物联网系统中如何通过光电效应实现位置监测_光电传感器

物联网系统中为什么要使用光电传感器

物联网系统中使用光电传感器的原因可以归结为以下几个方面：

一、光电传感器的特性与优势

1. 非接触性：光电传感器通过光线与物体相互作用来进行探测和测量，无需直接接触被测物体，避免了对物体的损坏和干扰。

2. 快速响应：由于光的速度非常快，光电传感器能够以亚微秒的时间内对物体进行探测和判断，实现快速响应和高频率的测量。

3. 高精度：光电传感器能够实现高精度的探测和测量，可达到亚毫米或更小的分辨率，适用于精密定位、测距、检测等领域。

4. 宽波长范围：光电传感器可以利用不同波长的光线进行探测，包括可见光、红外线、紫外线等，适用于不同物体和环境的检测需求。

5. 多功能性：光电传感器可以通过选择合适的工作模式、设置参数或使用特定附件，实现多种功能，如反射式、散射式、透明物体检测、测距等。

二、物联网系统的需求

1. 环境监测：物联网系统需要实时监测环境变化，如光照度、空气质量、水质等。光电传感器可以通过感应光线的强弱和颜色来判断环境的亮度和污染程度，从而帮助实现环境监测和治理。

2. 安防监控：在物联网系统中，安防监控是重要的一环。光电传感器可以通过感应光线的变化来判断周围是否存在人员或动物的活动，当光线强度发生变化时，自动触发报警系统，提高安防监控的效率和准确性。

3. 自动化生产控制：在工业生产中，光电传感器被广泛应用于自动化生产控制系统中。例如，在流水线上，光电传感器可以检测物品的位置和特征，实现物品的自动分拣和计数。此外，光电传感器还可以用于无人驾驶汽车的周围环境感知和控制。

4. 智能家居与智能城市：在智能家居和智能城市领域，光电传感器可以通过感应光线的强弱来判断室内光照度的变化，自动调节照明设备的亮度和颜色。同时，光电传感器还可以与其他智能设备联动，实现智能窗帘、智能窗户等功能，提高居住和生活的舒适性和便利性。

5. 其他应用场景

   1. 消费电子

      1. 环境光调节：智能手机中的环境光传感器可以根据周围环境光强度自动调节屏幕亮度，提供更舒适的视觉体验，并节省电量。

      2. 生物识别：指纹识别、人脸识别等生物识别技术也依赖于光电传感器，通过捕捉和分析光信号来实现身份的快速验证。

   2. 医疗健康

      1. 医疗设备：光电传感器在医疗设备中用于测量和检测各种生理参数，如心率、血压、血氧饱和度等。它们还可以用于无创血糖监测和生物医学成像等领域，为医疗诊断和治疗提供重要支持。

      2. 光子治疗：在光子治疗设备中，光电传感器用于探测和测量光信号，确保治疗过程的准确性和有效性。

   3. 交通运输

      1. 车辆检测：在交通运输领域，光电传感器用于车辆检测和自动驾驶技术。它们可以实时监测道路上的车辆和行人等物体，为智能交通系统提供精确的数据支持。

      2. 驾驶辅助系统：一些先进的驾驶辅助系统（ADAS）也利用光电传感器来实现紧急制动、自适应巡航控制等功能，提高驾驶安全性和舒适性。

   4. 其他领域

      1. 环境监测：光电传感器可用于水质监测等环境监测领域，测量水体中的溶解氧、浊度等指标，为环境保护和人类健康提供数据支持。

      2. 食品和饮料行业：在食品和饮料行业的制造和包装线上，光电传感器用于检测瓶盖的正确对齐和定向、包装过程中的药片数量等，确保生产线的顺利运行和产品质量。

三、总结

综上所述，物联网系统中使用光电传感器的原因主要在于其非接触性、快速响应、高精度、宽波长范围和多功能性等特性。这些特性使得光电传感器在环境监测、安防监控、自动化生产控制以及智能家居和智能城市等领域具有广泛的应用前景。随着物联网技术的不断发展和应用需求的增加，光电传感器将在更多领域发挥重要作用，推动物联网系统的创新和进步。

