反射式光電開(kāi)光課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　光電子材料與器件</b></p><p><b>　　——課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　設(shè)計(jì)名稱：反射式光電開(kāi)光的設(shè)計(jì)</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　學(xué)生學(xué)號(hào)：</p><p>　所在學(xué)院： </p><

2、;p>　所在專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)</p><p>　指導(dǎo)教師：</p><p>　時(shí)間：2015.9.13</p><p><b>　　摘 要：</b></p><p>　　本文介紹了光電傳感器中光電開(kāi)關(guān)的工作原理及性能,說(shuō)明了光電開(kāi)關(guān)在現(xiàn)代生活中的重要地位,顯示了光電技術(shù)在日常生活生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的巨大潛力。從分析

3、光電傳感器的原理出發(fā)，著重對(duì)它在生產(chǎn)生活等領(lǐng)域進(jìn)行分析。通過(guò)傳感器外形結(jié)構(gòu)圖和應(yīng)用電路圖，了解光電傳開(kāi)關(guān)的工作原理、結(jié)構(gòu)、使用方法以及主要事項(xiàng)。介紹了該傳感器的特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、開(kāi)始與未來(lái)的發(fā)展以及成像特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光電開(kāi)關(guān)，光電傳感器</p><p><b>　　1、光電開(kāi)關(guān)介紹</b></p><p>　　1.1 光電開(kāi)

4、關(guān)的介紹</p><p>　　光電開(kāi)關(guān)（即光電傳感器）是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。安防系統(tǒng)中常見(jiàn)的光電開(kāi)關(guān)煙霧報(bào)警器，工業(yè)中經(jīng)常用它來(lái)記數(shù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。</p><p>　　接觸式行程開(kāi)關(guān)存在

5、響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測(cè)容易損壞被檢測(cè)物及壽命短等缺點(diǎn)，而晶體管接近開(kāi)關(guān)的作用距離短，不能直接檢測(cè)非金屬材料。但是，新型光電開(kāi)關(guān)則克服了它們的上述缺點(diǎn)，而且體積小、功能多、壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)。</p><p>　　目前，這種新型的光電開(kāi)關(guān)已被用作物位檢測(cè)、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測(cè)、定長(zhǎng)剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及安

6、全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉(cāng)庫(kù)、商店、辦公室以及其它需要的場(chǎng)合作為防盜警戒之用。</p><p>　　1.2 光電開(kāi)關(guān)的分類</p><p>　　1.2.1 按檢測(cè)方式分</p><p>　　常用光電開(kāi)關(guān)的分類方法：按檢測(cè)方式可分為反射式、對(duì)射式和鏡面反射式三種類型。對(duì)射式檢測(cè)距離遠(yuǎn)，可檢測(cè)半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作距離被

7、限定在光束的交點(diǎn)附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠(yuǎn)，適宜作遠(yuǎn)距離檢測(cè)，也可檢測(cè)透明或半透明物體。</p><p>　　1.2.2按結(jié)構(gòu)分類</p><p>　　光電開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)可分為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類。</p><p>　　放大器分離型是將放大器與傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，由于傳感器具有超小型和多品種的特點(diǎn)，

8、而放大器的功能較多。因此，該類型采用端子臺(tái)連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開(kāi)延時(shí)功能，可設(shè)置亮、音動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，能控制6種輸出狀態(tài)，兼有接點(diǎn)和電平兩種輸出方式。</p><p>　　放大器內(nèi)藏型是將放大器與傳感一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作。其響應(yīng)速度局面（有0.1ms和1ms兩種），能檢測(cè)狹小和高速運(yùn)動(dòng)的物體。改變電源極性可轉(zhuǎn)換亮、暗動(dòng)，并可設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈。兼

