光電開關(guān)原理.doc

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光電開關(guān)原理 圈子類別：傳感器 (晴天) 2009-3-17 14:11:00 [我要評論] [加入收藏] [加入圈子] 光電開關(guān)的定義：此種產(chǎn)品以光源為介質(zhì)、應用光電效應，當光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導致受光量變化來檢測對象的有無、大小和明暗，而向產(chǎn)生接點和無接點輸出信號的開關(guān)元件。光電開關(guān)包括幾種類型，自身不具備光源，利用被測物體發(fā)射的光的變化量進行檢測的；利用自然光對光電開關(guān)的照射，物體遮蔽自然光產(chǎn)生的關(guān)變化量；光電開關(guān)自身具備光源，發(fā)射的光源對被檢測物體反射、吸收、和透射光的變化量進行檢測。常用的光源為紫外光、可見光、紅外光等波段的光源，光源的類型有燈泡、LED、激光管等；輸出信號有開關(guān)量或模擬量和通訊數(shù)據(jù)信息等。 光電開關(guān)的叫法，主要是輸出為開關(guān)量的開關(guān)元件。 光電傳感器的叫法，涵蓋了輸出開關(guān)量、模擬量、通訊數(shù)據(jù)等。 目前市面光電開關(guān)的叫法有分光源、檢測形式、用途、結(jié)構(gòu)等命名的。 如：利用紅外光源的叫紅外光電開關(guān)、紅外線光電開關(guān)、紅外線光電傳感器等。 利用自然光的叫光控開關(guān)、光電繼電器等。 利用激光為光源的叫激光光電開關(guān)、激光光電傳感器等。 利用檢測形式叫熱金屬檢測器，俗稱熱檢等。 利用用途的叫光電距離傳感器、安全光幕傳感器等。 利用結(jié)構(gòu)的叫光幕傳感器等。 這里就簡要舉幾個例子，還有很多的叫法，在此無法一一介紹。 一、光電開關(guān)原理與分類 1：按檢測形式的分類 （1）對射式 對射式是由一個發(fā)射器與一個接收器相對配置的，發(fā)射器發(fā)射出的光指向接收器，發(fā)射器與接收器之間組成一個閉合光路，通過對光路的光被遮斷或光衰減來進行檢測的一種檢測形式。這種檢測形式作用距離比較長，但需要一個發(fā)射器并需要配電；在某些應用場合比如空間狹小，不合適配電的運用上比較麻煩。如圖1a： 圖1a ②發(fā)射器與接收器一體化，光傳輸為直流方式的非調(diào)制信號，主要小型縫隙光電開關(guān)，如U型、C型的槽型光電開關(guān)。如圖1b: 圖1b （2）直接反射式 這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器發(fā)射的光直接照射到被檢測物上，根據(jù)反射光的變化情況來進行檢測的。可以說是近似人的眼睛的一種檢測器。與對射式相比作用距離比較短，只需要單線配電即可，屬于通用檢測器。如圖2： 圖2 （3）鏡面反射式 ①這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，光電開關(guān)對置反角矩陣射鏡，發(fā)射器的光被反射鏡后反饋回接收器，光電開關(guān)與角矩陣反射鏡（多棱鏡）形成閉合光路，通過對光路的光被遮斷或光衰減來進行檢測的一種檢測形式，這種檢測形式作用距離比對射式短，比直接反射式較長。只需要單線配電即可，由于采用反射鏡光軸的調(diào)整比對射式容易；反射鏡由多棱鏡角矩陣板或微晶玻璃顆粒反射膜等。如圖3a： 圖3a ②具有M.S.R功能的反射器式光電開關(guān)，如果被檢測物是平面而且有光澤，則會產(chǎn)生誤動作，欲解決此問題，可采用M.S.R功能，它的主要工作原理是基于角矩陣反射器能使偏振光方向改變90，采用互相垂直的偏振光膜片放在雙鏡頭前，所以使用角矩陣反射器，光路閉合。如果是平面鏡或反光率比較的物體（如：玻璃瓶等）不能改變偏振方向，由它阻擋而產(chǎn)生的反射光不能進入受光器，因此它可以很容易被檢測到，從而解決了由它表面反射而它引起的誤動作問題。如圖3b: 圖3b （4）輻射光檢測形式 通過對被檢測物體輻射出的光進行檢測的形式。如用于鋼鐵行業(yè)的對加熱的鐵輻射出的紅外線進行檢測的光電開關(guān)。如圖4： 圖4 （5）限定反射式 這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個角度，發(fā)射光軸與接收光軸交叉區(qū)域靈敏度最佳。如圖5： 圖5 （6）夾角式 這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個角度，發(fā)射光聚焦點與接收光聚焦交叉區(qū)域檢測物體，用于精細檢測，如標記檢測等。