光电开关的原理解析

2018-01-03 14:16:14 捷电 272

           

  光是一种电磁射线,其特性如同无线电波和X射线,传递速度约为300000千米/秒,因此它可以在发射的一瞬间被其接收。红外线光电开关是利用人眼不可见(波长为780nm-1mm)的近红外线和红外线的来检测、判别物体。通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。

  光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化:利用光学元件,在传播媒介中间使光束发生变化;利用光束来反射物体;使光束发射经过长距离后瞬间返回。

  光电开关的工作原理

  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。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。

  光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择,朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管、光电池组成。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。此外,光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成,能够使光束准确地从反射板中返回,具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角,使光束几乎是从一根发射线,经过反射后,还是从这根反射线返回。

  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。

  光电开关的类型

  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。可分为对射型、漫反射型、镜面反射型。

  对射型光电开关(如图1所示):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。

光电开关的原理解析

  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。

  镜面反射型光电开关(如图2所示):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。

光电开关的原理解析

 

  按结构光电开关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。

  光电开关的术语解释

  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。

  ⑨环境特性:光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可用性。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用性降低。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。

  光电开关的使用注意事项

  光电开关可用于各种应用场合。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)注意事项:

  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

  防止相互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。

  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。对此可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。

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