光電開關原理及應用

一、前言 光電開關是傳感器大家族中的成員，它把發射端和接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關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用。 ?

?二、光電開關介紹 1、工作原理 光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，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。光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。工作原理如圖1所示。多數光電開關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外型圖。

2、光電開關的分類及術語解釋 （1）、分類 ①漫反射式光電開關：它是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，物體將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。當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是首選的檢測模式。 ②鏡反射式光電開關：它亦集發射器與接收器于一體，光電開關發射器發出的光線經過反射鏡反射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電開關就產生了檢測開關信號。 ③對射式光電開關：它包含了在結構上相互分離且光軸相對放置的發射器和接收器，發射器發出的光線直接進入接收器，當被檢測物體經過發射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生了開關信號。當檢測物體為不透明時，對射式光電開關是最可靠的檢測裝置。 ④槽式光電開關：它通常采用標準的U字型結構，其發射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經過U型槽且阻斷光軸時，光電開關就產生了開關量信號。槽式光電開關比較適合檢測高速運動的物體，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：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導光線，可以對距離遠的被檢測物體進行檢測。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）術語解釋 常見的術語示意圖如圖4所示。 ①檢測距離：是指檢測體按一定方式移動，當開關動作時測得的基準位置（光電開關的感應表面）到檢測面的空間距離。額定動作距離指接近開關動作距離的標稱值。 ②回差距離：動作距離與復位距離之間的絕對值。 ③響應頻率：在規定的1s的時間間隔內，允許光電開關動作循環的次數。 ④輸出狀態：分常開和常閉。當無檢測物體時，常開型的光電開關所接通的負載由于光電開關內部的輸出晶體管的截止而不工作，當檢測到物體時，晶體管導通，負載得電工作。 ⑤檢測方式：根據光電開關在檢測物體時發射器所發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：漫反射式光電開關發出的光線需要經檢測物表面才能反射回漫反射開關的接受器，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度。粗糙的表面反射回的光線強度必將小于光滑表面反射回的強度,而且，被檢測物體的表面必須垂直于光電開關的發射光線。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環境特性：光電開關應用的環境亦會影響其長期工作可靠性。當光電開關工作于最大檢測距離狀態時，由于光學透鏡會被環境中的污物粘住，甚至會被一些強酸性物質腐蝕，以至其使用參數和可靠性降低。較簡便的解決方法就是根據光電開關的最大檢測距離（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品，所采用的標準檢測體為平面的白色畫紙。 ②紅外線光電開關在環境照度高的情況下都能穩定工作，但原則上應回避將傳感器光軸正對太陽光等強光源。 ③對射式光電開關最小可檢測寬度為該種光電開關透鏡寬度的80%。 ④當使用感性負載（如燈、電動機等）時，其瞬態沖擊電流較大，可能劣化或損壞交流二線的光電開關，在這種情況下，請將負載經過交流繼電器來轉換使用。 ⑤紅外線光電開關的透鏡可用擦鏡紙擦拭，禁用稀釋溶劑等化學品，以免永久損壞塑料鏡。 ⑥針對用戶的現場實際要求，在一些較為惡劣的條件下，如灰塵較多的場合，所生產的光電開關在靈敏度的選擇上增加了50%，以適應在長期使用中延長光電開關維護周期的要求。 ⑦產品均為SMD工藝生產制造，并經嚴格的測試合格后才出廠，在一般情況下使用均不會出現損壞。為了避免意外性發生，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、應用舉例 從圖6可以看出光電開關的各種應用。其中，圖6（a）為光電開關用于對材料的定位剪切控制；圖6（b）為用光電開關來控制液面位的上下限值，當液面位高于或低于上下極限液面位時，光電開關控制電路可使閾門打開或關閉，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，或物體是否存在；圖6（d）為利用光的直線傳播性，檢驗產品是否等高排列；圖6（e）為將光電開關用在流水生產線上，來檢測產品的個數；圖6（f）為用光電開關檢測液面位的高低。 ??? 四、結束語 除了以上介紹的例子外，光電開關還在許多方面得到了應用，例如在行程控制、直徑限制、轉速檢測、氣流量控制等方面。我們相信光電開關會做得越來越先進，它的應用也會越來越廣泛。 ? ? 參考文獻 [1] 楊崇志.特殊新型電子元器件手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社,2001
[2] 李科杰.新編傳感器技術手冊[M].北京：國防工業出版社,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，湖南建材高等專科學校副教授，研究方向為檢測技術、信號處理、EDA技術。