本文会再为大家详解传感器家族中的一员——光电传感器

光电传感器的定义

  光电传感器是一种利用光电转换原理，将光信号（如红外、可见及紫外光辐射）转换为电信号的传感器。它广泛应用于工业自动化、物流、医疗、安全等领域，用于实现各种检测、测量和控制功能。

光电传感器组成

  光电传感器一般由三部分组成：

1. 光源：通常是红外发射器或其他类型的光源，用于发射光线。

2. 光学通路：光线从光源发出后，经过光学通路（如透镜、光纤等）传输到被测物体或反射面。

3. 光电元件：光电元件是光电传感器中的核心部分，负责接收光信号并将其转换为电信号。常见的光电元件包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。

光电传感器原理

  光电传感器通过光电元件将光信号转换成电信号。当光源发出的光照射到被检测物体上，根据被检测物体对光的不同特性（如反射、折射、吸收或散射），光信号会发生相应的变化。这些变化的光信号随后被光电探测器接收，并转换为电信号输出。

光电传感器分类

1. 按测量方式分类

   1. 透射式光电传感器：光源与光电接收器分别位于被测物体的两侧。当物体在光路中时，会阻挡光线的透射，导致接收器接收到的光信号减弱或消失，从而触发输出信号的变化。

   2. 反射式光电传感器：光源和光电接收器位于同一侧，光线照射到被测物体上后反射回来，被接收器接收。根据反射光的变化来检测物体的存在、位置或移动。反射式光电传感器又可分为漫反射型和镜面反射型。

   3. 遮光式（或称为对射式）光电传感器：由发射器和接收器组成，发射器发出光线直接照射到接收器上。当物体进入光路并遮挡光线时，接收器接收不到光信号，从而触发输出信号的变化。

2. 按光源类型分类

   1. 红外光电传感器：使用红外光作为光源，具有较长的波长，能够穿透一些非透明物体或障碍物，因此在许多应用中非常受欢迎。

   2. 可见光光电传感器：使用可见光范围内的光线进行检测，通常用于颜色识别、亮度检测等场景。

   3. 激光光电传感器：采用激光作为光源，具有极高的方向性和亮度，适用于需要高精度测量的场景。

3. 按输出信号类型分类

   1. 模拟式光电传感器：输出连续变化的模拟信号，信号的强度与被测参数（如光强、位移等）之间存在一定的比例关系。

   2. 数字式（或称为开关式）光电传感器：输出离散的数字信号，通常只有两种状态（如高电平和低电平），用于表示物体的存在或不存在、通过或未通过等状态。

4. 按探测距离分类

   1. 近距离光电传感器：适用于检测距离较近的物体，通常探测距离在几毫米到几十厘米之间。

   2. 中距离光电传感器：探测距离在几十厘米到几米之间，适用于需要一定检测距离的场景。

   3. 远距离光电传感器：采用激光等光源，能够实现几米到几十米甚至更远的探测距离，适用于大型设备或室外环境的检测。

5. 按特殊功能分类

   1. 槽型光电传感器：通常用于检测物体是否通过特定的通道或路径，具有安装方便、检测可靠的特点。

   2. 光纤式光电传感器：使用光纤作为光的传输介质，能够实现非接触式的远距离测量和信号传输。

   3. 颜色识别光电传感器：通过检测物体表面反射或透射光的颜色信息来进行颜色识别。

光电传感器选型参数

1. 检测距离

       这个参数决定了传感器能够检测到的最远距离，需要根据实际应用场景中的物体距离来选择合适的传感器。

   1. 对射型：投光器和受光器之间的距离。

   2. 漫反射型：传感器至标准检测物之间的距离。

   3. 回归反射型：传感器和反光镜之间的距离。

2. 最小检测物

       灵敏度调整为最大值时，可检测的检测物的最小尺寸。这个参数对于需要检测小物体的应用尤为重要。

3. 响应时间

       传感器接收到光并输出信号所需的时间。响应时间越短，传感器的反应速度越快，适用于需要快速响应的应用场景。

4. 重复精度

       检测物从远到近靠近传感器直到输出变为ON的位置为动作距离，从此位置向外移动直到输出变为OFF的位置为复位距离。应差距离=复位距离-动作距离。这个参数反映了传感器在多次检测中的一致性，对于需要高精度检测的应用非常重要。