9、有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系統(tǒng)安裝中十分方便。</p><p>　　電源內(nèi)藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成。它一般使用交流電源，適用于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取代接觸式行程開(kāi)關(guān)，可直接用于強(qiáng)電控制電路。也可自行設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈，輸出備有SSR固態(tài)繼電器或繼電器常開(kāi)、常閉接點(diǎn)，可防止相互干擾，并可緊密安裝在系統(tǒng)中。</p><p>　　

10、1.3 光電開(kāi)關(guān)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)</p><p>　　圖1 光電開(kāi)關(guān)相關(guān)術(shù)語(yǔ)</p><p>　　(1)檢測(cè)距離: 是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng), 當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置(光電開(kāi)關(guān)的感應(yīng)表面)到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離指接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。</p><p>　　(2)回差距離: 動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。</p><p>　　(3

11、)響應(yīng)頻率: 在規(guī)定的1s的時(shí)間間隔內(nèi), 允許光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。</p><p>　　(4)輸出狀態(tài): 分常開(kāi)和常閉。當(dāng)無(wú)檢測(cè)物體時(shí), 常開(kāi)型的光電開(kāi)關(guān)所接通的負(fù)載由于光電開(kāi)關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作, 當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí), 晶體管導(dǎo)通, 負(fù)載得電工作。</p><p>　　(5)檢測(cè)方式: 根據(jù)光電開(kāi)關(guān)在檢測(cè)物體時(shí)發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同,可分為漫反射式、鏡反

12、射式、對(duì)射式等。</p><p>　　(6)輸出形式: 分NPN 二線、NPN 三線、NPN 四線、PNP二線、PNP三線、PNP四線、AC 二線、AC 五線(自帶繼電器) , 及直流NPN /PNP /常開(kāi)/常閉多功能等幾種常用的輸出形式。</p><p>　　(7)指向角: 見(jiàn)光電開(kāi)關(guān)的指向角示意圖, 即如圖4的下部三個(gè)小圖所示。</p><p>　　(8)表面

13、反射率: 漫反射式光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線需要經(jīng)檢測(cè)物表面才能反射回漫反射開(kāi)關(guān)的接受器, 所以檢測(cè)距離和被檢測(cè)物體的表面反射率將決定接受器接收到光線的強(qiáng)度。粗糙的表面反射回的光線強(qiáng)度必將小于光滑表面反射回的強(qiáng)度, 而且, 被檢測(cè)物體的表面必須垂直于光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射光線。</p><p>　　(9)環(huán)境特性: 光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用的環(huán)境亦會(huì)影響其長(zhǎng)期工作可靠性。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)工作于最大檢測(cè)距離狀態(tài)時(shí), 由于光學(xué)透鏡會(huì)被環(huán)境中的污物粘住

14、, 甚至?xí)灰恍?qiáng)酸性物質(zhì)腐蝕, 以至其使用參數(shù)和可靠性降低。較簡(jiǎn)便的解決方法就是根據(jù)光電開(kāi)關(guān)的最大檢測(cè)距離降額使用來(lái)確定最佳工作距離。</p><p><b>　　2、光電開(kāi)關(guān)的原理</b></p><p>　　光電開(kāi)關(guān)是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱, 它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射, 由同步回路選通電路,從而檢測(cè)遮擋物體的有無(wú)。所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)(物體不限于

15、金屬)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出, 接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)。工作原理如圖1所示。多數(shù)光電開(kāi)關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見(jiàn)光的紅外線光波。光電開(kāi)關(guān)的型號(hào)種類很多。</p><p>　　圖二 光電開(kāi)關(guān)工作原理示意圖</p><p>　　2.1反射式光電開(kāi)關(guān)</p><p>　　1.漫反射式光電開(kāi)關(guān)</p><

16、;p>　　漫反射光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。</p><p>　　2.鏡反射式光電開(kāi)關(guān)</p><p>　　鏡反射式光電開(kāi)關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射鏡，反射

