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光电开关设计说明书

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2020年4月19日
文档仅供参考

光电开关式设计说明书

学 校：重庆三峡学院

班 级：10级机械4班

小组成员：

1、光电开关介绍
1.1 光电开关的介绍
光电开关（即光电传感器）是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防系统中常见的光 电开关烟雾报警器，工业中经常见它来记数机械臂的运动次数。
接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。可是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。
当前，这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。另外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。
1.2 光电开关的分类
1.2.1 按检测方式分
　　常见光电开关的分类方法：按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。
1.2.2按结构分类
　　光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。
　　放大器分离型是将放大器与传感器分离，并采用专用集成电路和混合安装工艺制成，由于传感器具有超小型和多品种的特点，而放大器的功能较多。因此，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。具有接通和断开延时功能，可设置亮、音动切换开关，能控制6种输出状态，兼有接点和电平两种输出方式。
　　放大器内藏型是将放大器与传感一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。其响应速度局面（有0.1ms和1ms两种），能检测狭小和高速运动的物体。改变电源极性可转换亮、暗动，并可设置自诊断稳定工作区指示灯。兼有电压和电流两种输出方式，能防止相互干扰，在系统安装中十分方便。
电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成。它一般使用交流电源，适用于在生产现场取代接触式行程开关，可直接用于强电控制电路。也可自行设置自诊断稳定工作区指示灯，输出备有SSR固态继电器或继电器常开、常闭接点，可防止相互干扰，并可紧密安装在系统中。
1.3 光电开关的相关术语

图1 光电开关相关术语
(1)检测距离: 是指检测体按一定方式移动, 当开关动作时测得的基准位置(光电开关的感应表面)到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。
(2)回差距离: 动作距离与复位距离之间的绝对值。
(3)响应频率: 在规定的1s的时间间隔内, 允许光电开关动作循环的次数。
(4)输出状态: 分常开和常闭。当无检测物体时, 常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作, 当检测到物体时, 晶体管导通, 负载得电工作。
(5)检测方式: 根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同,可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。
(6)输出形式: 分NPN 二线、NPN 三线、NPN 四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC 二线、AC 五线(自带继电器) , 及直流NPN /PNP /常开/常闭多功能等几种常见的输出形式。
(7)指向角: 见光电开关的指向角示意图, 即如图4的下部三个小图所示。
(8)表面反射率: 漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器, 因此检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度, 而且, 被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。
(9)环境特性: 光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。当光电开关工作于最大检测距离状态时, 由于光学透镜会被环境中的污物粘住, 甚至会被一些强酸性物质腐蚀, 以至其使用参数和可靠性降低。较简便的解决方法就是根据光电开关的最大检测距离降额使用来确定最佳工作距离。

2、光电开关的原理
2.1 光电开关的基本原理
光电开关是光电接近开关的简称, 它是利用被检测物对光束的遮挡或反射, 由同步回路选通电路,从而检测遮挡物体的有无。所有能反射光线的物体均可被检测(物体不限于金属)。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出, 接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行检测。工作原理如图1所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波。光电开关的型号种类很多。

图二 光电开关工作原理示意图
光电开关把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），因此它能够在许多场合得到应用。光电开关采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。

这里我们要用到一种电子元件——干簧继电器，它由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。当线圈内有电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态，线圈内没有电流时，磁场消失，瓷片在弹力的作用下，回复到分离状态。
电路中的光敏电阻受到光照射时，电流相当强，用电器能够正常工作.而当光敏电阻不受光照射时，阻值增大，电流减弱，用电器停地工作。
把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，电动机带动大门打开。
光信号

光敏元件

光电传感器

大门开关
控制电路

电信号 磁信号

图1 方案设计流程图
元件选择和电路设计
(1)、元件选择
光敏元件选择光敏电阻。
光敏电阻的基本特性：
(1) 伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。
（2）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图3为硫化镉光敏电阻的光照特性。
(3) 光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图4 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。
（4）频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而马上变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性一般见时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级）， 因而它们的频率特性也就各不相同。 图5为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。

图 2 硫化镉光敏电阻的伏安特性

图3 光敏电阻的光照特性

(a)

