光電開(kāi)關(guān)原理及應(yīng)用

一、前言 光電開(kāi)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(cè)的目的。由于光電開(kāi)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(chǎng)合得到應(yīng)用。 ?

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

2、光電開(kāi)關(guān)的分類及術(shù)語(yǔ)解釋 （1）、分類 ①漫反射式光電開(kāi)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(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，物體將光電開(kāi)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(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。 ②鏡反射式光電開(kāi)關(guān)：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。 ③對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)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(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體為不透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)裝置。 ④槽式光電開(kāi)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(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較適合檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)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(kāi)關(guān)：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來(lái)引導(dǎo)光線，可以對(duì)距離遠(yuǎn)的被檢測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)。通常光纖傳感器分為對(duì)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(yǔ)解釋 常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)示意圖如圖4所示。 ①檢測(cè)距離：是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置（光電開(kāi)關(guān)的感應(yīng)表面）到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離指接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。 ②回差距離：動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。 ③響應(yīng)頻率：在規(guī)定的1s的時(shí)間間隔內(nèi)，允許光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。 ④輸出狀態(tài)：分常開(kāi)和常閉。當(dāng)無(wú)檢測(cè)物體時(shí)，常開(kāi)型的光電開(kāi)關(guān)所接通的負(fù)載由于光電開(kāi)關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 ⑤檢測(cè)方式：根據(jù)光電開(kāi)關(guān)在檢測(cè)物體時(shí)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(duì)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(kāi)/常閉多功能等幾種常用的輸出形式。 ⑦指向角：見(jiàn)光電開(kāi)關(guān)的指向角示意圖,即如圖4的下部三個(gè)小圖所示。 ⑧表面反射率：漫反射式光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線需要經(jīng)檢測(cè)物表面才能反射回漫反射開(kāi)關(guān)的接受器，所以檢測(cè)距離和被檢測(cè)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(cè)物體的表面必須垂直于光電開(kāi)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(huà)紙 90% 不透明黑色塑料 14% 報(bào)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(kāi)關(guān)應(yīng)用的環(huán)境亦會(huì)影響其長(zhǎng)期工作可靠性。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)工作于最大檢測(cè)距離狀態(tài)時(shí)，由于光學(xué)透鏡會(huì)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(jiǎn)便的解決方法就是根據(jù)光電開(kāi)關(guān)的最大檢測(cè)距離（S_n）降額使用來(lái)確定最佳工作距離。 （3）使用注意事項(xiàng) 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(cè)體為平面的白色畫(huà)紙。 ②紅外線光電開(kāi)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(duì)太陽(yáng)光等強(qiáng)光源。 ③對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)最小可檢測(cè)寬度為該種光電開(kāi)關(guān)透鏡寬度的80%。 ④當(dāng)使用感性負(fù)載（如燈、電動(dòng)機(jī)等）時(shí)，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(kāi)關(guān)，在這種情況下，請(qǐng)將負(fù)載經(jīng)過(guò)交流繼電器來(lái)轉(zhuǎn)換使用。 ⑤紅外線光電開(kāi)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(duì)用戶的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，在一些較為惡劣的條件下，如灰塵較多的場(chǎng)合，所生產(chǎn)的光電開(kāi)關(guān)在靈敏度的選擇上增加了50%，以適應(yīng)在長(zhǎng)期使用中延長(zhǎng)光電開(kāi)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(cè)試合格后才出廠，在一般情況下使用均不會(huì)出現(xiàn)損壞。為了避免意外性發(fā)生，請(qǐng)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(xiàng)示意圖見(jiàn)圖5。 三、應(yīng)用舉例 從圖6可以看出光電開(kāi)關(guān)的各種應(yīng)用。其中，圖6（a）為光電開(kāi)關(guān)用于對(duì)材料的定位剪切控制；圖6（b）為用光電開(kāi)關(guān)來(lái)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(shí)，光電開(kāi)關(guān)控制電路可使閾門(mén)打開(kāi)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(duì)光的遮擋作用，檢測(cè)物體的通過(guò)個(gè)數(shù)，或物體是否存在；圖6（d）為利用光的直線傳播性，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否等高排列；圖6（e）為將光電開(kāi)關(guān)用在流水生產(chǎn)線上，來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品的個(gè)數(shù)；圖6（f）為用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)液面位的高低。 ??? 四、結(jié)束語(yǔ) 除了以上介紹的例子外，光電開(kāi)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(cè)、氣流量控制等方面。我們相信光電開(kāi)關(guān)會(huì)做得越來(lái)越先進(jìn)，它的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。 ? ? 參考文獻(xiàn) [1] 楊崇志.特殊新型電子元器件手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：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(cè)[M].北京：國(guó)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(jiǎn)介： 鄧重一，湖南建材高等專科學(xué)校副教授，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理、EDA技術(shù)。