光電接近開關(guān)

1、自動檢測技術(shù)與應用項目報告學校： 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院 系別： 自動化工程系 班別： 13嵌入式系統(tǒng)班 姓名： 陳 秋 娥 學號： 131202105 指導老師： 何 玲 日期： 2014-12-6 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)

2、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。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

3、阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。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。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。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

4、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。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?；夭罹嚯x：動作距離與復位距離之間的絕對值。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)。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。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，

5、可分為漫反射式、鏡反射式、對射式等。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。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。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

6、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%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）使用注意事項紅外線傳感器屬漫反射型

7、的產(chǎn)品，所采用的標準檢測體為平面的白色畫紙。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。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%。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。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。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。產(chǎn)品均為SMD工藝生產(chǎn)制造，

8、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。3、 原理分析圖1 感測開關(guān)(N.O 型)動作 若是N.C 型，則動作相反，遠離為ON，靠近為OFF。各種不同感測組件，(光電，磁感測，超音波)都可以當近接開關(guān)的傳感器。至于開關(guān)接點的型式，有晶體管接點，金屬接點和可控硅接點。目前我們要談的產(chǎn)品，是以光電組件當感測頭，所以必須有一個光發(fā)射器和一個光接收器，我它們并列安裝，由物體靠近時把發(fā)射光反射回來，接收端所得到的反射量的大小，代表物體的遠近。

9、 圖2 光電接近開關(guān)方塊圖一般感測用書所介紹的光學近接式開關(guān)實習線路，大都采用直流驅(qū)動(像光遮斷器的接法)，雖然方便實習進行。但卻是不負責任的做法或經(jīng)驗不足。因近接開關(guān)乃以發(fā)射光經(jīng)物體反射接收來判斷。若一直流驅(qū)動，則任何光源變化或陰影都會被接收，而造成不確定的錯誤動作。所以真正的光學式近接開關(guān)，采用紅外線波長的發(fā)光二極管和光敏三極管外，最重要的是：以交流驅(qū)動(而非直流驅(qū)動)，由振蕩器產(chǎn)生固定頻率f0的信號，經(jīng)電流放大，去驅(qū)動發(fā)光二極管，便能發(fā)出頻率為f0 的光脈波。接收端所接到的信號，可能有任何光源的變化，但經(jīng)過中心頻率為0 f 的帶通濾波器，濾除f0以外的信號后，只有與f0頻率相同的信號被放

10、大。而其電壓的大小將隨距離的遠近而改變。經(jīng)放大后的交流信號(頻率為f0 )，若加以整流，便能把交流變成直流，就能很方便地用電壓比較器加以判斷，最后才控制開關(guān)的ON 和OFF。4、 電路分析    圖3 光學式接近開關(guān)電路分析(1) 振蕩器：OP1任何能夠產(chǎn)生方波，脈波或正玄波的電路，都可以當本單元的振蕩器。目前我們使用OP1 當做方波振蕩電路，并由R 和C 來決定振蕩頻率f0的大小。若C=0.1F，R=4.55k，便能得到 f0 =kHz 的方波。而這個振蕩電路我們可以由GS-03 完成之。       

11、        圖4 GS-03 改裝成振蕩器圖4 中，決定振蕩頻率的R 和C，已知C=0.1F，R= RVA和(10k+  RV3 )并聯(lián)，若RV3  調(diào)成0，則=(20k可變電阻)/(10k固定電阻)，調(diào)RVA  能得到R=4.55k RVA=8.34k時也可以用一個8.2k 的電阻取代RVA(2) 電流放大：Q1                

12、;                       圖5 電流放大的說明事實上近接開關(guān)偵測的距離都非常短，大都在10mm(1 公分)以內(nèi)，可以不必加電流放大級。但我們希望把光發(fā)射的強度增大，使發(fā)射距離增長，那么就可以把這些電路也當成紅外線遙控開關(guān)來使用。           

13、;                   圖6 紅外線遙控應用把反射組態(tài)，變成對設(shè)組態(tài)的安排便成了紅外線遙控電路。此時除了可以當遙控開關(guān)外，也可以當遠距離的光遮斷器使用。判斷有沒有物體通過，或拿來當防盜感應器，偵測有沒有入侵者。(3) 帶通濾波器：OP2OP2 配合一些電阻與電容組成帶通濾波器，目前設(shè)計成中心頻率為1kHz。        

14、               圖7 帶通濾波器特性說明簡言之，帶通濾波器乃抑制中心頻率f 0 以外的信號，即消除其它頻率(被視為雜訊)的干擾。只讓1kHz 的信號通過。(4) 信號放大：OP3OP3 只是一個普通的相反放大器，把帶通濾波器所得到1kHz 的信號加以放大，以利往后的電壓比較和判斷。OP3 的電路，可以拿GS-03GS-06 來完成。(5) 整流電路：D2                                      圖8 半波整流