光电开关传感器设计12-29班 宋家亮

论文题目: 光

电 开 关 的

班级：12-29 姓名：宋家亮学号： 论文编号：

设 计 与 应 用

2010 年 11 月 24 I

日

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摘 要

本文介绍了光电传感器中光电开关的工作原理及性能,说明了光电开关在现代生活中的重要地位,显示了光电技术在日常生活生产中推广应用的巨大潜力。从分析光电传感器的原理出发，着重对它在生产生活等领域进行分析。通过传感器外形结构图和应用电路图，了解光电传开关的工作原理、结构、使用方法以及主要事项。介绍了该传感器的特点、应用领域、开始与未来的发展以及成像特点。

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目录

摘 要 .............................................................................................................................II 第一章 光电开关介绍..................................................................................................... 1

1.1 光电开关的介绍 ............................................................................................... 1

1.2 光电开关的分类 ............................................................................................... 1

1.2.1 按检测方式分 ........................................................................................ 1 1.2.2 按结构分类 ............................................................................................ 3 1.3 光点开关的应用图例 ........................................................................................ 3 1.4 光电开关专用名词的解释 ................................................................................. 5 1.5 光电开关的特点 ............................................................................................... 6 第二章 光电开关的原理 ................................................................................................. 7

2.1 光电效应 .......................................................................................................... 7 2.2 光电开关中的主要光电元件 .............................................................................. 7

2.2.1 光敏电阻 ............................................................................................... 7 2.2.2 光敏二极管 ............................................................................................ 7 2.2.3 光敏三极管 ............................................................................................ 8 2.3 光电开关的基本原理 ........................................................................................ 8 2.4 光电接近开关 ................................................................................................... 9 2.5 光电开关与光电耦合器的区别 ........................................................................ 10 第三章 光电开关在实际生活中的应用 ...........................................................................11 3.1 漫射式烟雾报警器 ...........................................................................................11 3.2 光电开关在生产线中的应用 .............................................................................11 第四章 光电开关使用注意事项..................................................................................... 13

4.1 避免强光源 .................................................................................................... 13

4.2 镜面角度影响 ................................................................................................. 13 4.3 排除背景物影响 ............................................................................................. 13 参考文献........................................................................................................................ 14

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第一章 光电开关介绍

1.1 光电开关的介绍

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。安防系统中常见的光 电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。

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。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。

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。但是，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。

目前，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。此外，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。

开关传感器

1.2 光电开关的分类 1.2.1 按检测方式分

常用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

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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。

表1给出了光电开关的检测分类方式及特点说明。

光电开关的检测分类方式及特点说明

1.漫反射式光电开关 漫反射光电开关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，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 镜反射式光电开关亦是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 对射式光电开关包含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。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式 4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的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，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 5.光纤式光电开关 光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

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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 光点开关的应用图例

光点开关的应用图例

1.材料边的控制 2.气流量的监测 3.高度辨别 4.不合格的检出 3

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5.仓库门警卫 6.冲压床安全监视 7.料位控制 8.物体倒置辨别 9.自动注料 10.进出检测 11.烟雾检测 12.物体前后控制 4

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开关位置的确认 行程限位 存在/通过 采用光电开关上下限控制 斜度控制 围墙警戒 直径限制 行程控制

1.4 光电开关专用名词的解释

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1.检测距离: 检测距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（光电开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置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：按规定的1秒的时间间隔内，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。 光电开关的名词解释

1.5 光电开关的特点

1、检测距离长

如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（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，所以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，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常 短。

4、分辨率高

能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通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

可以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

通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。

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第二章 光电开关的原理

2.1 光电效应

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光电效应分为3类，如表3所示。

光电效应的分类即相关元件

光电效应名称 外光电效应 现象 在光线的作用下，能使电子逸出物体的表面 对应元件 光电管、光电倍增管 光敏电阻、光敏二极管、光敏内光电效应 在光线的作用下，能使物体的电阻率变小 三极管、 光敏达林顿管及光敏晶闸管 光生伏特效应 在光线的作用下，物体能产生一定方向的电动势 光电池

2.2 光电开关中的主要光电元件 2.2.1 光敏电阻

光敏电阻。在半导体光敏材料两端装上电极引线，，将其封装在带有透明窗的管壳里。两电极常做成梳状，可增加灵敏度。

光敏电阻

a）原理图 b）外形图 c）图形符号

2.2.2 光敏二极管

光敏二极管在电路中，处于反向偏置状态。

当光照射在光敏二极管的PN结（又称阻挡层）上时，在PN结附近产生的电子－空穴对数量也随之增加，当在光敏二极管两端施加电压后，流过PN结的光电流IΦ也相应增大，光电流与光照度E成正比。