17、回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。</p><p>　　2.2反射式光電開(kāi)關(guān)原理</p><p>　　反射式光電開(kāi)關(guān)的工作原理是紅外傳感器紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，紅外接收管根據(jù)反射回來(lái)的紅外光強(qiáng)度大小來(lái)計(jì)數(shù)的，故被檢測(cè)的工件或物體表面必須有黑白相間的部位用于吸收和反射紅外光，這樣紅外接收管才能有效的截止和飽和達(dá)到計(jì)數(shù)的目的。所以在選擇工作點(diǎn)、安裝及使

18、用中最關(guān)健的一點(diǎn)是紅外接收管必須工作于截止區(qū)和飽和區(qū)。</p><p><b>　　2.3 組成模塊</b></p><p>　　發(fā)光二極管、光電轉(zhuǎn)換器件（光電三極管）</p><p>　　振蕩、發(fā)射、檢測(cè)、鑒頻</p><p>　　發(fā)光二極管、光電三極管集成在一起，稱為漫反射光電傳感器、推薦型號(hào)：TCRT5000<

19、;/p><p>　　振蕩電路：555定時(shí)器、晶振振蕩電路、微控制器的PWM</p><p>　　發(fā)射電路：三極管電流驅(qū)動(dòng)</p><p>　　鑒頻電路：鎖相環(huán)，推薦：Lm567</p><p>　　反射式光電開(kāi)關(guān)是包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管和硅光電晶體管，包裹并排在聚光光學(xué)軸在一個(gè)黑色的熱塑性塑料外殼。光電晶體管不受輻射的紅外發(fā)光二極管在正常情況下，

20、當(dāng)一個(gè)物體靠近時(shí)，輻射是由物體反射和光電接收更為接近的物體輻射。</p><p>　　2.4反射式光電開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)</p><p>　　波長(zhǎng)：紅光或者近紅外</p><p>　　檢出距離（穩(wěn)定檢出標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物的最大距離）：15mm</p><p><b>　　響應(yīng)時(shí)間：1ms</b></p><p&g

21、t;　　輸出形式：電平輸出，檢出反射物時(shí)輸出一種電平，未檢出反射物時(shí)輸出另一種電平。</p><p>　　2.5光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　1、檢測(cè)距離長(zhǎng)。如果在對(duì)射型中保留10m以上的檢測(cè)距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段（磁性、超聲波等） 無(wú)法離檢測(cè)。 </p><p>　　2、對(duì)檢測(cè)物體的限制少。由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理，所以不象接近傳

22、感器等將檢測(cè)物體限定 在金屬，它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。 </p><p>　　3、響應(yīng)時(shí)間短。光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常 短。 </p><p>　　4、分辨率高。能通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。 也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。 <

23、;/p><p>　　5、可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)?？梢詿o(wú)須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能 長(zhǎng)期使用。 </p><p>　　6、可實(shí)現(xiàn)顏色判別。通過(guò)檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。 </p><p>　　7、便于調(diào)整。在投射可視光的

24、類型中，投光光束是眼睛可見(jiàn)的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　3、光電開(kāi)關(guān)在實(shí)際生活中的應(yīng)用</p><p>　　3.1 漫射式煙霧報(bào)警器</p><p>　　賓館等對(duì)防火設(shè)施有嚴(yán)格考核的場(chǎng)所均必須按規(guī)定安裝火災(zāi)傳感器?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)伴隨有光和熱的化學(xué)反應(yīng)。物質(zhì)在燃燒過(guò)程中一般有下列現(xiàn)象發(fā)生。</p><p>　　（1）產(chǎn)生

