光电开关工作原理.doc

光电开关原理及应用一、前言 光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用    二、光电开关介绍 1、工作原理 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测工作原理如图1所示多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型图2是德国SICK公司的部分光电开关外型图 2、光电开关的分类及术语解释 （1）、分类 ①漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式 ②镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

③对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置 ④槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠 ⑤光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测通常光纤传感器分为对射式和漫反射式 它们的工作光线示意图如图3所示 （2）术语解释 常见的术语示意图如图4所示 ①检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离额定动作距离指接近开关动作距离的标称值 ②回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值 ③响应频率：在规定的1s的时间间隔，允许光电开关动作循环的次数 ④输出状态：分常开和常闭当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

⑤检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等 ⑥输出形式：分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC二线、AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式 ⑦指向角：见光电开关的指向角示意图,即如图4的下部三个小图所示 ⑧表面反射率：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度,而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线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 白画纸 90% 不透明黑色塑料 14% 报纸 55% 黑色橡胶 4% 餐巾纸 47% 黑色布料 3% 包装箱硬纸板 68% 未抛光白色金属表面 130% 洁净松木 70% 光泽浅色金属表面 150% 干净粗木板 20% 不锈钢 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环境特性：光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。

当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至其使用参数和可靠性降低较简便的解决方法就是根据光电开关的最大检测距离（Sn）降额使用来确定最佳工作距离 （3）使用注意事项 ①红外线传感器属漫反射型的产品，所采用的标准检测体为平面的白色画纸 ②红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作，但原则上应回避将传感器光轴正对太等强光源 ③对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80% ④当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的光电开关，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用 ⑤红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜 ⑥针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰尘较多的场合，所生产的光电开关在灵敏度的选择上增加了50%，以适应在长期使用中延长光电开关维护周期的要求 ⑦产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使用均不会出现损坏为了避免意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值     以上各注意事项示意图见图5。

三、应用举例 从图6可以看出光电开关的各种应用其中，图6（a）为光电开关用于对材料的定位剪切控制；图6（b）为用光电开关来控制液面位的上下限值，当液面位高于或低于上下极限液面位时，光电开关控制电路可使阈门打开或关闭，使液面位的高度保持在上下限之间；图6（c）为利用物体对光的遮挡作用，检测物体的通过个数，或物体是否存在；图6（d）为利用光的直线传播性，检验产品是否等高排列；图6（e）为将光电开关用在流水生产线上，来检测产品的个数；图6（f）为用光电开关检测液面位的高低     四、结束语 除了以上介绍的例子外，光电开关还在许多方面得到了应用，例如在行程控制、直径限制、转速检测、气流量控制等方面我们相信光电开关会做得越来越先进，它的应用也会越来越广泛     参考文献 [1] 崇志.特殊新型电子元器件手册[M].：科学技术,2001[2] 科杰.新编传感器技术手册[M].：国防工业,2003   The Principle And Application Of Photoelectric SwitchAbstract： In this paper, the principle, technical term, category and usage announcements of photoelectric switch are introduced. With some actual e*amples，the applications of photoelectric switch  are elucidated. Keywords：sensor； photoelectric 光电开关的定义：此种产品以光源为介质、应用光电效应，当光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无、大小和明暗，而向产生接点和无接点输出信号的开关元件。

光电开关包括几种类型，自身不具备光源，利用被测物体发射的光的变化量进行检测的；利用自然光对光电开关的照射，物体遮蔽自然光产生的关变化量；光电开关自身具备光源，发射的光源对被检测物体反射、吸收、和透射光的变化量进行检测常用的光源为紫外光、可见光、红外光等波段的光源，光源的类型有灯泡、LED、激光管等；输出信号有开关量或模拟量和通讯数据信息等光电开关的叫法，主要是输出为开关量的开关元件光电传感器的叫法，涵盖了输出开关量、模拟量、通讯数据等目前市面光电开关的叫法有分光源、检测形式、用途、结构等命名的如：利用红外光源的叫红外光电开关、红外线光电开关、红外线光电传感器等利用自然光的叫光控开关、光电继电器等利用激光为光源的叫激光光电开关、激光光电传感器等利用检测形式叫热金属检测器，俗称热检等利用用途的叫光电距离传感器、安全光幕传感器等利用结构的叫光幕传感器等这里就简要举几个例子，还有很多的叫法.一、光电开关原理与分类1：按检测形式的分类（1）对射式对射式是由一个发射器与一个接收器相对配置的，发射器发射出的光指向接收器，发射器与接收器之间组成一个闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式。

