光电接近开关

一、前言

光电开关是传感器大家族中的成员，它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），所以它可以在许多场合得到应用。

二、光电开关介绍 1、工作原理

光电开关（光电传感器）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。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型。图2是德国SICK公司的部分光电开关外型图。

2、光电开关的分类及术语解释 （1）分类

①漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

②镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

③对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。

④槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。

⑤光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

它们的工作光线示意图如图3所示。

（2）术语解释

常见的术语示意图如图4所示。

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用的输出形式。

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，所以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。常用材料的反射率如表1所示。

表1 常用材料的反射率 反射材料 率 不透明黑色塑白画纸 90% 料 报纸 55% 黑色橡胶 黑色布料 4% 3% 14% 材料 率 反射餐巾纸 47% 包装箱硬

68% 未抛光白色金130%

纸板 洁净松木 70% 属表面 光泽浅色金属150% 表面 干净粗木20% 板 透明塑料40% 杯 半透明塑62% 料瓶 不透明白87% 人的手掌心 75% 色塑料 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（Sn不锈钢 200% 木塞 35% 啤酒泡沫 70% ）降额使用来确定最佳工作距离。 （3）使用注意事项

①红外线传感器属漫反射型的产品，所采用的标准检测体为平面

的白色画纸。

②红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作，但原则上应回避将传感器光轴正对太阳光等强光源。

③对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80%。

④当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的光电开关，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用。

⑤红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜。

⑥针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰尘较多的场合，所生产的光电开关在灵敏度的选择上增加了50%，以适应在长期使用中延长光电开关维护周期的要求。

⑦产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使用均不会出现损坏。为了避免意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。 以上各注意事项示意图见图5。 三、原理分析

图1 感测开关(N.O 型)动作 若是

N.C 型，则动作相反，远离为ON，靠近为OFF。各种不同感

测组件，(光电，磁感测，超音波……)都可以当近接开关的传感器。至于开关接点的型式，有晶体管接点，金属接点和可控硅接点。目前我们要谈的产品，是以光电组件当感测头，所以必须有一个光发射器和一个光接收器，我它们并列安装，由物体靠近时把发射光反射回来，接收端所得到的反射量的大小，代表物体的远近。

图2 光电接近开关方块图

一般感测用书所介绍的光学近接式开关实习线路，大都采用直流驱动(像光遮断器的接法)，虽然方便实习进行。但却是不负责任的做法或经验不足。因近接开关乃以发射光经物体反射接收来判断。若一直流驱动，则任何光源变化或阴影都会被接

收，而造成不确定的错误动作。所以真正的光学式近接开关，采用红外线波长的发光二极管和光敏三极管外，最重要的是：以交流驱动(而

非直流驱动)，由振荡器产生固定频率f0的信号，经电流放大，去驱动发光二极管，便能发出频率为f0 的光脉波。接收端所接到的信号，可能有任何光源的变化，但经过中心频率为0 f 的带通滤波器，滤除f0以外的信号后，只有与f0频率相同的信号被放大。而其电压的大小将随距离的远近而改变。经放大后的交流信号(频率为f0 )，若加以整流，便能把交流变成直流，就能很方便地用电压比较器加以判断，最后才控制开关的ON 和OFF。 四、电路分析

图3 光学式接近开关电路分析 (1) 振荡器：OP1

任何能够产生方波，脉波或正玄波的电路，都可以当本单元的振荡器。目前我们使用OP1 当做方波振荡电路，并由R 和C 来决定振荡频率

f0的大小。

若C=0.1μF，R=4.55kΩ，便能得到 f0 =kHz 的方波。而这个振荡电路我们可以由GS-03 完成之。

图4 GS-03 改装成振荡器

图4 中，决定振荡频率的R 和C，已知C=0.1μF，R= RVA和(10k+ RV3 )并联，若RV3 调成0Ω，则=(20k可变电阻)//(10kΩ固定电阻)，调

RVA 能得到R=4.55kΩ…… RVA=8.34kΩ时

※也可以用一个8.2k 的电阻取代RVA (2) 电流放大：Q1

图5 电流放大的说明

事实上近接开关侦测的距离都非常短，大都在10mm(1 公分)以内，可以不必加电流放大级。但我们希望把光发射的强度增大，使发射距离增长，那么就可以把这些电路也当成红外线遥控开关来使用。

图

6 红外线遥控应用

把反射组态，变成对设组态的安排便成了红外线遥控电路。此时除了可以当遥控开关外，也可以当远距离的光遮断器使用。判断有没有物体通过，或拿来当防盗感应器，侦测有没有入侵者。 (3) 带通滤波器：OP2

OP2 配合一些电阻与电容组成带通滤波器，目前设计成中心频率为1kHz。

图

7 带通滤波器特性说明

简言之，带通滤波器乃抑制中心频率f 0 以外的信号，即消除其它频

率(被视为杂讯)的干扰。只让1kHz 的信号通过。 (4) 信号放大：OP3

OP3 只是一个普通的相反放大器，把带通滤波器所得到1kHz 的信号加以放大，以利往后的电压比较和判断。OP3 的电路，可以拿GS-03~GS-06 来完成。 (5) 整流电路：D2

图

8 半波整流与滤波

当物体越近时，OP3 的输出电压V03 越大，当电压足以让二极管导通(约0.7V~1V以上)时，便具有半波整流的功用，再加上CF 滤波，便能得到VDC 的直流电压。物体靠近VDC 上升，物体远离VDC 下降。则能以VDC 的大小，代表物体的近远。 四、总结

除了以上介绍的例子外，光电开关还在许多方面得到了应用，例如在行程控制、直径限制、转速检测、气流量控制等方面。我相信光电开关会做得越来越先进，它的应用也会越来越广泛。