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光纤传感器技术

光纤传感器将光传导到测试对象上并评估返回光的强度变化来检测物体和状态。它们可以识别非常小的物体，安装非常灵活，并且对恶劣环境具有很强的耐抗性，即使在高的温度、湿气大或潮湿的介质中也是如此。 

什么是光纤传感器？

光纤传感器利用光线在通过玻璃纤维或塑料光纤传输时的物理特性来检测物体。它们由一个光纤放大器以及带有或不带光学器件的光纤组成。光纤放大器包含光源和接收元件以及传感器的处理单元。光纤仅用于发射和接收光。由于光纤不含电子元件，光纤传感器特别适用于狭小的空间、要求苛刻的环境或无法使用其他传感器的应用。

   

光纤传感器如何工作？

原则上，光纤传感器用于测量波长和强度等不同尺寸的光，从而得出其他测量值。在工业自动化中，通常使用能量原理。此时，发射器（通常为 LED 光源）将光耦合到光纤中。光从光纤末端射出并照射到反射光的对象（漫反射 / 反射原理）上或被接收器直接捕获（对射型传感器原理）。然后，将返回的光传导到分析单元，在那里光电二极管测量接收到的光量。电子装置不断将该光量与规定的阈值进行比较，并相应地切换传感器的输出端。

光纤传感器的优点是什么？

安装灵活

光纤传感器非常紧凑，非常适合安装在狭小的工业环境。此外，光纤柔性大并且衰减少，也可实现更长的传输距离。

极高的工作可靠性

光纤传感器非常耐用，即使在高温、潮湿和腐蚀性介质（如冷却润滑剂或清洗剂）等恶劣环境条件下也能确保可靠的性能。 

电磁兼容性

在光缆中，信号传输是纯光学的，因此与 EMC 相关的挑战对光纤传感器没有影响。此外，它们特别耐抗电磁干扰。

光纤与小型光电装置：技术概览

 
光纤 小型光电装置
测量作用范围
 
环境温度
 
安装工作量
识别透明物体
 
微小零件识别
灵活性和个性化设置
 
测量作用范围
 
光纤
小型光电装置
环境温度
 
光纤
小型光电装置
安装工作量
光纤
小型光电装置
识别透明物体
 
光纤
小型光电装置
微小零件识别
光纤
小型光电装置
灵活性和个性化设置
光纤
小型光电装置

什么是光纤放大器？

光纤放大器也称为光学放大器，是放大光纤通信系统中信号的组件，在玻璃纤维通信中发挥着重要的作用。在这里，它们可以扩大传输范围。

在工业自动化领域，光纤放大器是使用光纤（如玻璃纤维或塑料光纤）来测量不同物理量（如压力、温度、应变以及物体存在性或位置）的传感器。它们利用光纤传递光的能力来检测光谱或光量的变化。


什么是多设备模式？

传感器组合，也称为多设备模式，由多个能够直接相互通信的传感器组成。这时，即使各个传感器彼此靠近或对置，并且检测同一个物体，都不会相互干扰。如此可以实现各传感器之间的高效协调和协作。此外，通过将传感器组合在一起可以最大程度地减少布线工作，因为只需一根与 IO-Link 主站相连接的电缆。连接的所有传感器的信号电平和开关通道都是通过 IO-Link 过程数据、连接电缆和 IO-Link 主站的端口传输。如此可以优化数据传输，显著减少布线和安装工作量。

光纤传感器是否会相互影响？

紧密安装或对准同一点的光纤可能发生相互影响。wenglor 的光纤传感器采用不同技术来减少或抑制这种影响。P1XD0 和 P1XD1 系列通过其光束实现同步，而 P1XD2 系列作为多设备模式通过内部总线实现同步，从而防止相互影响。建议不要将多个传感器头紧密安装或将传感器头对准同一个测试对象。也可以使用 P1XD2 系列的传感器。

什么是对准模式？

为了可靠地识别物体，必须将光纤精确对准目标。特别是在使用对射原理时，应尽量精确地相互轴向安放发射器和接收器。由于放大器或分析单元通常安装在控制柜内或视野之外，通常要根据操作人员的视野和估算来设置。对准模式通过发射光的脉冲来显示信号强度。与轿车内的驻车传感器类似，接收到的信号越强，脉冲频率就越高。对传感器头的角度和轴线进行调整，直到达到最大信号的最佳对准水平。因此，即使发射器与接收器的距离较大，也能高效、精确地进行设置。
为什么需要凹槽导轨适配器？
放大器单元通常安装在标准的 DIN 导轨上，其也称为凹槽导轨。安装时无需工具，只需将放大器卡入导轨即可，节省时间。使用多设备模式，可以将多个光纤放大器并排安装在控制柜中，既节省空间又能防止滑动。