25、熱量，使環(huán)境溫度升高 物質(zhì)劇烈燃燒時(shí)會(huì)釋放出大量的熱量，這時(shí)可以用各種溫度傳感器來(lái)測(cè)量。但是在燃燒速度非常緩慢的情況下，火災(zāi)初期的環(huán)境溫度上升是不易鑒別的。</p><p>　　（2）產(chǎn)生可燃性氣體 有機(jī)物在燃燒的初始階段，首先釋放出來(lái)的是可燃性氣體，如一氧化碳等。</p><p>　?。?）產(chǎn)生煙霧 煙霧是人們?nèi)庋勰芤?jiàn)到的微小懸浮顆粒。其粒子直徑大于10nm。煙霧有很大的流動(dòng)性，可

26、潛入煙霧傳感器中，因此檢測(cè)煙霧是較有效的檢測(cè)火災(zāi)的手段。</p><p>　?。?）產(chǎn)生火焰 火焰輻射出紅外線、可見(jiàn)光和紫外線。其中紅外線和可見(jiàn)光不太適合用于火災(zāi)報(bào)警，這是因?yàn)檎Ｊ褂弥械娜∨O(shè)備、電燈、太陽(yáng)光線都包含有紅外線或可見(jiàn)光。利用紫外線管（外光電效應(yīng)型）或用某些專用的半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)型紫外線傳感器，能夠有效地監(jiān)測(cè)火焰發(fā)出的紫外線。</p><p>　　漫反射式煙霧傳感器就是根據(jù)

27、上述物質(zhì)燃燒特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，如圖4所示。在沒(méi)有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無(wú)法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射，使部分紅外光到達(dá)光敏三極管</p><p>　　圖4 漫反射式煙霧報(bào)警器</p><p>　　3.2 光電開(kāi)關(guān)的其他應(yīng)用</p><p>　　4、光電開(kāi)關(guān)使用注

28、意事項(xiàng)</p><p>　　光電開(kāi)關(guān)可用于各種應(yīng)用場(chǎng)合。在使用光電開(kāi)關(guān)時(shí)，還應(yīng)注意環(huán)境條件，以使光電開(kāi)關(guān)能夠正常可靠的工作。</p><p>　　4.1 避免強(qiáng)光源</p><p>　　光電開(kāi)關(guān)在環(huán)境照度較高時(shí)，一般都能穩(wěn)定工作。但應(yīng)回避將傳感器光軸正對(duì)太陽(yáng)光、白熾燈等強(qiáng)光源。</p><p>　　在不能改變傳感器（受光器）光軸與強(qiáng)光源的角

29、度時(shí)，可在傳感器上方四周加裝遮光板或套上遮光長(zhǎng)筒。</p><p>　　4.2 鏡面角度影響</p><p>　　當(dāng)被測(cè)物體有光澤或遇到光滑金屬面時(shí)，一般反射率都很高，有近似鏡面的作用，這時(shí)應(yīng)將投光器與檢測(cè)物體安裝成 10～20°的夾角，以使其光軸不垂直于被檢測(cè)物體，從而防止誤動(dòng)作。</p><p>　　4.3 排除背景物影響</p>&

30、lt;p>　　使用反射式擴(kuò)散型投、受光器時(shí)，有時(shí)由于檢出物離背景物較近，光電開(kāi)關(guān)或者背景是光滑等反射率較高的物體而可能會(huì)使光電開(kāi)關(guān)不能穩(wěn)定檢測(cè)。</p><p>　　因此可以改用距離限定型投、受光器，或者采用遠(yuǎn)離背景物、拆除背景物、將背景物涂成無(wú)光黑色、或設(shè)法使背景物粗糙、灰暗等方法加以排除。</p><p><b>　　5、參考文獻(xiàn)</b></p>

31、<p>　　[1] 楊幫文.新型接近開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)使用手冊(cè). 電子工業(yè)出版社.2009年5月</p><p>　　[2] 程軍.傳感器及實(shí)用檢測(cè)技術(shù). 西安電子科技大學(xué)出版社.2008年8月第一版</p><p>　　[3] 楊崇志.特殊新型電子元器件手冊(cè).沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001</p><p>　　[4] 李科杰.新編傳感器技術(shù)手