5. 工作模式

       根据应用需求选择合适的工作模式。

   1. 常开模式：接收端接收到足够的受光量时输出ON。

   2. 常闭模式：接收端接收到足够的受光量不足或无受光量时输出ON。

6. 光源类型

       常见的光源类型包括红外光、可见光、激光等。不同光源类型具有不同的特性和适用范围，需要根据具体需求进行选择。

7. 传感模式

       光电传感器有多种传感模式，如透射式、反射式、对射式等。每种模式适用于不同的应用场景和检测对象。

8. 传感范围

       传感范围是指传感器能够检测到的物体尺寸或距离范围。根据实际需求选择合适的传感范围。

9. 安装方式

       安装方式包括导线引出型和接插件型等。需要根据实际安装环境和条件选择合适的安装方式。

10. 输出类型

        光电传感器的输出类型主要有晶体管输出和继电器接点输出等。根据后续电路或设备的需求选择合适的输出类型。

11. 工作电压

        传感器的工作电压需要与供电系统相匹配，以确保传感器能够正常工作。

12. 封装材料

        封装材料的选择需要考虑传感器的使用环境，如温度、湿度、腐蚀性等因素。

13. 特殊功能

        一些光电传感器还具有特殊功能，如可处理高速和/或高温、逻辑控制、可计算机编程、网络兼容性等。根据应用需求选择具有相应特殊功能的传感器。

光电传感器使用注意事项

1. 安装与位置

   1. 平行安装：光电传感器的前端面与被检测的工件或物体表面必须保持平行，这样可以确保光电传感器的转换效率最高。

   2. 避免强光直射：光电传感器必须安装在没有强光直接照射的地方，因为强光中的红外光会影响接收管的正常工作。如果环境亮度较高，应尽量避免将传感器光轴面向阳光等强光源。

   3. 角度调整：当被测物体有光泽或遇到光滑金属面时，一般反射率都很高，可能会产生近似镜面的作用。此时，应将光电传感器与检测物体安装成10～20°的夹角，以防止误动作。

2. 配线与负载

   1. 配线规范：高压线、动力线和光电传感器的配线不应放在同一配线管或配线槽内，以防止感应造成的误动作或损坏。原则上，这些线路应分别单独配线。

   2. 感性负载处理：当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能会劣化或损坏交流二线的光电传感器。在这种情况下，应将负载通过交流继电器来转换使用，以保护光电传感器。

   3. 消除浪涌：在输出端接DC继电器等感性负载时，请使用二极管或变阻器以消除浪涌，确保电路稳定。

3. 维护与保养

   1. 清洁透镜：红外线光电传感器的透镜可以用擦镜纸擦拭，但严禁使用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜。

   2. 避免化学物品：严禁用稀释剂等化学物品接触光电传感器，以免损坏光学镜片。

   3. 定期检查：定期清理光电传感器探头表面，确保其表面清洁无遮挡物。同时，检查传感器的工作状态，如有异常应及时处理。

4. 环境适应性

   1. 环境亮度：虽然光电传感器在环境亮度较高的情况下可稳定工作，但应避免将传感器暴露在超过其承受范围的光照强度下。

   2. 避免恶劣环境：光电传感器的使用场所应尽量避开灰尘较多、腐蚀性气体较多、环境温度变化过大、振动冲击力大、无减震措施的场所，以延长其使用寿命并减少故障率。

5. 其他注意事项

   1. 台面影响：光电传感器在贴近台面安装时，可能会出现台面反射的部分光束照到受光器而造成工作不稳定。此时，可采用使受光器与投光器离开台面一定距离并加装遮光板的方法来解决。

   2. 配线长度：若传感器配线过长，浪涌等会导致传感器误动作。因此，应尽量缩短配线长度以减少干扰。

   3. 相互干扰：近距离使用多个光电传感器时，可能会相互干扰。在安装时应考虑投光器和受光器的位置关系，以避免相互干扰。

与光继电器，激光雷达比较

1. 定义与工作原理

   1. 光电传感器：光电传感器是一种利用光电效应将光信号转换为电信号的传感器。它通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。当被测物体进入受光器作用范围时，反射回来的光脉冲被光电元件接收并转换为电信号，进而触发相应的控制动作。光电传感器广泛应用于工业自动化、机器人、安防系统等领域，用于检测物体的存在、位置、速度等参数。

