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1、 光电子材料与器件 课程设计 设计名称：反射式光电开光的设计学生姓名：学生学号：所在学院： 所在专业：电子科学与技术指导教师：时间：2015.9.13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。 关键词：光电开关，光电传感器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
2、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。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
3、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。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
4、。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
5、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
6、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
7、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。(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
8、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2.1反射式光电开关 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
9、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。2.2反射式光电开关原理反射式光电开关的工作原理是红外传感器红外发射管发射出红外光，红外接收管根据反射回来的红外光强度大小来计数的，故被检测的工件或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，这样红外接收管才能有效的截止和饱和达到计数的目的。所以在选择工作点、安装及使用中最关健的一点是红外接收管必须工作于截止区和饱和区。2.3 组成模块发光二极管、光电转换器件（光电三极管）振荡、发射、检测、鉴频发光二极管、光电三极管集成在一起，称为漫反射光电传感
10、器、推荐型号：TCRT5000振荡电路：555定时器、晶振振荡电路、微控制器的PWM发射电路：三极管电流驱动鉴频电路：锁相环，推荐：Lm567反射式光电开关是包括一个红外发光二极管和硅光电晶体管，包裹并排在聚光光学轴在一个黑色的热塑性塑料外壳。光电晶体管不受辐射的红外发光二极管在正常情况下，当一个物体靠近时，辐射是由物体反射和光电接收更为接近的物体辐射。2.4反射式光电开关的设计指标波长：红光或者近红外检出距离（稳定检出标准检测物的最大距离）：15mm响应时间：1ms输出形式：电平输出，检出反射物时输出一种电平，未检出反射物时输出另一种电平。 2.5光电开关的特点及优点1、检测距离长。如果在对
11、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
12、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。3、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
13、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4所示。在没
14、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图4 漫反射式烟雾报警器3.2 光电开关的其他应用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
15、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 1020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。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.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,20014 李科杰.新编传感器技术手册.北京：国防工业出版社,20035 丁镇生. 传感器及传感器技术应用. 北京: 电子工业出版社,1998.
