光電開(kāi)關(guān)的工作原理

光電開(kāi)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(lái)檢測(cè)對(duì)象的有無(wú)、大小和明暗，而向產(chǎn)生接點(diǎn)和無(wú)接點(diǎn)輸出信號(hào)的開(kāi)關(guān)元件。光電開(kāi)關(guān)包括幾種類(lèi)型，自身不具備光源，利用被測(cè)物體發(fā)射的光的變化量進(jìn)行檢測(cè)的；利用自然光對(duì)光電開(kāi)關(guān)的照射，物體遮蔽自然光產(chǎn)生的關(guān)變化量；光電開(kāi)關(guān)自身具備光源，發(fā)射的光源對(duì)被檢測(cè)物體反射、吸收、和透射光的變化量進(jìn)行檢測(cè)。常用的光源為紫外光、可見(jiàn)光、紅外光等波段的光源，光源的類(lèi)型有燈泡、LED、激光管等；輸出信號(hào)有開(kāi)關(guān)量或模擬量和通訊數(shù)據(jù)信息等。

光電開(kāi)關(guān)的叫法，主要是輸出為開(kāi)關(guān)量的開(kāi)關(guān)元件。

光電傳感器的叫法，涵蓋了輸出開(kāi)關(guān)量、模擬量、通訊數(shù)據(jù)等。目前市面光電開(kāi)關(guān)的叫法有分光源、檢測(cè)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(kāi)關(guān)、紅外線光電開(kāi)關(guān)、紅外線光電傳感器等。利用自然光的叫光控開(kāi)關(guān)、光電繼電器等。利用激光為光源的叫激光光電開(kāi)關(guān)、激光光電傳感器等。利用檢測(cè)形式叫熱金屬檢測(cè)器，俗稱(chēng)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(jiǎn)要舉幾個(gè)例子，還有很多的叫法.

一、光電開(kāi)關(guān)原理與分類(lèi)

1：按檢測(cè)形式的分類(lèi)（1）對(duì)射式對(duì)射式是由一個(gè)發(fā)射器與一個(gè)接收器相對(duì)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(gè)閉合光路，通過(guò)對(duì)光路的光被遮斷或光衰減來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的一種檢測(cè)形式。這種檢測(cè)形式作用距離比較長(zhǎng)，但需要一個(gè)發(fā)射器并需要配電；在某些應(yīng)用場(chǎng)合比如空間狹小，不合適配電的運(yùn)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(hào)，主要小型縫隙光電開(kāi)關(guān)，如U型、C型的槽型光電開(kāi)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(cè)物上，根據(jù)反射光的變化情況來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的?？梢哉f(shuō)是近似人的眼睛的一種檢測(cè)器。與對(duì)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(cè)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(kāi)關(guān)對(duì)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(kāi)關(guān)與角矩陣反射鏡（多棱鏡）形成閉合光路，通過(guò)對(duì)光路的光被遮斷或光衰減來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的一種檢測(cè)形式，這種檢測(cè)形式作用距離比對(duì)射式短，比直接反射式較長(zhǎng)。只需要單線配電即可，由于采用反射鏡光軸的調(diào)整比對(duì)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(kāi)關(guān)，如果被檢測(cè)物是平面而且有光澤，則會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，欲解決此問(wèn)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(jìn)入受光器，因此它可以很容易被檢測(cè)到，從而解決了由它表面反射而它引起的誤動(dòng)作問(wèn)題。如圖3b:

圖3b

（4）輻射光檢測(cè)形式通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體輻射出的光進(jìn)行檢測(cè)的形式。如用于鋼鐵行業(yè)的對(duì)加熱的鐵輻射出的紅外線進(jìn)行檢測(cè)的光電開(kāi)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(gè)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(gè)角度，發(fā)射光聚焦點(diǎn)與接收光聚焦交叉區(qū)域檢測(cè)物體，用于精細(xì)檢測(cè)，如標(biāo)記檢測(cè)等。如圖6：

圖6

（7）同軸檢測(cè)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(guò)鍍膜的半透明鏡片45°折射后通過(guò)鏡頭聚焦發(fā)射出去，接收光線通過(guò)聚焦鏡頭入射到接收器，主要用于標(biāo)志檢測(cè)。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(jiǎn)稱(chēng)光纖，目前光纖式光電開(kāi)關(guān)的光纖基本是兩種，一種塑料光纖，價(jià)位比較低，普通檢測(cè)使用；另一種玻璃光纖，價(jià)位比較高，一些檢測(cè)精度比較高的場(chǎng)合。

①：對(duì)射式，把光纖套入發(fā)射器，把光纖套入接收器，光纖檢測(cè)頭相對(duì)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(cè)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(cè)方法的分類(lèi)

（1）光量法目前大多數(shù)光電開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)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(lái)檢測(cè)對(duì)象的有無(wú)。

（2）三角測(cè)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(chǎng)合就需要采用距離法檢測(cè)。

（3）激光測(cè)量法由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào)， 然后接受目標(biāo)反射回來(lái)的光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量光信號(hào)往返經(jīng)過(guò)的時(shí)間， 計(jì)算出目標(biāo)的距離。

3：按光源種類(lèi)的分類(lèi)

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(jiàn)光）用于需要白光的標(biāo)志檢測(cè)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(jiàn)光、近紅外光）具有調(diào)制容易、壽命長(zhǎng)、小型、功耗小、抗震等優(yōu)點(diǎn)是光電開(kāi)關(guān)理想的光源，可用于各種用途。

