傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)光電開(kāi)關(guān)傳感器課程設(shè)計(jì)

1、傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)摘要本文介紹了光電傳感器中光電開(kāi)關(guān)的工作原理與性能 ，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)展分析。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)、使用方法以與 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)的開(kāi)展以與成像特點(diǎn)。目錄摘要I第一章光電開(kāi)關(guān)介紹11.1 光電開(kāi)關(guān)的介紹11.2 光電開(kāi)關(guān)的分類21.2.1 按檢測(cè)方式分21.2.2 按結(jié)構(gòu)分類31.3 光點(diǎn)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用圖例41.4 光電開(kāi)關(guān)專用名詞的解釋51.5 光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn) 6

2、第二章光電開(kāi)關(guān)的原理72.1 光電效應(yīng)72.2 光電開(kāi)關(guān)中的主要光電元件82.2.1 光敏電阻82.2.2 光敏二極管82.2.3 光敏三極管92.3 光電開(kāi)關(guān)的根本原理102.4 光電接近開(kāi)關(guān)102.5 光電開(kāi)關(guān)與光電耦合器的區(qū)別 12第三章光電開(kāi)關(guān)在實(shí)際生活中的應(yīng)用123.1 漫射式煙霧報(bào)警器133.2 光電開(kāi)關(guān)在生產(chǎn)線中的應(yīng)用14第四章光電開(kāi)關(guān)使用須知事項(xiàng)154.1 防止強(qiáng)光源154.2 鏡面角度影響154.3 排除背景物影響15參考文獻(xiàn)15第一章光電開(kāi)關(guān)介紹光電開(kāi)關(guān)光電傳感器是光電接近開(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)物體有無(wú)的。物體不限于金

3、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)展探測(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)。光電開(kāi)關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化 轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開(kāi)關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔 離的即電緣絕，所以它可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。光電開(kāi)關(guān)采用集成電路技 術(shù)和SMT外表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

4、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)物與壽 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)如此克制了它們的上述缺點(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)以與抗光、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)門傳感、色標(biāo)檢出、沖 床和剪切機(jī)以與安

5、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、辦公室以與其它需要的場(chǎng)合作為防盜警戒之用圖1開(kāi)關(guān)傳感器按檢測(cè)方式分常用光電開(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限定在光束的交點(diǎn)附近，以防止背景影響。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)分類方式與特點(diǎn)說(shuō)明。表1光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)分類方式與特點(diǎn)說(shuō)明漫反射光電開(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

6、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)物體的外表光亮或其反光率極咼 時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。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)。對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互別離 且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器 發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體 經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光 電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不 透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)模 式槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的 U字型結(jié)構(gòu)， 其發(fā)射器和接收器分別位于 U型槽的兩邊， 并形成一

7、光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi) 關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比擬安全可靠的適 合檢測(cè)高速變化，分辨透明與半透明物體。光纖式光電開(kāi)關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感 器來(lái)引導(dǎo)光線，以實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物體不在相近 區(qū)域的檢測(cè)。通常光纖傳感器分為對(duì)射式和 漫反射式。按結(jié)構(gòu)分類光電開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)可分為放大器別離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類。放大器別離型是將放大器與傳感器別離，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)，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

8、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，采用專用集成電路和外表安裝工藝 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，采用專用集成電路和外 表安裝工藝制成。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 SSF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，并可嚴(yán)

9、密安裝在系 統(tǒng)中。1.3 光點(diǎn)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用圖例表2光點(diǎn)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用圖例17.斜度控制19.直徑限制20.行程控制1. 檢測(cè)距離：檢測(cè)距離是指檢測(cè)體按一定方 式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置光電開(kāi)關(guān)的感應(yīng)外 表到開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置到檢測(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。2. 回差距離：動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕 對(duì)值。被檢測(cè)物（接通）（斷開(kāi)）匚士二檢測(cè)距離回差值iT3響應(yīng)頻率：按規(guī)定的 1秒的時(shí)間間隔內(nèi), 允許光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。光電開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)方向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)

