光電接近開關(guān)

1、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用項(xiàng)目報(bào)告學(xué)校： 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 系別： 自動(dòng)化工程系 班別： 13嵌入式系統(tǒng)班 姓名： 陳 秋 娥 學(xué)號(hào)： 131202105 指導(dǎo)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(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(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)。光電開關(guān)

2、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)光電開關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見光的紅外線光波型。圖2是德國(guó)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(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，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(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測(cè)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(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過且完全

3、阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開關(guān)信號(hào)。對(duì)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(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)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體為不透明時(shí)，對(duì)射式光電開關(guān)是最可靠的檢測(cè)裝置。槽式光電開關(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U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號(hào)。槽式光電開關(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。光纖式光電開關(guān)：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，可以對(duì)距離遠(yuǎn)的被檢測(cè)物體進(jìn)行

4、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)語解釋常見的術(shù)語示意圖如圖4所示。檢測(cè)距離：是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng)，當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置（光電開關(guān)的感應(yīng)表面）到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離指接近開關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值?；夭罹嚯x：動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。響應(yīng)頻率：在規(guī)定的1s的時(shí)間間隔內(nèi)，允許光電開關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。輸出狀態(tài)：分常開和常閉。當(dāng)無檢測(cè)物體時(shí)，常開型的光電開關(guān)所接通的負(fù)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(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。檢測(cè)方式：根據(jù)光電開關(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，

5、可分為漫反射式、鏡反射式、對(duì)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(gè)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(cè)物表面才能反射回漫反射開關(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(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%環(huán)境特性：光電開關(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)光電開關(guān)的最大檢測(cè)距離（Sn）降額使用來確定最佳工作距離。（3）使用注意事項(xiàng)紅外線傳感器屬漫反射型

7、的產(chǎn)品，所采用的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)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(yīng)回避將傳感器光軸正對(duì)太陽光等強(qiáng)光源。對(duì)射式光電開關(guān)最小可檢測(cè)寬度為該種光電開關(guān)透鏡寬度的80%。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關(guān)，在這種情況下，請(qǐng)將負(fù)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(xué)品，以免永久損壞塑料鏡。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)光電開關(guān)維護(hù)周期的要求。產(chǎn)品均為SMD工藝生產(chǎn)制造，

8、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)示意圖見圖5。3、 原理分析圖1 感測(cè)開關(guān)(N.O 型)動(dòng)作 若是N.C 型，則動(dòng)作相反，遠(yuǎn)離為ON，靠近為OFF。各種不同感測(cè)組件，(光電，磁感測(cè)，超音波)都可以當(dāng)近接開關(guān)的傳感器。至于開關(guān)接點(diǎn)的型式，有晶體管接點(diǎn)，金屬接點(diǎn)和可控硅接點(diǎn)。目前我們要談的產(chǎn)品，是以光電組件當(dāng)感測(cè)頭，所以必須有一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)光接收器，我它們并列安裝，由物體靠近時(shí)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(yuǎn)近。

9、 圖2 光電接近開關(guān)方塊圖一般感測(cè)用書所介紹的光學(xué)近接式開關(guān)實(shí)習(xí)線路，大都采用直流驅(qū)動(dòng)(像光遮斷器的接法)，雖然方便實(shí)習(xí)進(jìn)行。但卻是不負(fù)責(zé)任的做法或經(jīng)驗(yàn)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(dòng)，則任何光源變化或陰影都會(huì)被接收，而造成不確定的錯(cuò)誤動(dòng)作。所以真正的光學(xué)式近接開關(guān)，采用紅外線波長(zhǎng)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(dòng)(而非直流驅(qū)動(dòng))，由振蕩器產(chǎn)生固定頻率f0的信號(hào)，經(jīng)電流放大，去驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(hào)后，只有與f0頻率相同的信號(hào)被放

10、大。而其電壓的大小將隨距離的遠(yuǎn)近而改變。經(jīng)放大后的交流信號(hào)(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(xué)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(dāng)本單元的振蕩器。目前我們使用OP1 當(dāng)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(gè)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(shí)也可以用一個(gè)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(shí)上近接開關(guān)偵測(cè)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(jí)。但我們希望把光發(fā)射的強(qiáng)度增大，使發(fā)射距離增長(zhǎng)，那么就可以把這些電路也當(dāng)成紅外線遙控開關(guān)來使用。           

13、;                   圖6 紅外線遙控應(yīng)用把反射組態(tài)，變成對(duì)設(shè)組態(tài)的安排便成了紅外線遙控電路。此時(shí)除了可以當(dāng)遙控開關(guān)外，也可以當(dāng)遠(yuǎn)距離的光遮斷器使用。判斷有沒有物體通過，或拿來當(dāng)防盜感應(yīng)器，偵測(cè)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(jì)成中心頻率為1kHz。        

14、               圖7 帶通濾波器特性說明簡(jiǎn)言之，帶通濾波器乃抑制中心頻率f 0 以外的信號(hào)，即消除其它頻率(被視為雜訊)的干擾。只讓1kHz 的信號(hào)通過。(4) 信號(hào)放大：OP3OP3 只是一個(gè)普通的相反放大器，把帶通濾波器所得到1kHz 的信號(hào)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