如圖6： 圖6 （7）同軸檢測式（單鏡頭） 這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射光通過鍍膜的半透明鏡片45折射后通過鏡頭聚焦發(fā)射出去，接收光線通過聚焦鏡頭入射到接收器，主要用于標志檢測。目前主流的顏色傳感器、標志傳感器大多采用這樣方式。如圖7： 圖7 （8）光導纖維式 光導纖維簡稱光纖，目前光纖式光電開關(guān)的光纖基本是兩種，一種塑料光纖，價位比較低，普通檢測使用；另一種玻璃光纖，價位比較高，一些檢測精度比較高的場合。 ①：對射式，把光纖套入發(fā)射器，把光纖套入接收器，光纖檢測頭相對安置。如圖8a： 圖8a ②：直接反射式，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器（光纖放大器），光纖頭為兩根光纖并行，直接檢測物體。如圖8b： 圖8b ③：同軸反射，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器（光纖放大器）。光纖頭為兩根光纖并為一根的形式，發(fā)射光纖在中間，接受光纖圍著其圓周排列。可以直接反射與鏡面反射，取決于光纖放大器的光學結(jié)構(gòu)。如圖8c： 圖8c 2：按檢測方法的分類 （1）光量法 目前大多數(shù)光電開關(guān)用來檢測物體有無的均為光量方式，既光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導致受光量變化來檢測對象的有無。 （2）三角測距法 光量方式容易受到物體表面的光潔度、粗糙度、顏色所影響，因此在一些要求比較高的場合就需要采用距離法檢測。 （3）激光測量法 由激光器對被測目標發(fā)射一個光信號， 然后接受目標反射回來的光信號，通過測量光信號往返經(jīng)過的時間， 計算出目標的距離。 3：按光源種類的分類 光源目前采用的大多是發(fā)光二極管（LED），根據(jù)不同使用目的的區(qū)別使用。 （1）白熾燈式（可見光） 用于需要白光的標志檢測器，由于壽命與抗震性能，現(xiàn)在使用比較少。 （2）發(fā)光二極管（LED）式（可見光、近紅外光） 具有調(diào)制容易、壽命長、小型、功耗小、抗震等優(yōu)點是光電開關(guān)理想的光源，可用于各種用途。 （3）熒光式（可見光） 主要用于需要長度的光電系統(tǒng)（圖像傳感器等） （4）紫外光式（不可見光） 通過照射紫外線用于檢測發(fā)生可見光的物體（熒光整理疵點、食品中的異物等）。 （5）氣體激光式（可見光） 光束比較強，用于探傷系統(tǒng)、條形碼系統(tǒng)、及強光衰減大的場合，如蒸汽、煙霧、火焰等場合。 （6）半導體激光式（紅光、近紅外光） 具有較強的透射率和容易調(diào)制的特性，用于如蒸汽、煙霧、火焰等場合鋼鐵行業(yè)與安防。 4：按光源調(diào)制種類的分類 （1）直流光式 使發(fā)射器的光線為不變的直流光，包括白熾燈和用直流驅(qū)動的發(fā)光二極管。這種方式有線路簡單、響應速度快的特點，但是抗光干擾比較弱，目前僅在較短的距離檢測中使用。 （2）調(diào)制式 ①、脈沖調(diào)制式 使發(fā)射器發(fā)的出光線為具有一定頻率的脈沖波，一般稱為調(diào)制光，采用這種方式除了可以獲得峰值很高的光脈沖功率外，還可以對接收器輸出采用具有頻率選擇的交流放大器進行放大，從而減少周圍光線和電氣噪聲的影響，這是目前國內(nèi)外使用最廣的一種方式。 ②機械旋轉(zhuǎn)調(diào)制式 對光源用棱鏡或轉(zhuǎn)盤孔旋轉(zhuǎn)后，提取脈沖信號，如用于區(qū)域檢測和熱金屬輻射的掃描檢測等。 ③、掃描式 將多個發(fā)射器與接收器組合，通過同步信號逐一掃描，防止相互干擾。如用于光幕傳感器。 5：按供電種類的分類 （1）直流式 采用直流電壓供電的形式，一般大多采用12-24V（10-30V）的直流電壓的供電。 （2）交流式 采用交流電壓供電，電壓范圍為90-240V交流電，滿足110VAC與220VAC場合的供電 （3）直流交流混合式 直流電壓與交流電壓都可以直接接入同一個供電回路的形式，直流電壓范圍12-240V，交流電壓范圍24-240V，此形式適應性比較靈活，不需要考慮配電的問題。 6：按輸出種類的分類 （1）三極管NPN輸出 （2）三極管PNP輸出 （3）三極管NPN與PNP混合輸出 （4）固態(tài)隔離無觸點輸出 （5）繼電器觸點輸出 （6）可控硅輸出 （7）模擬電壓 （8）模擬電流 （9）數(shù)據(jù)信號 7：按結(jié)構(gòu)種類的分類 (1)內(nèi)藏放大器式 即把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號處理電路、開關(guān)驅(qū)動電路裝配在一個殼體里，接通直流電源就可以獲取ON-OFF開關(guān)輸出，不需要專用放大器，抗噪音能力強，壽命長，電纜線可延長等優(yōu)點，是主流的一種光電開關(guān)。 （2）放大器分離式 這是種早期采用比較多的方式，發(fā)光、感光元件裝在探頭內(nèi)，用屏蔽線與專用放大器（光電開關(guān)主體）連接。主要是探頭可以安裝在比較狹小的空間對比較小的物體進行檢測，但是有抗噪聲能力的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)藏放大器式的光電開關(guān)的體積越來越小；這種形式采用相對較少，尤其是光纖傳感器的發(fā)展。 （3）光纖式 這種光電開關(guān)是放大器分離式與內(nèi)藏放大器式結(jié)合的產(chǎn)品，通過光纖才傳輸光信號，光電開關(guān)主體上套上光纖線，另一頭光纖探頭可以對被檢測物體進行檢測，其優(yōu)點光纖探頭比較小，可以檢測比較微小的物體，光纖線傳輸?shù)闹皇枪庑盘?，所以不用考慮放大器分離式那樣需要考慮抗噪聲能力的問題。 （4）自控式 這種光電開關(guān)是具有一定功能性的。把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號處理電路、開關(guān)驅(qū)動電路、電源、繼電器等都裝配在一起，接上交流或直流電源就可以工作。同時還具有其他一些功能如動作信號的延時、光電開關(guān)的信號靈敏度調(diào)節(jié)等。 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弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。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)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。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)出的光線直接進入接收器，當被檢測物體經(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)：它通常采用標準的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(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，當開關(guān)動作時測得的基準位置（光電開關(guān)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(guān)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(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。當無檢測物體時，常開型的光電開關(guān)所接通的負載由于光電開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當檢測到物體時，晶體管導通，負載得電工作。 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(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)應用的環(huán)境亦會影響其長期工作可靠性。當光電開關(guān)工作于最大檢測距離狀態(tài)時，由于光學透鏡會被環(huán)境中的污物粘住，甚至會被一些強酸性物質(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（Sn）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，所采用的標準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(guān)最小可檢測寬度為該種光電開關(guān)透鏡寬度的80%。 ④當使用感性負載（如燈、電動機等）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%，以適應在長期使用中延長光電開關(guān)維護周期的要求。 ⑦產(chǎn)品均為SMD工藝生產(chǎn)制造，并經(jīng)嚴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、應用舉例 從圖6可以看出光電開關(guān)的各種應用。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，它的應用也會越來越廣泛。