不同光源类型具有哪些优点？

根据应用的具体要求，wenglor 光纤传感器使用红光、蓝光、粉色光或红外光。

  • 红色 LED（633 nm）具有高度的过程稳定性，即使是非常明亮或白色的测试对象也是如此。

  • 蓝色 LED（455 nm）尤其适合发光、光亮或深色表面的精确测量，因为它们穿透测试对象的深度较小。

  • 在粉色光模式下，红色和蓝色 LED 同时激活，以提高光功率并改善传感器的作用范围。

  • 红外光（超过 750 nm）人眼看不见，可防止视觉干扰和篡改 – 非常适合机器人夹钳或自动驾驶车辆上的移动式传感器。此外，它凭借更高的功率实现更大的作用范围。

什么是光纤？

光纤是由导光芯和折射率不同的护套组成的光学纤维。在此，光通过护套上的总反射穿过导光芯，几乎没有损失。当光从光纤射出时， 它以大约 60 度的张角散射。
 

什么是折射率？

折射率是指光束从一种介质进入另一种介质时改变方向的程度。它由真空 c 中的光速与被观察介质 v 中的光速比率定义。折射率 n 是无量纲的，会随着温度和光的波长等因素而变化。

在确定折射率时使用以下物理公式：
 
n = v/c

什么是张角？

张角是指光从光纤中射出的角度。大张角的优点是，即使距离较小也能可靠识别不均匀的物体。此外，操作简便，因为设备的方向并不重要。但是，由于光不聚焦，光功率会快速分布在大面积上，从而会缩小作用范围。

为了控制这种宽大的张角，需要时会使用对光进行聚焦或准直的透镜。这样可以检测非常小的物体或显著增大光缆的作用范围。

光纤比较

塑料光纤非常适合检测占用空间小的应用中的物体。相反，玻璃纤维光纤在苛刻的高温环境条件下表现出色，并且耐抗化学腐蚀。这些材料的这些优点和其他优点为满足不同要求提供了诸多的应用可能性。

玻璃纤维光纤

传输可见光和红外光
耐抗极端温度范围
适用于腐蚀性或潮湿的工业环境
在红外光源区域衰减极小
弯曲过度或反复弯曲可能导致断裂

塑料光纤

传输可见光
对极端温度范围的耐抗性较弱
不适用于腐蚀性或潮湿的工业环境
在可见光区域衰减极低
柔性强，可以反复弯曲

平行光纤

在这种反射类型中，光纤彼此平行，以传输光信号。这种纤维排列既有塑料光纤，也有玻璃纤维光纤，用于大多数标准应用。


 

同轴光纤

同轴反射类型是一种高精度测量方法，由一个导光芯（发射器）和一个周围区域（接收器）组成。对于这种类型，测试对象进入测量范围的方向对光纤传感器的位置没有影响。

 

混合纤维

混合反射类型是指许多发射-接收光纤排列在一起而不分离的玻璃纤维结构。光纤的位置和与对象的距离并不重要。成像区域非常小或不存在。


光纤直径 / 光纤束直径的效应

直径更大的导光芯能使更多光穿过光缆。这可扩大作用范围并能改善深黑色物体的识别。因此，有些光纤头（如光纤带）需要更多的纤维，从而需要较大的直径。

弯曲半径是指什么？

弯曲半径决定了光缆在不损坏或影响信号质量的情况下可以弯曲的程度。如果光纤弯曲过度，光缆中的光纤护套可能会断裂，光可能会从光纤芯中逸出。这不仅会提高衰减，还会使光纤芯产生微裂纹，从而导致永久性损坏。因此，对于玻璃纤维光纤而言，注意弯曲半径尤为重要。

光纤是如何构造的？

塑料光纤

玻璃光纤

有哪些类型的玻璃纤维光纤护套？

塑料 PVC

最经济的解决方案。适用于无需特别耐抗环境影响的标准应用。

不锈钢

提供最大程度的机械应力保护。由于需要较大的弯曲半径，铺设灵活性较低。对气体或液体没有防护性。

硅胶

特别耐抗腐蚀性介质。绝对密封，流体和气体不会进入护套并损坏光纤。符合 FDA。

光纤传感器的功能原理有哪些？

漫反射原理

在漫反射模式下，发射器和接收器位于同一个外壳中。此时，发射器发出的光照射到测试对象上并返回到接收器。根据到达光纤接收器的反射光量检测物体。

对射原理

对射型号由一个相互对置的发射器和一个接收器组成。一旦测试对象穿过发射器和接收器之间的空间，光纤的光就会截断。然后通过降低接收到的光强进行识别。

镜反射传感器

在镜反射传感器原理中，发射器和接收器位于同一个外壳中，而反射器位于对面。当完全截断或减少反射器反射回的光时，就会检测物体。 

光纤带

光纤带用于监测区域。与仅在一个点内监测物体存在性的点状光斑相比，光纤带可以检测数厘米距离的物体。一旦信号衰减或完全截断，传感器就会识别物体。

动态重调与跳跃检测的比较

动态重调与跳跃检测都适用于在不断变化的环境条件下可靠地识别物体。在动态重调中，使用一个几乎固定的阈值，而跳跃检测没有阈值，而只是分析信号变化。

固定切换点

传感器最常用的运行模式是基于一个固定的切换点。这时，传感器根据预设的示教逻辑在示教过程中确定阈值或切换点。例如，在正常示教时，它相当于当前信号的 50%。如果环境条件以及要检测的物体非常恒定，则设有固定切换点的运行模式对干扰具有极强的耐抗性，因为外部影响无法改变切换点：如果信号超过设定的阈值，会激活输出端；如果低于此值，输出端会保持非激活状态。但是，如果信号由于脏污而发生变化，则可能导致永久性错误切换。