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光敏二极管

1外形图 2内部结构 3结构简化图 4图形符号

1－负极引脚 2－管芯 3－外壳 4－聚光镜 5－正极引脚

2.2.3 光敏三极管

光敏三极管与普通三极管相似，也有电流放大作用。NPN型光敏三极管。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（C、E）两个引脚，所以其外形与光敏二极管相似，从外观上较难区别。

光敏三极管示意图

1内部组成 2原理电路 3图形符号

1－集电极引脚 2－管芯 3－外壳 4－聚光镜 5－发射极引脚

光线通过透明窗口落在集电结上，当电路电压极性连接时，集电极电流I C

是原始光电流的β倍

2.3 光电开关的基本原理

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在图中，当无脉冲信号输入时，三极管BG处于截止状态，发光二极管无电流流过不发光，则a、 b两端电阻非常大，相当于开关“断开”。当输入端加有脉冲信号时，BG导通，发光二极管发光，则a、b两端电阻变得很小，相当于开关“接通”。故称无信号时开关不通，为常开状态。

电路则为“带闭”状态，因为无信号输入时，虽BG截止，但发光二极管有电流通过而发光，使a、b两端处于导通状态，相当于开关“接通”。当有信号输入时，BG导通，由于BG的集电结压降在0．3V以下，远小于发光二极管的正向导通电压，所以发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻极大，相当于开关“断开”，故称“常闭”式。

光点接近开关原理

2.4 光电接近开关

光电接近开关电路原理图。由555构成多谐振荡器，从③脚输出38kHz的方波信号。经VT1驱动红外发射管VD2向外发射频率为38kHz红外调制信号。之所以选用38kHz的红外调制信号，是由于选用的红外接收头U1的频率响应为38kHz(U1型号AT138B的 “38”表示响应频率大小，其外观和引脚如图1右方所示)。当有障碍物靠近时，红外线反射回来被U1所接收，当接收到的红外信号足够强时输出(OUT)为低电平，否则为高电平。如果用5V供电，输出(OUT)为TTL电平可直接与微处理器相接。多谐振荡器的振荡频率计算公式为： t1≈0.7(R1+R2)×C1； t2≈0.7(R3+R4)×C1； f=1/(t1+t2)。

调试时使输出波形的占空比尽量为1:1，经过试验发现只要占空比偏离1:1不太多则无影响，但频率不要偏离38kHz太多，否则探测精度会下降，频率偏离太大时则U1无响应。经过计算在R1、R3为1k时R2、R4调到880Ω左右。

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光点接近开关工作原理图

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7

1KΩ 1KΩ （微调电阻） 1KΩ（微调电阻） 1KΩ 1KΩ（微调电阻） 100Ω 2.2KΩ（微调电阻） C1 C2 VD1 VD2 VT1 U1 IC 0.01 uF 100uF/16V 二极管 红外发射管 9014 AT138B 555 元件参数 红外发射管的发射功率可通过改变R5的阻值进行调节，发射管的发射电流

大小决定了探测距离的大小。如果不需调节探测距离的大小，R5、R6可用一固定阻值的电阻代替。

红外接近开关的关键并不在于电路，而是在结构上，特别是U1和VD2的位置不能随便放置。该红外接接近开关做成探头状，把整个电路板安装在一根塑料管内，并引出三根导线：电源、地、输出(OUT)。U1、VD2放置在塑料管的前端，并用不透光的塑料片把U1、VD2隔开，为了防止VD2向旁边漏射出红外线可用黑色电胶布在VD2的周围绕一两圈，只让红外线从VD2的前方发出(电路板、隔光塑料片、U1、VD2可用硅胶进行固定)，其结构.

光电接近开关原理图

2.5 光电开关与光电耦合器的区别

光电耦合器就是我们所说的光耦，它的原理是通过发光二极管照射三极管从而使得三极管导通和关短，通过调节二极管电压大小调节发光强度，从而使流过三极管的电流变化，常常用光藕是来反馈用。

而光电开关原理类似，不过它只是用来当作开关用的，也就是发光就三极管开通就是，z这需要一个挡光的东西,但并不需要调节电流大小，一般用在一般控制上，不能精确表针。

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第三章 光电开关在实际生活中的应用

3.1 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，这时可以用各种温度传感器来测量。但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。

漫反射式烟雾传感器就是根据上述物质燃烧特点设计的，如图10-21所示。在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏三极管V

漫反射式烟雾报警器

3.2 光电开关在生产线中的应用

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光电开关在生产线中的应用

光电开关在生产线中的应用

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确

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第四章 光电开关使用注意事项

光电开关可用于各种应用场合，1.3节所示为光电开关在多种场合的应用例图。另外，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。

因此可以改用距离限定型投、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。

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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.2009年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.2008年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,2001 [4] 李科杰.新编传感器技术手册.北京：国防工业出版社,2003

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