光电开关原理

光电开关原理

点击次数：1870 发布时间：

2009-3-7 10:24:36

光电开关

的定义：此种产品以光源为介质、应用光电效应，当光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无、大小和明暗，而向产生接点和无接点输出信号的开关元件。光电开关包括几种类型，自身不具备光源，利用被测物体发射的光的变化量进行检测的；利用自然光对光电开关的照射，物体遮蔽自然光产生的关变化量；光电开关自身具备光源，发射的光源对被检测物体反射、吸收、和透射光的变化量进行检测。常用的光源为紫外光、可见光、红外光等波段的光源，光源的类型有灯泡、LED、激光管等；输出信号有开关量或模拟量和通讯数据信息等。 光电开关的叫法，主要是输出为开关量的开关元件。

光电传感器的叫法，涵盖了输出开关量、模拟量、通讯数据等。

目前市面光电开关的叫法有分光源、检测形式、用途、结构等命名的。

如：利用红外光源的叫红外光电开关、红外线光电开关、红外线光电传感器等。

利用自然光的叫光控开关、光电继电器等。

利用激光为光源的叫激光光电开关、激光光电传感器等。

利用检测形式叫热金属检测器，俗称热检等。

利用用途的叫光电距离传感器、安全光幕传感器等。

利用结构的叫光幕传感器等。

这里就简要举几个例子，还有很多的叫法，在此无法一一介绍。

一、

光电开关

原理与分类

1：按检测形式的分类

（1）

对射式

对射式是由一个发射器与一个接收器相对配置的，发射器发射出的光指向接收器，发射器与接收器之间组成一个闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式。这种检测形式作用距离比较长，但需要一个发射器并需要配电；在某些应用场合比如空间狭小，不合适配电的运用上比较麻烦。如图1a：

图1a

②发射器与接收器一体化，光传输为直流方式的非调制信号，主要小型缝隙光电开关，如U型、C型的槽型光电开关。如图

1b:

图1b

（2）

直接反射式

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器发射的光直接照射到被检测物上，根据反射光的变化情况来进行检测的。可以说是近似人的眼睛的一种检测器。与对射式相比作用距离比较短，只需要单线配电即可，属于通用检测器。如图2：

图2

（3）

镜面反射式

①这种方式是把发射器与接收器构为一体，光电开关对置反角矩阵射镜，发射器的光被反射镜后反馈回接收器，

光电开关

与角矩阵反射镜（多棱镜）形成闭合光路，通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式，这种检测形式作用距离比对射式短，比直接反射式较长。只需要单线配电即可，由于采用反射镜光轴的调整比对射式容易；反射镜由多棱镜角矩阵板或微晶玻璃颗粒反射膜等。如图3a：

图3a

②具有M.S.R功能的反射器式光电开关，如果被检测物是平面而且有光泽，则会产生误动作，欲解决此问题，可采用M.S.R功能，它的主要工作原理是基于角矩阵反射器能使偏振光方向改变90°，采用互相垂直的偏振光膜片放在双镜头前，所以使用角矩阵反射器，光路闭合。如果是平面镜或反光率比较的物体（如：玻璃瓶等）不能改变偏振方向，由它阻挡而产生的反射光不能进入受光器，因此它可以很容易被检测到，从而解决了由它表面反射而它引起的误动作问题。如图

3b:

图3b

（4）

辐射光检测形式

通过对被检测物体辐射出的光进行检测的形式。如用于钢铁行业的对加热的铁辐射出的红外线进行检测的光电开关。如图4：

图4

（5）

限定反射式

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光轴与接收光轴交叉区域灵敏度最佳。如图5：

图5

（6）

夹角式

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射器与接收器形成一个角度，发射光聚焦点与接收光聚焦交叉区域检测物体，用于精细检测，如标记检测等。如图6：

图6

（7）

同轴检测式（单镜头）

这种方式是把发射器与接收器构为一体，发射光通过镀膜的半透明镜片45°折射后通过镜头聚焦发射出去，接收光线通过聚焦镜头入射到接收器，主要用于标志检测。目前主流的颜色传感器、标志传感器大多采用这样方式。如图7：

图7

（8）

光导纤维式

光导纤维简称光纤，目前光纤式光电开关的光纤基本是两种，一种塑料光纤，价位比较低，普通检测使用；另一种玻璃光纤，价位比较高，一些检测精度比较高的场合。

①：对射式，把光纤套入发射器，把光纤套入接收器，光纤检测头相对安置。如图8a：

图8a

②：直接反射式，发射器与接收器构为一体，把光纤套入发射器与接收器（光纤放大器），光纤头为两根光纤并行，直接检测物体。如图8b：

图8b

③：同轴反射，发射器与接收器构为一体，把光纤套入发射器与接收器（光纤放大器）。光纤头为两根光纤并为一根的形式，发射光纤在中间，接受光纤围着其圆周排列。可以直接反射与镜面反射，取决于光纤放大器的光学结构。如图8c：