这种检测形式作用距离比较长，但需要一个发射器并需要配电；在*些应用场合比如空间狭小，不合适配电的运用上比较麻烦如图1a： 图1a②发射器与接收器一体化，光传输为直流方式的非调制信号，主要小型缝隙光电开关，如U型、C型的槽型光电开关如图1b: 图1b （2）直接反射式这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器发射的光直接照射到被检测物上，根据反射光的变化情况来进行检测的可以说是近似人的眼睛的一种检测器与对射式相比作用距离比较短，只需要单线配电即可，属于通用检测器如图2：图2（3）镜面反射式①这种方式是把发射器与接收器构为一体，光电开关对置反角矩阵射镜，发射器的光被反射镜后反馈回接收器，光电开关与角矩阵反射镜（多棱镜）形成闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式，这种检测形式作用距离比对射式短，比直接反射式较长只需要单线配电即可，由于采用反射镜光轴的调整比对射式容易；反射镜由多棱镜角矩阵板或微晶玻璃颗粒反射膜等如图3a：图3a②具有M.S.R功能的反射器式光电开关，如果被检测物是平面而且有光泽，则会产生误动作，欲解决此问题，可采用M.S.R功能，它的主要工作原理是基于角矩阵反射器能使偏振光方向改变90°，采用互相垂直的偏振光膜片放在双镜头前，所以使用角矩阵反射器，光路闭合。

如果是平面镜或反光率比较的物体（如：玻璃瓶等）不能改变偏振方向，由它阻挡而产生的反射光不能进入受光器，因此它可以很容易被检测到，从而解决了由它表面反射而它引起的误动作问题如图3b:图3b（4）辐射光检测形式通过对被检测物体辐射出的光进行检测的形式如用于钢铁行业的对加热的铁辐射出的红外线进行检测的光电开关如图4：图4（5）限定反射式这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光轴与接收光轴交叉区域灵敏度最佳如图5：图5（6）夹角式这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光聚焦点与接收光聚焦交叉区域检测物体，用于精细检测，如标记检测等如图6：图6（7）同轴检测式（单镜头）这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射光通过镀膜的半透明镜片45°折射后通过镜头聚焦发射出去，接收光线通过聚焦镜头入射到接收器，主要用于标志检测目前主流的颜色传感器、标志传感器大多采用这样方式如图7：图7（8）光导纤维式光导纤维简称光纤，目前光纤式光电开关的光纤基本是两种，一种塑料光纤，价位比较低，普通检测使用；另一种玻璃光纤，价位比较高，一些检测精度比较高的场合①：对射式，把光纤套入发射器，把光纤套入接收器，光纤检测头相对安置。

如图8a：图8a②：直接反射式，发射器与接收器构为一体，把光纤套入发射器与接收器（光纤放大器），光纤头为两根光纤并行，直接检测物体如图8b：图8b③：同轴反射，发射器与接收器构为一体，把光纤套入发射器与接收器（光纤放大器）光纤头为两根光纤并为一根的形式，发射光纤在中间，接受光纤围着其圆周排列可以直接反射与镜面反射，取决于光纤放大器的光学结构如图8c：图8c2：按检测方法的分类（1）光量法目前大多数光电开关用来检测物体有无的均为光量方式，既光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无2）三角测距法光量方式容易受到物体表面的光洁度、粗糙度、颜色所影响，因。