光电开关的工作原理

• 关键词：光电开关
• 摘要：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.F&C嘉准传感器www.fcsensor.com

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。

二、光电开关特点：

1、检测距离长：与电感式接近开关相比，可以获得很长的检测距离，例如：对射型开关检测距离可达数十米，反射已从几厘米到几米，由于是非接触检测，所以不损伤被测物，也不受其影响。

2、检测对象广泛：因为是根据检测对象的反射和透光检测，所以不管是金属、即使是玻璃、橡胶、木材、液体、气体等几乎都可以检测。

3、响应速度快：检测介质本身是高速的，因为几乎不包含机械动作，因而可以获得非常高的检测速度。

4、分辨能力高：因为光是直线传播，且波长短，因而分辨率高，适用于微小物体和高精度位置检测。

5、容易取得规则的检测区：采用了透镜等光学系统，可以比较容易的聚光、扩散和折射，对应不同的检测对象和不同的使用环境，可以适当的选取具有某种检测区域的产品。

6、不受磁场和振动的影响：检测开关一般较多地安装在具有较强磁场和振动的场所，从本质上说，光电开关受其影响很少，因而能够可靠的动作。

7、利用光的特性检测：可以做色标、形状特征的选择检测。

8、寿命长：由于是非接触检测，所以寿命长，特别是用发光二极管做为光源，控制输出采用无接点方式，寿命就更长。

但，光电开关也有下述一些缺点：

9、透镜容易受到粉尘和油污的污染，透镜一旦弄脏，不仅使光束散乱，又挡住了一部分光，因而在恶劣环境下，必须采取切实可行的保护措施。

10、周围光线强弱对开关的影响，对于通常的照明光，目前光电开关几乎不受影响，但是如果背景光太强以致超过数万勒克斯，就会引起开关误动作而造成损失。

11、成本比其它检测开关要高一些。