光電開(kāi)關(guān)及其應(yīng)用

摘要：隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)化元件將被變普遍采用，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。文中以上海中滬電子儀器廠的光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)品為例對(duì)光電開(kāi)關(guān)原理、分類(lèi)、特點(diǎn)及使用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出了光電開(kāi)頭在多種場(chǎng)合的應(yīng)用圖例。

關(guān)鍵詞：光電開(kāi)關(guān) 控制 檢測(cè)

1 概述

采用集成電路技術(shù)和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開(kāi)關(guān)器件，具有延時(shí)、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開(kāi)關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)型電子開(kāi)關(guān)，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍(lán)色光等，可非接觸，無(wú)損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。

接觸式行程開(kāi)關(guān)存在響應(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)。

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(mén)傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及安全防護(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。

2 光電開(kāi)關(guān)的分類(lèi)

2.1 按檢測(cè)方式分

下面以上海中滬電子儀器廠的產(chǎn)品為例來(lái)介紹光電開(kāi)關(guān)的分類(lèi)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(lèi)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。

表1給出了光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)分類(lèi)方式及特點(diǎn)說(shuō)明。

2.2 按結(jié)構(gòu)分類(lèi)

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(lèi)。

放大器分離型是將放大器與傳感器分離，并采用專(zhuān)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)，而放大器的功能較多。因此，該類(lèi)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。

放大器內(nèi)藏型是將放大器與傳感一體化，采用專(zhuān)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。

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(zhuān)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。

3 光電開(kāi)關(guān)工作原理

圖1所示是反射式光電開(kāi)關(guān)的工作原理框圖。圖中，由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)光管GL輻射出光脈沖。當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，被反射回來(lái)的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU。并在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，再經(jīng)放大器放大和同步選通整形，然后用數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出光電開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

光電開(kāi)關(guān)一般都具有良好的回差特性，因而即使被檢測(cè)物在小范圍內(nèi)晃動(dòng)也不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時(shí)，自診斷系統(tǒng)還可以顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，以隨時(shí)監(jiān)視光電開(kāi)關(guān)的工作。

4 光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)

MGK系列光電開(kāi)關(guān)是現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是HGK系列紅外光電開(kāi)關(guān)的升級(jí)換代產(chǎn)品。與以往的光電開(kāi)關(guān)相比具有自己顯著的特點(diǎn)：

●具有自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示功能，可及時(shí)告知工作狀態(tài)是否可靠；

●對(duì)射式、反射式、鏡面反射式光電開(kāi)關(guān)都有防止相互干擾功能，安裝方便；

●對(duì)ES外同步（外診斷）控制端的進(jìn)行設(shè)置可在運(yùn)行前預(yù)檢光電開(kāi)關(guān)是否正常工作。并可隨時(shí)接受計(jì)算機(jī)或可編程控制器的中斷或檢測(cè)指令，外診斷與自診斷的適當(dāng)組合可使光電開(kāi)關(guān)智能化；

●響應(yīng)速度快，高速光電開(kāi)關(guān)的響應(yīng)速度可達(dá)到0.1ms，每分鐘可進(jìn)行30萬(wàn)次檢測(cè)操作，能檢出高速移動(dòng)的微小物體；

●采用專(zhuān)用集成電路和先進(jìn)的SMT表面安裝工藝，具有很高的可靠性；

●體積?。ㄗ钚H20×31×12mm）、重量輕，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，并具有短路保護(hù)功能。

5 專(zhuān)用名詞說(shuō)明

5.1 檢出距離

對(duì)射式和鏡面反射式光電開(kāi)關(guān)的檢出距離是指光軸上無(wú)有效遮擋物野戰(zhàn)，可穩(wěn)定檢出的最大距離。

反射式光電開(kāi)關(guān)的檢出距離則是可穩(wěn)定檢出標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物的最大距離。

5.2 回差距離

回差距離指動(dòng)作距離與復(fù)位距離之差。它用檢出距離的比率來(lái)表示，一般在檢出距離的20%以下。

5.3 響應(yīng)時(shí)間

把從受光器初始有效受光到輸出動(dòng)作所需的時(shí)間稱(chēng)作響應(yīng)時(shí)間。

把從受光器初始有效遮光到輸出復(fù)位所需的時(shí)間稱(chēng)為復(fù)位應(yīng)用時(shí)間。

5.4 暗動(dòng)

