光电接近开关毕业设计论文.docx

湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）~ 22 ~

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毕业设计（论文）

光电接近开关

专业（系） 电气工程系
班 级 工业控制121
学生姓名 杨凯
指导老师 王志伟
完成日期

二、光电开关的简介
　　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*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*。
　　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
　　⑨ 环境特性：光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可*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*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)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。
光电开关的原理图

3.光电开关的工作原理
电子技术是光波段的电子技术，它是继微电子技术之后,近十·年来迅猛发展的新技术,集中了固体物理、波导光学、材料科学和半导体科学技术的成就,成为电子技术和光子技术的自然扩展,具有强烈应用背景的新兴交叉学科,对经济、科技、国防等有重要的意义。而作为倒置开关是存储测试系统的关键部件，它的可靠性决定了存储测试系统的可靠性，直接关系整个实验的成败。本文针对存储测试技术对测试系统低功耗的要求，研究了一种光电倒置开关，并设计一套完整的可靠性检测系统，有效分析了光电倒置开关的可靠性。
传感器家族中的重要成员，光电开关一直都以其卓越的性能而备受青睐。随着技术的发展，新一代的光电开关产品更是具有延时、展宽、外同步、抗干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能，备受更多用户的青睐，广泛应用于多个行业中。同时，光电开关也朝着体积更小、功能更多、检测精度更高、响应时间更短的方向迈进；同时，光电开关的抗光、电、磁的干扰能力也更强。
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。
由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。
光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。
经实验表明，系统精度高，抗干扰性强，结构简单，操作方便，使用安全，作用距离较远。通过选用不同频率的副载波，可以实现在同一房间内多套遥测系统同时工作；通过提高接收部分速率，能够提高信号的采样率，实现多路生理信号的遥测，可以作为一种理想、实用的前端，是红外遥测技术应用于日常的一种有益的尝试和探索。
4.光电开关的应用
从图6可以看出光电开关的各种应用。其中，图6（a）为光电开关用于对材料的定位剪切控制；图6（b）为用光电开关来控制液面位的上下限值，当液面位高于或低于上下极限液面位时，光电开关控制电路可使阈门打开或关闭，使液面位的高度保持在上下限之间；图6（c）为利用物体对光的遮挡作用，检测物体的通过个数，或物体是否存在；图6（d）为利用光的直线传播性，检验产品是否等高排列；图6（e）为将光电开关用在流水生产线上，来检测产品的个数；图6（f）为用光电开关检测液面位的高低。 
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。 
（1）、工作原理： 
图3 所示是反射式光电开关的工作原理框图。图中，由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三级管DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分 或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。  
光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。

（2）、特点： 
（3）、主要类型： 
   1、对射型光电开关： 
  由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会
产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。  
  特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。  
2、漫反射型光电开关： 
是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，
当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。  
3、镜面反射型光电开关： 
  由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的
反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。特征：辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。  
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。 
（5）、光电开关技术指标： 
塑料或金属外壳，有圆柱形、方形、叉型、玻璃或塑料光纤等直射系统检测距离长，最大100m，检测不透明物体准确、可靠，抗恶劣条件好（灰尘、散射光导）反射系统检测距离中等，最大15m，易于安装，检测不透明物体或非反射性透明物体；极性反射系统可以检测反射物体漫射系统检测距离 
短，最大2m，取决于物体的反射系数，安装及设置简单，可检测透明、反射或半透明的物体，需要洁净的环境带背景抑制功能的漫射系统对背景物体不敏感，检测距离与物体的颜色无关继电器或固态输出两种方式，还有模拟量（4－20mA）输出的专用系列产品可选择的功能：时间延迟、分离放大器、灵敏度调节等三种接线方式：螺丝端子、插接件、电缆引线，最高防护等级为IP67Design18市场上最广泛使用的标准，第一代Ø18且具备背景抑制功能。 
（6）、专用名词说明： 
1、检出距离： 
  对射式和镜面反射式光电开关的检出距离是指光轴上无有效遮挡物野战，可稳
定检出的最大距离。反射式光电开关的检出距离则是可稳定检出标准检测物的最大距离。  
2、 回差距离： 
  回差距离指动作距离与复位距离之差。它用检出距离的比率来表示，一般在检出距离的20﹪以下。  
3、 响应时间： 
  把从受光器初始有效受光到输出动作所需的时间称作响应时间。  
  把从受光器初始有效遮光到输出复位所需的时间称为复位应用时间。  
4、 暗动: 
  暗动（DARK ON）：即遮光动作。它表示在进入受光器的光速减少到一定程序时
或被全遮时，输出晶体管将导通输出。  
5、 亮动: 
  亮动（LIGHT ON），也称受光动作。它是指进入受光器的光束增加到一定量时，输出晶体管导通且有输出。  
6 、外同步输入功能: 
  在一般情况下，凡具有外部诊断输入功能的光电开关，一般均具有外同步功能。  
也就是说，用接点或晶体管导通等方法使图2中的蓝线与黑线短接  （ON ）可随时停止投光。可以据此在工作前预检传感器检测是否正常。在工作中，利用此性质也可随时接受控制系统发出的运行或中断指令。如果将前一个输出与后一个外同步输入进行串接，则可实现与门等功能。 
（7）、使用及注意事项 : 
光电开关可用于各种应用场合，图3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。  
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。  
2、防止相互干扰: 
  MGK 系列新型光电开关通常都具有自动防止相互干扰的功能，因而不必担心相
互干扰。然而，HGK系列对射式红外光电开关在几组并列靠近安装时，则应防止邻组和相互干扰。防止这种干扰最有效的办法是投光器和受光器交叉设置，超过2组时还拉开组距。当然，使用不同频率的机种也是一种好办法。
  HGK系列反射式光电开关防止相互干扰的有效办法是拉开间隔。而且检测距离越远，间隔也应越大，具体间隔应根据调试情况来确定。当然，也可使用不同工作频率的机种。  
3、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、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、自诊断功能使用: 
  在安装或使用时，有时可能会由于台面或背景影响以及使用振动等原因而造成
光轴的微小偏移、透镜沾污、积尘、外部噪声、环境温度超出范围等问题。这些问题有可能会使光电开关偏离稳定工作区，这时可以利用光电开关的自诊断功能而使其通过STABLITY绿色稳定指示灯发出通知，以提醒使用者及时对其进行调整。  
6、消除台面影响： 
  投光器与受光器在贴近台面安装时，可能会出现台面反射的部分光束照到受光
器而造成工作不稳定。使受光器与投光器离开台面一定距离并加装遮光板。    严禁用稀释剂等化学物品，以免损坏塑料镜。  
高压线、动力线和光电传感器的配线不应放在同一配线管或用线槽内，否则会由于感应而造成（有时）光电开关的误动作或损坏，所以原则上要分别单独配线。    
下列场所，一般有可能造成光电开关的误动作，应尽量避开：    
1、灰尘较多的场所；    
2、腐蚀性气体较多的场所；  
3、水、油、化学品有可能直接飞溅的场所；  
4、户外或太阳光等有强光直射而无遮光措施的场所；    
5、环境温度变化超出产品规定范围的场所；  
6、振动、冲击大，而未采取避震措施的场所。
5、光电开关过载和短路保护

（1）.  短路保护  

（2）.  过电流保护  

（3）.  过载保护  

1）失压保护  
 。    
2）欠电压保护  
  3）过电压保护  

6、光电开关的集成电路介绍
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