10、，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。表2光電開(kāi)關(guān)的名詞解釋1、檢測(cè)距離長(zhǎng)如果在對(duì)射型中保存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)。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)展檢測(cè)。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。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)展微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。5、可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)可以

11、無(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。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)展檢測(cè)。7、便于調(diào)整在投射可視光的類型中，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) 展調(diào)整。第二章光電開(kāi)關(guān)的原理用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串光子的轟擊， 組成這物體的材 料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 通常把光電效應(yīng)分 為3類，如表3所示。表3光電效應(yīng)的分類即相關(guān)元件光電效應(yīng)名稱現(xiàn)象對(duì)應(yīng)元件外光電效應(yīng)在光線的作用下，能

12、使電子逸岀物體的外表光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)在光線的作用下，能使物體的電阻率變小光敏電阻、光敏二極管、光敏 三極管、光敏達(dá)林頓管與光敏晶閘管光生伏特效應(yīng)在光線的作用下，物體能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)光電池光敏電阻光敏電阻如圖2所示。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里。兩電極常做成梳狀，可增加靈敏度，如圖2b所示。圖2 光敏電阻a原理圖b外形圖c丨圖形符號(hào)光敏二極管光敏二極管如圖3所示。從圖3c可以看出，光敏二極管在電路中，處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光照射在光敏二極管的PN結(jié)又稱阻擋層上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電 子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，當(dāng)在光敏二極管兩端施加電壓后，流過(guò)

13、PN結(jié)的光 電流I也相應(yīng)增大，光電流與光照度 E成正比。圖3 光敏二極管a外形圖b丨內(nèi)部結(jié)構(gòu)c丨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 d丨圖形符號(hào)1 負(fù)極引腳 2 管芯3 外殼4 聚光鏡5 正極引腳r光敏三極管光敏三極管與普通三極管相似，也有電流放大作用。NPN型光敏三極管示意圖如圖4所示。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線， 只有正負(fù)C、E兩個(gè)引腳,所以其外形與光敏二極管相似,圖4光敏三極管示意圖 a內(nèi)部組成 b）原理電路c丨圖形符號(hào)1集電極引腳 2 管芯3 外殼4 聚光鏡5 發(fā)射極引腳OCb1弋Ph光線通過(guò)透明窗口落在集電結(jié)上，當(dāng)電路按圖4b所標(biāo)示的電壓極性連接時(shí),集電極電流IC是原始光電流的B倍在圖中，當(dāng)無(wú)脈沖信號(hào)輸

14、入時(shí)，三極管 BG處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管無(wú)電 流流過(guò)不發(fā)光，如此a、b兩端電阻非常大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)。當(dāng)輸入端加 有脈沖信號(hào)時(shí)，BG導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，如此a、b兩端電阻變得很小，相當(dāng) 于開(kāi)關(guān)“接通。故稱無(wú)信號(hào)時(shí)開(kāi)關(guān)不通，為常開(kāi)狀態(tài)。如下圖中b所示電路如此為“帶閉狀態(tài)，因?yàn)闊o(wú)信號(hào)輸入時(shí)，雖BG截止，但發(fā)光二極管有電流通過(guò)而發(fā)光，使 a、b兩端處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，BG導(dǎo)通，由于BG的集電結(jié)壓降在0. 3V以下，遠(yuǎn) 小于發(fā)光二極管的正向?qū)妷海园l(fā)光二極管無(wú)電流流過(guò)不發(fā)光，如此 a、 b兩端電阻極大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)，故稱“常閉式。(1)(b>圖5 光點(diǎn)