暗動(dòng)（DARK ON）：即遮光動(dòng)作。它表示在進(jìn)入受光器的光速減少到一定程序時(shí)或被全遮時(shí)，輸出晶體管將導(dǎo)通輸出。

5.5 亮動(dòng)

亮動(dòng)（LIGHT ON），也稱(chēng)受光動(dòng)作。它是指進(jìn)入受光器的光束增加到一定量時(shí)，輸出晶體管導(dǎo)通且有輸出。

5.6 外同步輸入功能

在一般情況下，凡具有外部診斷輸入功能的光電開(kāi)關(guān)，一般均具有外同步功能。

也就是說(shuō)，用接點(diǎn)或晶體管導(dǎo)通等方法使圖2中的藍(lán)線與黑線短接（ON）可隨時(shí)停止投光。可以據(jù)此在工作前預(yù)檢傳感器檢測(cè)是否正常。在工作中，利用此性質(zhì)也可隨時(shí)接受控制系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)行或中斷指令。如果將前一個(gè)輸出與后一個(gè)外同步輸入進(jìn)行串接，則可實(shí)現(xiàn)與門(mén)等功能。

6 使用

光電開(kāi)關(guān)可用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，圖3所示為光電開(kāi)關(guān)在多種場(chǎng)合的應(yīng)用例圖。另外，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?？煽康墓ぷ?。

6.1 避免強(qiáng)光源

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。

在不能改變傳感器（受光器）光軸與強(qiáng)光源的角度時(shí)，可在傳感器上方四周加裝遮光板或套上遮光長(zhǎng)筒。

6.2 防止相互干擾

MGK系列新型光電開(kāi)關(guān)通常都具有自動(dòng)防止相互干擾的功能，因而不必?fù)?dān)心相互干擾。然而，HGK系列對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)在幾組并列靠近安裝時(shí)，則應(yīng)防止鄰組和相互干擾。防止這種干擾最有效的辦法是投光器和受光器交叉設(shè)置，超過(guò)2組時(shí)還拉開(kāi)組距。當(dāng)然，使用不同頻率的機(jī)種也是一種好辦法。

HGK系列反射式光電開(kāi)關(guān)防止相互干擾的有效辦法是拉開(kāi)間隔。而且檢測(cè)距離越遠(yuǎn)，間隔也應(yīng)越大，具體間隔應(yīng)根據(jù)調(diào)試情況來(lái)確定。當(dāng)然，也可使用不同工作頻率的機(jī)種。

6.3 鏡面角度影響

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。

6.4 排除背景物影響

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)。

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。

6.5 自診斷功能使用

在安裝或使用時(shí)，有時(shí)可能會(huì)由于臺(tái)面或背景影響以及使用振動(dòng)等原因而造成光軸的微小偏移、透鏡沾污、積塵、外部噪聲、環(huán)境溫度超出范圍等問(wèn)題。這些問(wèn)題有可能會(huì)使光電開(kāi)關(guān)偏離穩(wěn)定工作區(qū)，這時(shí)可以利用光電開(kāi)關(guān)的自診斷功能而使其通過(guò)STABLITY綠色穩(wěn)定指示燈發(fā)出通知，以提醒使用者及時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

6.6 消除臺(tái)面影響

如圖4（a）所示，投光器與受光器在貼近臺(tái)面安裝時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)臺(tái)面反射的部分光束照到受光器而造成工作不穩(wěn)定。對(duì)此可采用如圖4（b）的方法，使受光器與投光器離開(kāi)臺(tái)面一定距離并加裝遮光板。

嚴(yán)禁用稀釋劑等化學(xué)物品，以免損壞塑料鏡。

高壓線、動(dòng)力線和光電傳感器的配線不應(yīng)放在同一配線管或用線槽內(nèi)，否則會(huì)由于感應(yīng)而造成（有時(shí)）光電開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作或損壞，所以原則上要分別單獨(dú)配線。

下列場(chǎng)所，一般有可能造成光電開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作，應(yīng)盡量避開(kāi)：

●灰塵較多的場(chǎng)所；

●腐蝕性氣體較多的場(chǎng)所；

●水、油、化學(xué)品有可能直接飛濺的場(chǎng)所；

●戶(hù)外或太陽(yáng)光等有強(qiáng)光直射而無(wú)遮光措施的場(chǎng)所。

●環(huán)境溫度變化超出產(chǎn)品規(guī)定范圍的場(chǎng)所；

●振動(dòng)、沖擊大，而未采取避震措施的場(chǎng)所。