器内置型 除电源部以外为一体。(对射型分为包括投光部的投光器和包括受光部、增幅部、控制部的受光器两种)。电源部单独采用电源单元等形状。     特长 由于受光部、增幅部、控制部为一体，所以不需要围绕微小信号的信号线，不易受干扰的影响。 与放大器分离型相比，布线工时更少。 一般比放大器分离型大，但与没有灵敏度调整的类型相比，绝不逊色。 代表机型：E3Z、E3T、E3S-C   (3)电源内置型 连电源部也包含在投光器、受光器中的一体化产品。   特长 可直接连接到商用电源上，此外还能从受光器直接进行容量较大的控制输出。 投光器、受光器中还包括了电源变压器等，所以与其他形态相比很大。 代表机型：E3G、E3JK、E3JM   (4)光纤型 是在投光部、受光部上连接光纤的产品。由光纤单元和放大器单元构成，但本公司没有电源内置的放大器单元系列产品。     特长 根据光纤探头（前端部分）的组合不同，可构成对射型或反射型。 适合于检测微小物体。 光纤单元不受干扰的影响。 代表机型（放大器单元）：E3X-DA-S、E3X-MDA、E3X-NA

传感器术语解说

项目		说明图	含义
检测距离	对射型		在对射型、回归反射型中 考虑到产品的分散和温度变化等，能稳定设定的最大检测距离。 标准状态下的实力值无论哪种方式都比额定检测距离更长。
	回归反射型
	扩散散射型		在扩散反射型中 对标准检测物体（白画纸），考虑到产品的分散和温度变化等，能稳定设定的最大检测距离。 标准状态下的实力值无论哪种方式都比额定检测距离更长。
	限定反射型		在限定反射型中 如左图的光学系统，设计时使投光轴与受光轴在检测物体的表面以同样的倾斜角 θ 交叉。 在该光学系统中，从物体发出的正反射光能稳定检测出的距离范围为检测距离。因此，检测距离根据其下限和上限，表现为「10～35mm」。（→参见1296页）
	标记传感器		在标记传感器中 如左图的光学系统，设计时使受光轴相对于和检测物体垂直的投光轴在θ交叉。 因此受光部将不受检测物体的正反射光影响，而只接受扩散反射光，可对检测物体的「颜色」进行检测。
设定范围/检测范围	距离设定型		在距离设定型中 可对物体的检测位置限度进行设定。相对于标准检测物体（白画纸）可设定的范围称为设定范围。 被设定的位置作为限度，将能检测物体的范围称为检测范围。检测范围根据传感器的检测模式而不同，有时存在于设定位置开始的传感器一 侧（BGS模式），或远离设定位置的一侧（FGS模式）。（→参见1295页）
指向角			对射型、回归反射型 作为光电传感器可动作的角度范围。
差动的距离			扩散反射型、距离设定型 动作距离与回归距离的差。 一般用产品样本中相对于额定检测距离的比率来表示。
无感带			在标记传感器、距离设定型、限定反射型、扩散发射型、回归反射型中，将离透镜面近且远离投光区域、受光区域的区域称为"无感带"，在无感带中无法检测。
响应时间			从光输入的断续开始，到控制输出动作或回归为止的延迟时间称为「响应时间」。 在光电传感器中，一般动作时间（Ton）回归时间（Toff）。

项目	说明图	含义
遮光动作 DARK ON		遮光动作（DARK ON）的定义 是指在对射型中遮蔽投光光束等情况下，进入受光器的光量减少到标准以下时的输出动作，表示为动作模式：遮光时ON， DARK ON。 入光动作（LIGHT ON）的定义 是指在扩散反射型中，接近检测物体等情况下，进入受光器的光量增加到标准以上时的输出动作，表示为动作模式：入光时ON，LIGHT ON。
入光动作 LIGHT ON
使用环境亮度		使用环境亮度用受光器的受光面亮度表示，并将受光输出相对于200lx时的值变化±20％时的亮度定义为「使用环境亮度」。 并不是进行误动作之前的动作界限亮度。
标准检测物体		无论对射型或回归反射型，都将具有比光学系统的对角线长度更大直径的不透明体测杆作为标准检测物体。 一般在对射型中，将投?受光透镜的对角线长度作为标准检测物体的直径，而在回归反射型中则使用反射板的对角线长度。 根据反射板的标准物体的大小 在扩散反射型中，将比投光光束直径更大的白画纸作为标准检测物体。
最小检测物体		对射型、回归反射型的情况下，在额定检测距离上将灵敏度调整为稳定入光动作值，将可检测的最小检测物体作为代表例。   在反射型中，将灵敏度设定为最大，将可检测的最小检测物体作为代表例。
安装狭缝时的最小检测物体		对射型 在投、受光器两者上都安装狭缝，在额定检测距离上将灵敏度调整为进行正确入光动作的值，如左图所示，将检测物体沿狭缝的较长方向平行移动，将可检测的最小检测物体作为代表例。

特性数据的读法

对射型/回归反射型

平行移动特性	受光输出余度－距离特性
对射型的情况下：表示已固定投光器时，受光器的检测界限位置。 回归反射型的情况下：表示已固定传感器的位置时，回归反射伴的检测界限位置。 无论哪种情况下，旋钮均为MAX。被上下两侧的线围住的区域是可检测区域。 设置多个对射型的情况下，为了避免相互干扰，需要图示1.5倍的区域。	受光输出余度用对灵敏度进行最大设定情况下的数值来表示。 上述为额定检测距离为15m的机型的示例。在额定检测距离中，能读取约6倍的受光输出余度。

  扩散反射型

动作区域特性	检测距离-检测物体的大小特性
表示将标准检测物体沿Y方向（与光轴垂直的方向）移动时，检测开始的位置。 在图中，向下侧弯曲的图表，是将检测物体从下侧移动时的图表。	表示根据检测物体的大小和表面颜色的不同，检测距离变化的情况。 这些是相对于标准检测物体的值，检测物体如果发生变化，动作区域、检测距离也发生变化。

  扩散反射型/回归反射型

检测物体的宽度与动作区域

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