光電開關(guān)的工作原理

光電開關(guān)的定義：此種產(chǎn)品以光源為介質(zhì)、應(yīng)用光電效應(yīng)，當(dāng)光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)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.

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(yīng)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?？梢哉f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(xì)檢測，如標(biāo)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(biāo)志檢測。目前主流的顏色傳感器、標(biāo)志傳感器大多采用這樣方式。如圖7：

圖7

（8）光導(dǎo)纖維式光導(dǎo)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?？梢灾苯臃瓷渑c鏡面反射，取決于光纖放大器的光學(xué)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(dǎo)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(biāo)發(fā)射一個光信號， 然后接受目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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??；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。

二、光電開關(guān)特點：

1、檢測距離長：與電感式接近開關(guān)相比，可以獲得很長的檢測距離，例如：對射型開關(guān)檢測距離可達(dá)數(shù)十米，反射已從幾厘米到幾米，由于是非接觸檢測，所以不損傷被測物，也不受其影響。

2、檢測對象廣泛：因為是根據(jù)檢測對象的反射和透光檢測，所以不管是金屬、即使是玻璃、橡膠、木材、液體、氣體等幾乎都可以檢測。

3、響應(yīng)速度快：檢測介質(zhì)本身是高速的，因為幾乎不包含機械動作，因而可以獲得非常高的檢測速度。

4、分辨能力高：因為光是直線傳播，且波長短，因而分辨率高，適用于微小物體和高精度位置檢測。

5、容易取得規(guī)則的檢測區(qū)：采用了透鏡等光學(xué)系統(tǒng)，可以比較容易的聚光、擴散和折射，對應(yīng)不同的檢測對象和不同的使用環(huán)境，可以適當(dāng)?shù)倪x取具有某種檢測區(qū)域的產(chǎn)品。

6、不受磁場和振動的影響：檢測開關(guān)一般較多地安裝在具有較強磁場和振動的場所，從本質(zhì)上說，光電開關(guān)受其影響很少，因而能夠可靠的動作。

7、利用光的特性檢測：可以做色標(biāo)、形狀特征的選擇檢測。

8、壽命長：由于是非接觸檢測，所以壽命長，特別是用發(fā)光二極管做為光源，控制輸出采用無接點方式，壽命就更長。

但，光電開關(guān)也有下述一些缺點：

9、透鏡容易受到粉塵和油污的污染，透鏡一旦弄臟，不僅使光束散亂，又擋住了一部分光，因而在惡劣環(huán)境下，必須采取切實可行的保護措施。

10、周圍光線強弱對開關(guān)的影響，對于通常的照明光，目前光電開關(guān)幾乎不受影響，但是如果背景光太強以致超過數(shù)萬勒克斯，就會引起開關(guān)誤動作而造成損失。

11、成本比其它檢測開關(guān)要高一些。