图5 光敏电阻的频率特性

图4 光敏电阻的光谱特性

图 6 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性

(5) 温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，特别是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。
光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，因此应用广泛。
(2)、电路设计
下图即为光敏电阻开关电路，晶体管VT1、VT2构成施密特触发电路。当减少入射到光敏电阻上的光通量时，VT1的基极电压上升，直至管子导电为止，然后VT2由于反馈而变为截止状态，因此其集电极电压上升，直至达到12.7左右为止。在12V时，稳压二极管VDW1便导电，经过VDW1的 电流使得VT3导通，于是继电器被接通。二极管VD2阻尼继电器线圈震荡，因而对VT3起保护作用。50kΩ的能够对灵敏度进行调整。

这样就能够利用这个电路来控制大门的开与关了。
2.2 光电开关的特点及优点
1、检测距离长。如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其它检测手段（磁性、超声波等） 无法离检测。
2、对检测物体的限制少。由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，因此不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
3、响应时间短。光本身为高速，而且传感器的电路都由电子零件构成，因此不包含机械性工作时间，响应时间非常 短。
4、分辨率高。能经过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或经过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。 也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
5、可实现非接触的检测。能够无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能 长期使用。
6、可实现颜色判别。经过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。
7、便于调整。在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

3、光电开关在实际生活中的应用
漫射式烟雾报警器
宾馆等对防火设施有严格考核的场所均必须按规定安装火灾传感器。火灾发生时伴随有光和热的化学反应。物质在燃烧过程中一般有下列现象发生。
（1）产生热量，使环境温度升高 物质剧烈燃烧时会释放出大量的热量，这时能够用各种温度传感器来测量。可是在燃烧速度非常缓慢的情况下，火灾初期的环境温度上升是不易鉴别的。
（2）产生可燃性气体 有机物在燃烧的初始阶段，首先释放出来的是可燃性气体，如一氧化碳等。
（3）产生烟雾 烟雾是人们肉眼能见到的微小悬浮颗粒。其粒子直径大于10nm。烟雾有很大的流动性，可潜入烟雾传感器中，因此检测烟雾是较有效的检测火灾的手段。
（4）产生火焰 火焰辐射出红外线、可见光和紫外线。其中红外线和可见光不太适合用于火灾报警这是因为正常使用中的取暖设备、电灯、太阳光线都包含有红外线或可见光。利用紫外线管（外光电效应型）或用某些专用的半导体内光电效应型紫外线传感器，能够有效地监测火焰发出的紫外线。
4、光电开关使用注意事项
光电开关可用于各种应用场合。在使用光电开关时，还应注意环境条件，以使光电开关能够正常可靠的工作。
4.1 避免强光源
光电开关在环境照度较高时，一般都能稳定工作。但应回避将传感器光轴正对太阳光、白炽灯等强光源。
在不能改变传感器（受光器）光轴与强光源的角度时，可在传感器上方四周加装遮光板或套上遮光长筒。
4.2 镜面角度影响
当被测物体有光泽或遇到光滑金属面时，一般反射率都很高，有近似镜面的作用，这时应将投光器与检测物体安装成 10～20°的夹角，以使其光轴不垂直于被检测物体，从而防止误动作。
4.3 排除背景物影响
使用反射式扩散型投、受光器时，有时由于检出物离背景物较近，光电开关或者背景是光滑等反射率较高的物体而可能会使光电开关不能稳定检测。
因此能够改用距离限定型投、受光器，或者采用远离背景物、拆除背景物、将背景物涂成无光黑色、或设法使背景物粗糙、灰暗等方法加以排除。

5、参考文献
[1] 杨帮文.新型接近开关和光电开关使用手册. 电子工业出版社. 5月
[2] 程军.传感器及实用检测技术. 西安电子科技大学出版社. 8月第一版
[3] 杨崇志.特殊新型电子元器件手册.沈阳：辽宁科学技术出版社,
[4] 李科杰.新编传感器技术手册.北京：国防工业出版社,
[5] 丁镇生. 传感器及传感器技术应用. 北京: 电子工业出版社,1998.