课程设计 光电开关
理学院
School of Sciences 课程设计报告
设计名称：光电开关工作原理及应用学生姓名：
学生学号：200801174
所在班级：应用物理081班
所在专业：应用物理
指导教师：
设计场所：应用电子、应用光学实验室设计时间：2011.7.5-2011.7.11
摘要：
本文介绍了光电传感器中光电开关的工作原理及性能,说明了光电开关在现代生活中的重要地位,显示了光电技术在日常生活生产中推广应用的巨大潜力。从分析光电传感器的原理出发，着重对它在生产生活等领域进行分析。通过传感器外形结构图和应用电路图，了解光电传开关的工作原理、结构、使用方法以及主要事项。介绍了该传感器的特点、应用领域、开始与未来的发展以及成像特点。
关键词：光电开关，光电传感器
ABSTRACT:
This article describes the photoelectric sensor photoelectric switch works and performance, shows the optical switch in an important position in modern life, showing the production of photovoltaic technology in daily life to promote the application of great potential. From the analysis of optical sensor principle, we focus on other areas of life in the production of its analysis. Shape through the sensor circuit diagram and application, understand the working principle of photoelectric transfer switch, structure, use, and the major issues. Describes the sensor characteristics, applications, beginning with the development and imaging characteristics.
KEY WORDS: Photoelectric switch, photoelectric sensor
1、光电开关介绍
1.1 光电开关的介绍
光电开关（即光电传感器）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。安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。
接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。但是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。
目前，这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。
1.2 光电开关的分类
1.2.1 按检测方式分
常用光电开关的分类方法：按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。
1.2.2按结构分类
光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。
放大器分离型是将放大器与传感器分离，并采用专用集成电路和混合安装工艺制成，由于传感器具有超小型和多品种的特点，而放大器的功能较多。因此，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。具有接通和断开延时功能，可设置亮、音动切换开关，能控制6种输出状态，兼有接点和电平两种输出方式。
放大器内藏型是将放大器与传感一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。其响应速度局面（有0.1ms和1ms两种），能检测狭小和高速运动的物体。改变电源极性可转换亮、暗动，并可设置自诊断稳定工作区指示灯。兼有电压和电流两种输出方式，能防止相互干扰，在系统安装中十分方便。
电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成。它一般使用交流电源，适用于在生产现场取代接触式行程开关，可直接用于强电控制电路。也可自行设置自诊断稳定工作区指示灯，输出备有SSR固态继电器或继
电器常开、常闭接点，可防止相互干扰，并可紧密安装在系统中。
1.3 光电开关的相关术语
图1 光电开关相关术语
(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的时间间隔内, 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内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。
(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降额使用来确定最佳工作距离。
2、光电开关的原理
光电开关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,从而检测遮挡物体的有无。所有能反射光线的物体均可被检测(物体不限于金属)。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检测。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。光电开关的型号种类很多。
图二光电开关工作原理示意图
2.1 光电开关的基本原理
光电开关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。光电开关采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。
当无脉冲信号输入时，三极管BG处于截止状态，发光二极管无电流流过不发光，则a、 b两端电阻非常大，相当于开关“断开”。当输入端加有脉冲信号时，BG导通，发光二极管发光，则a、b两端电阻变得很小，相当于开关“接通”。故称无信号时开关不通，为常开状态。
下图中（b）所示电路则为“带闭”状态，因为无信号输入时，虽BG截止，但发光二极管有电流通过而发光，使a、b两端处于导通状态，相当于开关“接通”。当有信号输入时，BG导通，由于BG的集电结压降在0．3V以下，远小于发光二极管的正向导通电压，所以发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻极大，相当于开关“断开”，故称“常闭”式。
图3 光点接近开关原理
2.2 光电开关的特点及优点
1、检测距离长。如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。
2、对检测物体的限制少。由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
3、响应时间短。光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
4、分辨率高。能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
5、可实现非接触的检测。可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。
6、可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。
7、便于调整。在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。
3、光电开关在实际生活中的应用
3.1 漫射式烟雾报警器
宾馆等对防火设施有严格考核的场所均必须按规定安装火灾传感器。火灾发生时伴随有光和热的化学反应。物质在燃烧过程中一般有下列现象发生。
（1）产生热量，使环境温度升高物质剧烈燃烧时会释放出大量的热量，这时可以用各种温度传感器来测量。但是在燃烧速度非常缓慢的情况下，火灾初期的环境温度上升是不易鉴别的。
（2）产生可燃性气体有机物在燃烧的初始阶段，首先释放出来的是可燃性气体，如一氧化碳等。
（3）产生烟雾烟雾是人们肉眼能见到的微小悬浮颗粒。其粒子直径大于10nm。烟雾有很大的流动性，可潜入烟雾传感器中，因此检测烟雾是较有效的检测火灾的手段。
（4）产生火焰火焰辐射出红外线、可见光和紫外线。其中红外线和可见光不太适合用于火灾报警，这是因为正常使用中的取暖设备、电灯、太阳光线都包含有红外线或可见光。利用紫外线管（外光电效应型）或用某些专用的半导体内光电效应型紫外线传感器，能够有效地监测火焰发出的紫外线。
漫反射式烟雾传感器就是根据上述物质燃烧特点设计的，如图4所示。在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏三极管
图4 漫反射式烟雾报警器3.2 光电开关的其他应用
4、光电开关使用注意事项
光电开关可用于各种应用场合。在使用光电开关时，还应注意环境条件，以使光电开关能够正常可靠的工作。
4.1 避免强光源
光电开关在环境照度较高时，一般都能稳定工作。但应回避将传感器光轴正对太阳光、白炽灯等强光源。
在不能改变传感器（受光器）光轴与强光源的角度时，可在传感器上方四周加装遮光板或套上遮光长筒。
4.2 镜面角度影响
当被测物体有光泽或遇到光滑金属面时，一般反射率都很高，有近似镜面的作用，这时应将投光器与检测物体安装成10～20°的夹角，以使其光轴不垂直于被检测物体，从而防止误动作。
4.3 排除背景物影响
使用反射式扩散型投、受光器时，有时由于检出物离背景物较近，光电开关或者背景是光滑等反射率较高的物体而可能会使光电开关不能稳定检测。
因此可以改用距离限定型投、受光器，或者采用远离背景物、拆除背景物、将背景物涂成无光黑色、或设法使背景物粗糙、灰暗等方法加以排除。
5、参考文献
[1] 杨帮文.新型接近开关和光电开关使用手册. 电子工业出版社.2009年5月
[2] 程军.传感器及实用检测技术. 西安电子科技大学出版社.2008年8月第一版
[3] 杨崇志.特殊新型电子元器件手册.沈阳：辽宁科学技术出版社,2001
[4] 李科杰.新编传感器技术手册.北京：国防工业出版社,2003
[5] 丁镇生. 传感器及传感器技术应用. 北京: 电子工业出版社,1998.