图8c

2：

按检测方法的分类

（1）光量法

目前大多数光电开关用来检测物体有无的均为光量方式，既光源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无。

（2）三角测距法

光量方式容易受到物体表面的光洁度、粗糙度、颜色所影响，因此在一些要求比较高的场合就需要采用距离法检测。

（3）激光测量法

由激光器对被测目标发射一个光信号， 然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间， 计算出目标的距离。

3：按光源种类的分类

光源目前采用的大多是发光二极管（LED），根据不同使用目的的区别使用。

（1）白炽灯式（可见光）

用于需要白光的标志检测器，由于寿命与抗震性能，现在使用比较少。

（2）发光二极管（LED）式（可见光、近红外光）

具有调制容易、寿命长、小型、功耗小、抗震等优点是光电开关理想的光源，可用于各种用途。

（3）荧光式（可见光）

主要用于需要长度的光电系统（图像传感器等）

（4）紫外光式（不可见光）

通过照射紫外线用于检测发生可见光的物体（荧光整理疵点、食品中的异物等）。

（5）气体激光式（可见光）

光束比较强，用于探伤系统、条形码系统、及强光衰减大的场合，如蒸汽、烟雾、火焰等场合。

（6）半导体激光式（红光、近红外光）

具有较强的透射率和容易调制的特性，用于如蒸汽、烟雾、火焰等场合钢铁行业与安防。

4：

按光源调制种类的分类

（1）直流光式

使发射器的光线为不变的直流光，包括白炽灯和用直流驱动的发光二极管。这种方式有线路简单、响应速度快的特点，但是抗光干扰比较弱，目前仅在较短的距离检测中使用。

（2）调制式

①、脉冲调制式

使发射器发的出光线为具有一定频率的脉冲波，一般称为调制光，采用这种方式除了可以获得峰值很高的光脉冲功率外，还可以对接收器输出采用具有频率选择

的交流放大器进行放大，从而减少周围光线和电气噪声的影响，这是目前国内外使用最广的一种方式。

②机械旋转调制式

对光源用棱镜或转盘孔旋转后，提取脉冲信号，如用于区域检测和热金属辐射的扫描检测等。

③、扫描式

将多个发射器与接收器组合，通过同步信号逐一扫描，防止相互干扰。如用于光幕传感器。

5：

按供电种类的分类

（1）直流式

采用直流电压供电的形式，一般大多采用12-24V（10-30V）的直流电压的供电。

（2）交流式

采用交流电压供电，电压范围为90-240V交流电，满足110VAC与220VAC场合的供电

（3）直流交流混合式

直流电压与交流电压都可以直接接入同一个供电回路的形式，直流电压范围12-240V，交流电压范围24-240V，此形式适应性比较灵活，不需要考虑配电的问题。

6：按输出种类的分类

（1）三极管NPN输出

（2）三极管PNP输出

（3）三极管NPN与PNP混合输出

（4）固态隔离无触点输出

（5）继电器触点输出

（6）可控硅输出

（7）模拟电压

（8）模拟电流

（9）数据信号

7：

按结构种类的分类

（1）内藏放大器式

即把发光、感光元件和放大电路、信号处理电路、开关驱动电路装配在一个壳体里，接通直流电源就可以获取ON-OFF开关输出，不需要专用放大器，抗噪音能力强，寿命长，电缆线可延长等优点，是主流的一种光电开关。

（2）放大器分离式

这是种早期采用比较多的方式，发光、感光元件装在探头内，用屏蔽线与专用放大器（光电开关主体）连接。主要是探头可以安装在比较狭小的空间对比较小的物体进行检测，但是有抗噪声能力的问题。随着技术的发展，内藏放大器式的光电开关的体积越来越小；这种形式采用相对较少，尤其是光纤传感器的发展。

（3）光纤式

这种光电开关是放大器分离式与内藏放大器式结合的产品，通过光纤才传输光信号，光电开关主体上套上光纤线，另一头光纤探头可以对被检测物体进行检测，其优点光纤探头比较小，可以检测比较微小的物体，光纤线传输的只是光信号，所以不用考虑放大器分离式那样需要考虑抗噪声能力的问题。

（4）自控式

这种光电开关是具有一定功能性的。把发光、感光元件和放大电路、信号处理电路、开关驱动电路、电源、继电器等都装配在一起，接上交流或直流电源就可以工作。同时还具有其他一些功能如动作信号的延时、光电开关的信号灵敏度调节等。