   2. 光继电器：光继电器则是一种利用光耦合技术实现输入和输出之间电气隔离的固态继电器。它主要由发光二极管（LED）和光敏元件（如光敏三极管或MOSFET）组成。当输入端的LED发光时，光敏元件根据光的强度转换成相应的电信号，从而控制输出端的导通或截止。光继电器具有无机械触点、长寿命、低动作电流、高隔离电压等优点，广泛应用于需要电气隔离的应用场合，如电力控制系统、通信设备等。

   3. 激光雷达（LIDAR）：是一种通过使用激光束来测量目标位置和距离的遥感技术。它是一种主动传感器，能够提供高精度的空间数据，广泛应用于无人驾驶车辆、机器人、地图制作、环境监测等领域。基于激光测距技术，通过发射激光束并测量其反射回来的时间来计算距离。激光雷达系统通常包括激光发射器、接收器、扫描系统和计算单元，其中激光发射器产生激光脉冲，接收器接收反射回来的激光，并将其转换为电信号，计算单元则对这些信号进行处理和分析，以得出目标物体的位置和距离信息。

2. 结构与组成

   1. 光电传感器：光电传感器一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成。发送器发出光束，接收器接收并检测光束的变化，检测电路则对接收到的信号进行处理并输出相应的控制信号。

   2. 光继电器：光继电器则主要由发光二极管（LED）和光敏元件组成，通过光信号传输实现输入和输出之间的电气隔离。其结构相对简单，但功能强大。

   3. 激光雷达的主要组成部分包括激光发射器、发射光学系统、接收光学系统、光电探测器、扫描系统、信号处理与控制系统以及电源与供电系统。这些部分共同协作，实现对目标物体的精确探测和定位。

3. 应用场景与功能

   1. 光电传感器：光电传感器主要用于检测物体的存在、位置、速度等参数，广泛应用于工业自动化、机器人、安防系统等领域。例如，在自动化生产线上，光电传感器可以用于检测产品的到位情况、计数等；在安防系统中，光电传感器则可以用于烟雾报警、入侵检测等。

   2. 光继电器：光继电器则主要用于需要电气隔离的应用场合，如电力控制系统、通信设备等。它能够实现输入和输出之间的电气隔离，提高系统的安全性和可靠性。同时，光继电器还具有长寿命、低动作电流等优点，适用于高频切换和精密控制等场合。

   3. 激光雷达：则以其高精度和高可靠性的特点，在无人驾驶、机器人导航、地图制作、环境监测等领域发挥着重要作用。特别是在无人驾驶领域，激光雷达作为不可或缺的传感器之一，为车辆提供了准确的环境感知能力，确保了车辆的安全行驶。

4. 性能特点

   1. 光电传感器：光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。它能够快速准确地检测物体的存在和位置变化，并且不受环境因素的影响（如温度、湿度等）。但是，其测量精度和距离可能受到光源强度、环境光线等因素的影响。

   2. 光继电器：光继电器则具有无机械触点、长寿命、低动作电流、高隔离电压等优点。它能够实现输入和输出之间的电气隔离，减少电磁干扰和电气噪声的影响。同时，光继电器的使用寿命长，可靠性高，适用于各种恶劣的工作环境。

   3. 激光雷达：则以其高精度、高可靠性和长测距等特点著称。激光雷达能够穿透雾霾等恶劣天气条件，实现稳定可靠的环境感知。同时，激光雷达的多维扫描能力也为无人驾驶等领域提供了更全面的环境信息。

