光電開關(guān)原理及應(yīng)用

一、前言 光電開關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場合得到應(yīng)用。 ?

?二、光電開關(guān)介紹 1、工作原理 光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。工作原理如圖1所示。多數(shù)光電開關(guān)選用的是波長接近可見光的紅外線光波型。圖2是德國SICK公司的部分光電開關(guān)外型圖。

2、光電開關(guān)的分類及術(shù)語解釋 （1）、分類 ①漫反射式光電開關(guān)：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。 ②鏡反射式光電開關(guān)：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。 ③對射式光電開關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體為不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測裝置。 ④槽式光電開關(guān)：它通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運(yùn)動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體,使用安全可靠。 ⑤光纖式光電開關(guān)：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，可以對距離遠(yuǎn)的被檢測物體進(jìn)行檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。 它們的工作光線示意圖如圖3所示。 （2）術(shù)語解釋 常見的術(shù)語示意圖如圖4所示。 ①檢測距離：是指檢測體按一定方式移動，當(dāng)開關(guān)動作時測得的基準(zhǔn)位置（光電開關(guān)的感應(yīng)表面）到檢測面的空間距離。額定動作距離指接近開關(guān)動作距離的標(biāo)稱值。 ②回差距離：動作距離與復(fù)位距離之間的絕對值。 ③響應(yīng)頻率：在規(guī)定的1s的時間間隔內(nèi)，允許光電開關(guān)動作循環(huán)的次數(shù)。 ④輸出狀態(tài)：分常開和常閉。當(dāng)無檢測物體時，常開型的光電開關(guān)所接通的負(fù)載由于光電開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當(dāng)檢測到物體時，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 ⑤檢測方式：根據(jù)光電開關(guān)在檢測物體時發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同，可分為漫反射式、鏡反射式、對射式等。 ⑥輸出形式：分NPN二線、NPN三線、NPN四線、PNP二線、PNP三線、PNP四線、AC二線、AC五線（自帶繼電器），及直流NPN/PNP/常開/常閉多功能等幾種常用的輸出形式。 ⑦指向角：見光電開關(guān)的指向角示意圖,即如圖4的下部三個小圖所示。 ⑧表面反射率：漫反射式光電開關(guān)發(fā)出的光線需要經(jīng)檢測物表面才能反射回漫反射開關(guān)的接受器，所以檢測距離和被檢測物體的表面反射率將決定接受器接收到光線的強(qiáng)度。粗糙的表面反射回的光線強(qiáng)度必將小于光滑表面反射回的強(qiáng)度,而且，被檢測物體的表面必須垂直于光電開關(guān)的發(fā)射光線。常用材料的反射率如表1所示。 表1?常用材料的反射率 材料 反射率 材料 反射率 白畫紙 90% 不透明黑色塑料 14% 報紙 55% 黑色橡膠 4% 餐巾紙 47% 黑色布料 3% 包裝箱硬紙板 68% 未拋光白色金屬表面 130% 潔凈松木 70% 光澤淺色金屬表面 150% 干凈粗木板 20% 不銹鋼 200% 透明塑料杯 40% 木塞 35% 半透明塑料瓶 62% 啤酒泡沫 70% 不透明白色塑料 87% 人的手掌心 75% ⑨環(huán)境特性：光電開關(guān)應(yīng)用的環(huán)境亦會影響其長期工作可靠性。當(dāng)光電開關(guān)工作于最大檢測距離狀態(tài)時，由于光學(xué)透鏡會被環(huán)境中的污物粘住，甚至?xí)灰恍?qiáng)酸性物質(zhì)腐蝕，以至其使用參數(shù)和可靠性降低。較簡便的解決方法就是根據(jù)光電開關(guān)的最大檢測距離（S_n）降額使用來確定最佳工作距離。 （3）使用注意事項 ①紅外線傳感器屬漫反射型的產(chǎn)品，所采用的標(biāo)準(zhǔn)檢測體為平面的白色畫紙。 ②紅外線光電開關(guān)在環(huán)境照度高的情況下都能穩(wěn)定工作，但原則上應(yīng)回避將傳感器光軸正對太陽光等強(qiáng)光源。 ③對射式光電開關(guān)最小可檢測寬度為該種光電開關(guān)透鏡寬度的80%。 ④當(dāng)使用感性負(fù)載（如燈、電動機(jī)等）時，其瞬態(tài)沖擊電流較大，可能劣化或損壞交流二線的光電開關(guān)，在這種情況下，請將負(fù)載經(jīng)過交流繼電器來轉(zhuǎn)換使用。 ⑤紅外線光電開關(guān)的透鏡可用擦鏡紙擦拭，禁用稀釋溶劑等化學(xué)品，以免永久損壞塑料鏡。 ⑥針對用戶的現(xiàn)場實際要求，在一些較為惡劣的條件下，如灰塵較多的場合，所生產(chǎn)的光電開關(guān)在靈敏度的選擇上增加了50%，以適應(yīng)在長期使用中延長光電開關(guān)維護(hù)周期的要求。 ⑦產(chǎn)品均為SMD工藝生產(chǎn)制造，并經(jīng)嚴(yán)格的測試合格后才出廠，在一般情況下使用均不會出現(xiàn)損壞。為了避免意外性發(fā)生，請用戶在接通電源前檢查接線是否正確，核定電壓是否為額定值。 ??? 以上各注意事項示意圖見圖5。 三、應(yīng)用舉例 從圖6可以看出光電開關(guān)的各種應(yīng)用。其中，圖6（a）為光電開關(guān)用于對材料的定位剪切控制；圖6（b）為用光電開關(guān)來控制液面位的上下限值，當(dāng)液面位高于或低于上下極限液面位時，光電開關(guān)控制電路可使閾門打開或關(guān)閉，使液面位的高度保持在上下限之間；圖6（c）為利用物體對光的遮擋作用，檢測物體的通過個數(shù)，或物體是否存在；圖6（d）為利用光的直線傳播性，檢驗產(chǎn)品是否等高排列；圖6（e）為將光電開關(guān)用在流水生產(chǎn)線上，來檢測產(chǎn)品的個數(shù)；圖6（f）為用光電開關(guān)檢測液面位的高低。 ??? 四、結(jié)束語 除了以上介紹的例子外，光電開關(guān)還在許多方面得到了應(yīng)用，例如在行程控制、直徑限制、轉(zhuǎn)速檢測、氣流量控制等方面。我們相信光電開關(guān)會做得越來越先進(jìn)，它的應(yīng)用也會越來越廣泛。 ? ? 參考文獻(xiàn) [1] 楊崇志.特殊新型電子元器件手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001
[2] 李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,2003 ? The Principle And Application Of Photoelectric Switch Abstract： In this paper, the principle, technical term, category and usage announcements of photoelectric switch are introduced. With some actual examples，the applications of photoelectric switch ?are elucidated. Keywords：sensor； photoelectric switch； principle； application ? 作者簡介： 鄧重一，湖南建材高等?？茖W(xué)校副教授，研究方向為檢測技術(shù)、信號處理、EDA技術(shù)。