15、接近開(kāi)關(guān)原理光電接近開(kāi)關(guān)電路原理圖如圖6所示，圖6中的元 件參數(shù)見(jiàn)附表。由555構(gòu)成多諧振蕩器，從 腳輸出 38kHz的方波信號(hào)。經(jīng)VT1驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管VD2向外發(fā) 射頻率為38kHz紅外調(diào)制信號(hào)。之所以選用38kHz的紅 外調(diào)制信號(hào)，是由于選用的紅外接收頭 U1的頻率響應(yīng)為38kHz（U1型號(hào)AT138B 的“38表示響應(yīng)頻率大小，其外觀和引腳如圖1右方所示）。當(dāng)有障礙物靠近 時(shí)，紅外線反射回來(lái)被U1所接收，當(dāng)接收到的紅外信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)輸出（OUT）為低 電平，否如此為高電平。如果用5V供電，輸出（OUT）為TTL電平可直接與微處理 器相接。多諧振蕩器的振蕩頻率計(jì)算公式為：t1 0.7(R1+

16、R2) >C1;t2 0.7（R3+R4） >C1;f=1/（t1+t2）。調(diào)試時(shí)使輸出波形的占空比盡量為 1:1，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只要占空比偏離 1:1不太多如此無(wú)影響，但頻率不要偏離38kHz太多，否如此探測(cè)精度會(huì)下降，頻率 偏離太大時(shí)如此U1無(wú)響應(yīng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算在 R1、R3為1k時(shí)R2 R4調(diào)到880Q左右實(shí)際有所偏差。圖6光點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)工作原理圖R11KQC10.01 uFR21KQ 微調(diào)電阻C2100uF/16VR31KQ微調(diào)電阻VD1二極管R41KQVD2紅外發(fā)射管R51KQ微調(diào)電阻VT19014R6100QU1AT138BR7Q微調(diào)電阻IC555附表元件參數(shù)紅外發(fā)射管的發(fā)射功

17、率可通過(guò)改變 R5的阻值進(jìn)展調(diào)節(jié)，發(fā)射管的發(fā)射電流大小決定了探測(cè)距離的大小。如果不需調(diào)節(jié)探測(cè)距離的大小，R5 R6可用一固定阻值的電阻代替。紅外接近開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵并不在于電路，而是在結(jié)構(gòu)上，特別是U1和VD2的位置不能隨便放置。該紅外接接近開(kāi)關(guān)做成探頭狀，把整個(gè)電路板安裝在一根塑料 管內(nèi)，并引出三根導(dǎo)線：電源、地、輸出（OUT）。U1、VD2放置在塑料管的前端， 并用不透光的塑料片把U1、VD2隔開(kāi)，為了防止VD2向旁邊漏射出紅外線可用黑 色電膠布在VD2的周圍繞一兩圈，只讓紅外線從 VD2的前方發(fā)出（電路板、隔光塑料片、U1、VD2可用硅膠進(jìn)展固定），其結(jié)構(gòu)如圖7所示圖7 光電接近開(kāi)關(guān)原理圖光電

18、耦合器就是我們所說(shuō)的光耦，它的原理是通過(guò)發(fā)光二極管照射三極管從 而使得三極管導(dǎo)通和關(guān)短，通過(guò)調(diào)節(jié)二極管電壓大小調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度， 從而使流過(guò) 三極管的電流變化，常常用光藕是來(lái)反響用。而光電開(kāi)關(guān)原理類似，不過(guò)它只是用來(lái)當(dāng)作開(kāi)關(guān)用的，也就是發(fā)光就三極管 開(kāi)通就是，z這需要一個(gè)擋光的東西，但并不需要調(diào)節(jié)電流大小，一般用在一般 控制上，不能準(zhǔn)確表針。第三章 光電開(kāi)關(guān)在實(shí)際生活中的應(yīng)用賓館等對(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)反響。物質(zhì)在燃燒過(guò)程中一般有如下現(xiàn)象發(fā)生。1產(chǎn)生熱量，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

19、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。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。3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。4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。漫反射式煙霧傳感器就是根據(jù)上述物質(zhì)燃燒特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，如圖 10-21所示。 在沒(méi)有煙霧