动态重调

动态重调尤其适用于采用静态背景的漫反射原理以及对射原理。此时未切换的状态应占主导地位，因为阈值仅在该状态下重调。如果光纤头或背景发生污染，会通过阈值的动态调节来补偿。

跳跃检测

在检测跳跃时绝对信号值并不重要。相反，可以将信号变化的方向（负向、正向或两个方向）、变化的大小和观察时间段纳入分析中。这可以识别非静态背景（如缓慢污染的输送带）中变化很大的物体（例如颜色或表面特性），也可以在无需事先示教（例如在切换批次时）的情况下识别物体。

光纤头概览

弯曲

弯曲的传感器头非常适合于狭小的空间，在这些空间光轴和光缆出口的方向必须不同。由于配有螺纹，传感器头可以轻松地拧入预制的孔中，或者用两个螺母固定到角钢或金属板上。

L 型

L 型可以两个螺钉轻松地安装，并提供预定义的光轴位置。由于光纤张角大，无需精确对准。
 

扁平状

传感器头呈扁平状，可以轻松装到工件托架的底部。传感器头的光缆出口灵活性便于布缆，可以向左、向右或向后布缆。

可弯曲

由于弯曲简便，细长的金属矛形传感器头可以满足相应应用的特定要求。

光纤带

采用对射传感器原理的光纤带非常适用于监测大面积区域。相比之下，漫反射型光纤带在识别异质物体时特别有效，通过分析反射光也可用于测量应用。

微型

微型传感器头特别适用于空间有限的应用。

螺纹

带有螺纹的传感器头可以实现快速简便的安装。它们可以直接拧入预钻孔中，也可使用两个螺母固定在角钢或金属板上。

光滑

光滑的传感器头非常适用于有限的空间，可以插入或粘贴到预制的安装支架中。

安装光纤传感器时应注意这一点

为了可靠地识别物体并保证准确的测量数据，在安装传感器时应注意以下提示。

长度和裁切

提供不同长度的光纤。客户可以裁切塑料光纤，玻璃光纤仅可进行工业裁切，因为裁切后必须进行打磨和抛光。长度几乎不会影响探测范围，但如果光纤较长，穿过的光会较少。


提示：选择适当的玻璃纤维光纤。

探测范围

由于光纤张角大，光纤的探测范围很小。较大的光纤束 / 导光芯直径或聚焦光的透镜可以实现较大的探测范围。


提示：光纤主要用于较小作用范围和微小零件的识别。

弯曲半径

光纤具有柔性，但必须遵守最小弯曲半径，以免发生损坏和光损失。高柔性塑料光缆适用于狭小的弯曲半径或移动安装。原则上以下情况适用：直径较小，弯曲半径也可较小。

提示<：/strong>安装高柔性光纤。

温度

塑料和玻璃纤维光纤在耐温性方面有所不同。温度超过 85°C，应使用带有不锈钢或硅胶护套的玻璃纤维光纤。

提示：由于长度不同，也可将分析单元置于控制柜中。

探针的对准

采用漫反射原理时，在侧面接近时发射器和接收器应与测试对象成 90° 角安装，以确保均匀的开启和关闭特性。

提示：与对象的平面对准会导致延时开启和关闭的偏移。

带有专用发射器的光缆

对于同轴发光的光纤头和某些光带，务必注意将光纤头上的发射器正确分配给放大器上的发射器。

提示：为此，放大器上标有箭头。

使用光纤传感器的领域和行业

金属加工业
在加工金属型材时，在固定夹具之前必须检测物体的存在性和尺寸。型材可以是黑色、白色、铬黄色、光亮或哑光。为此，在空间狭小的条件下要使用以发射接收原理工作的玻璃光纤光幕和通用型漫反射传感器。光纤布置在一条线上，形成光束。测量宽度，输出与玻璃纤维覆盖范围成正比的线性信号，从而确定正确位置。

电子行业
在电子行业，必须检测多个工位输送单元的印刷电路板，确保运输安全。在每个工位侧面的狭小横向支撑上各安装一根带发射器和接收器的弯曲光缆（光栅原理）。光缆以多路传输方式在输送段外部的中央光纤放大器上工作，如此可以防止相互干扰，确保每个工位的电路板得到可靠的检测。

光纤传感器对哪些物体识别不佳？

  • 水和其他透明液体会强烈吸收光线或通过折射改变光路，从而导致测量不准确。
  • 高度透明的物体（如透明玻璃）完全透过光线，而不会反射光线，这会增加检测难度。
  • 深黑色物体强烈吸收入射光线，几乎不反射或根本不反射光线，会阻碍信号返回传感器。
  • 高光亮物体会将光线反射到不可预测的方向，这会妨碍物体的精确识别。
     
 

 
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