光电传感器厂商

国际知名厂商

1. 欧姆龙（Omron）

   1. 产品特点：欧姆龙在光电传感器领域拥有强势产品，以其高稳定性和可靠性著称。

   2. 市场份额：作为行业龙头企业，欧姆龙在光电传感器市场中占据重要地位。

2. 西克（SICK）

   1. 产品特点：西克是全球知名的传感器和分析仪器系统制造商，其光电传感器广泛应用于工业自动化领域。

   2. 应用领域：工厂自动化、物流自动化、过程自动化等。

3. 松下（Panasonic）

   1. 产品特点：松下光电传感器在光电光纤类传感器中具有很高的性能，广泛应用于各种工业场合。

   2. 品牌优势：松下作为国际知名品牌，其产品在市场上具有很高的认可度。

4. 基恩士（KEYENCE）

   1. 产品特点：基恩士在光纤和视觉传感器方面有着卓越的表现，激光位移传感器等产品性能优异。

   2. 应用领域：自动化检测、测量等领域。

国内知名厂商

1. 歌尔股份

   1. 产品特点：歌尔股份旗下歌尔微电子是中国最大的MEMS传感器企业，也是全球最大的MEMS麦克风公司。其光电传感器产品在市场上具有较高的竞争力。

   2. 市场地位：中国电声元器件龙头，中国半导体MEMS十强企业。

2. 华润微电子

   1. 产品特点：华润微电子是领先的半导体和智能传感器供应商，拥有芯片设计、晶圆制造、封装测试等全产业链一体化经营能力。其光电传感器产品在性能和质量上均表现出色。

   2. 市场地位：中国半导体MEMS十强企业，IDM企业。

3. 兆易创新

   1. 产品特点：兆易创新旗下思立微是中国主要指纹识别传感芯片供应商，同时也在光电传感器领域有所布局。其产品在生物识别、光电检测等方面具有优势。

   2. 市场地位：集存储器、微控制器、传感器于一体的领先的半导体解决方案供应商。

4. 亨通光电

   1. 产品特点：亨通光电在光电传感器领域也有涉足，其光电传感器产品广泛应用于通信、物联网等领域。

   2. 合作与研发：与安徽传矽微电子有限公司、中国科学院上海技术物理研究所等合作，共同推进光电传感器的研发和应用。

5. 奥普光电

   1. 产品特点：奥普光电主要产品包括新型医疗检测仪器、光电经纬仪光机分系统和航空/航天相机光机分系统等，其中光电传感器产品性能稳定可靠。

   2. 应用领域：医疗、航空航天等领域的光电检测与测量。

6. 欧菲光

   1. 产品特点：欧菲光基于Metalmesh和AgNW的柔性触控技术产品在光电性能和机械性能方面均处于行业领先水平，其光电传感器产品在消费电子领域有着广泛应用。

   2. 市场份额：在光电传感器市场中占据一定份额，特别是在手机等消费电子领域。

此外，还有如理工光科、奋达科技等厂商也在光电传感器领域有所建树。这些厂商的产品各具特色，广泛应用于工业自动化、消费电子、医疗、航空航天等多个领域。

供应商A:欧姆龙

https://components.omron.com.cn/

1、产品能力

（1）主推型号1：E3Z-R81 2M BY OMC

对应的产品详情介绍

产品特性

1. 检测方式：

   1. 该传感器采用PNP输出方式，能够稳定可靠地检测物体的存在或位置。

2. 检测距离：

   1. 针对不同类型的检测方式（如扩散反射型、回归反射型等），其检测距离有所不同。一般而言，其检测距离可达一定范围，如扩散反射型可达1m等。

3. 光源与波长：

   1. 传感器使用红外光二极管作为光源，发光波长为870nm，这种光源具有较强的穿透力和抗干扰能力。

4. 电气特性：

   1. 电源电压：DC12～24V±10%，适用于多种电源环境。

   2. 消耗电流：投光器约15mA，受光器约20mA（具体值可能因型号而异）。

   3. 控制输出负载电源电压：DC26.4V以下，负载电源电流100mA以下。

5. 环境适应性：

   1. 工作温度范围宽，可达-25℃～+55℃，适用于多种工业环境。

   2. 防护等级高，达到IP67标准，具有良好的防尘防水性能。

6. 其他特性：

   1. 独特的防止外部乱光计算方法，即使在变频荧光灯下也能正常工作。

   2. 光轴与机械轴的偏差控制在±2.5°以内，便于安装和调试。

   3. 支持多种国际认证规格的时间标准设计，便于全球应用。

应用领域

欧姆龙光电传感器E3Z-R81 2M BY OMC广泛应用于各种生产线和自动化控制系统中，如物料检测、位置控制、自动化装配等场景。其高可靠性和稳定性使得它在工业自动化领域备受青睐。

• 研发设计注意使用事项

1. 传感器应安装在无振动、无强磁场干扰的环境中，以保证其正常工作。

2. 定期检查传感器的性能和连接状态，及时发现并处理潜在问题。

2、支撑

（1）技术产品

• 技术资料

    F35AEACB912A6FBC58A9357AE2B3E717.pdf

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库

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