（3）熒光式（可見(jiàn)光）主要用于需要長(zhǎng)度的光電系統(tǒng)（圖像傳感器等）

（4）紫外光式（不可見(jiàn)光）通過(guò)照射紫外線用于檢測(cè)發(fā)生可見(jiàn)光的物體（熒光整理疵點(diǎn)、食品中的異物等）。

（5）氣體激光式（可見(jiàn)光）光束比較強(qiáng)，用于探傷系統(tǒng)、條形碼系統(tǒng)、及強(qiáng)光衰減大的場(chǎng)合，如蒸汽、煙霧、火焰等場(chǎng)合。

（6）半導(dǎo)體激光式（紅光、近紅外光）具有較強(qiáng)的透射率和容易調(diào)制的特性，用于如蒸汽、煙霧、火焰等場(chǎng)合鋼鐵行業(yè)與安防。

4：按光源調(diào)制種類(lèi)的分類(lèi)

（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(dòng)的發(fā)光二極管。這種方式有線路簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是抗光干擾比較弱，目前僅在較短的距離檢測(cè)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(chēng)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(duì)接收器輸出采用具有頻率選擇的交流放大器進(jìn)行放大，從而減少周?chē)饩€和電氣噪聲的影響，這是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣的一種方式。

②機(jī)械旋轉(zhuǎn)調(diào)制式對(duì)光源用棱鏡或轉(zhuǎn)盤(pán)孔旋轉(zhuǎn)后，提取脈沖信號(hào)，如用于區(qū)域檢測(cè)和熱金屬輻射的掃描檢測(cè)等。

③、掃描式將多個(gè)發(fā)射器與接收器組合，通過(guò)同步信號(hào)逐一掃描，防止相互干擾。如用于光幕傳感器。

5：按供電種類(lèi)的分類(lèi)

（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(chǎng)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(gè)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(wèn)題。

6：按輸出種類(lèi)的分類(lèi)（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(wú)觸點(diǎn)輸出（5）繼電器觸點(diǎn)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(hào)

7：按結(jié)構(gòu)種類(lèi)的分類(lèi)

(1)內(nèi)藏放大器式即把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路裝配在一個(gè)殼體里，接通直流電源就可以獲取ON-OFF開(kāi)關(guān)輸出，不需要專(zhuān)用放大器，抗噪音能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，電纜線可延長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是主流的一種光電開(kāi)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(zhuān)用放大器（光電開(kāi)關(guān)主體）連接。主要是探頭可以安裝在比較狹小的空間對(duì)比較小的物體進(jìn)行檢測(cè)，但是有抗噪聲能力的問(wèn)題。隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)藏放大器式的光電開(kāi)關(guān)的體積越來(lái)越??；這種形式采用相對(duì)較少，尤其是光纖傳感器的發(fā)展。

（3）光纖式這種光電開(kāi)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(guò)光纖才傳輸光信號(hào)，光電開(kāi)關(guān)主體上套上光纖線，另一頭光纖探頭可以對(duì)被檢測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)光纖探頭比較小，可以檢測(cè)比較微小的物體，光纖線傳輸?shù)闹皇枪庑盘?hào)，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(wèn)題。

（4）自控式這種光電開(kāi)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(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)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(shí)還具有其他一些功能如動(dòng)作信號(hào)的延時(shí)、光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)靈敏度調(diào)節(jié)等。

二、光電開(kāi)關(guān)特點(diǎn)：

1、檢測(cè)距離長(zhǎng)：與電感式接近開(kāi)關(guān)相比，可以獲得很長(zhǎng)的檢測(cè)距離，例如：對(duì)射型開(kāi)關(guān)檢測(cè)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(cè)，所以不損傷被測(cè)物，也不受其影響。

2、檢測(cè)對(duì)象廣泛：因?yàn)槭歉鶕?jù)檢測(cè)對(duì)象的反射和透光檢測(cè)，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(cè)。

3、響應(yīng)速度快：檢測(cè)介質(zhì)本身是高速的，因?yàn)閹缀醪话瑱C(jī)械動(dòng)作，因而可以獲得非常高的檢測(cè)速度。

4、分辨能力高：因?yàn)楣馐侵本€傳播，且波長(zhǎng)短，因而分辨率高，適用于微小物體和高精度位置檢測(cè)。

5、容易取得規(guī)則的檢測(cè)區(qū)：采用了透鏡等光學(xué)系統(tǒng)，可以比較容易的聚光、擴(kuò)散和折射，對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)對(duì)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(cè)區(qū)域的產(chǎn)品。

6、不受磁場(chǎng)和振動(dòng)的影響：檢測(cè)開(kāi)關(guān)一般較多地安裝在具有較強(qiáng)磁場(chǎng)和振動(dòng)的場(chǎng)所，從本質(zhì)上說(shuō)，光電開(kāi)關(guān)受其影響很少，因而能夠可靠的動(dòng)作。

7、利用光的特性檢測(cè)：可以做色標(biāo)、形狀特征的選擇檢測(cè)。

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

但，光電開(kāi)關(guān)也有下述一些缺點(diǎn)：

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(shí)可行的保護(hù)措施。

10、周?chē)饩€強(qiáng)弱對(duì)開(kāi)關(guān)的影響，對(duì)于通常的照明光，目前光電開(kāi)關(guān)幾乎不受影響，但是如果背景光太強(qiáng)以致超過(guò)數(shù)萬(wàn)勒克斯，就會(huì)引起開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作而造成損失。

11、成本比其它檢測(cè)開(kāi)關(guān)要高一些。