机电类 《自动检测技术及应用》 多媒体课件 （共13章，第十章 中） 统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2012年7月版

光电开关的结构、分类及应用 光电断续器的结构、分类及应用 第十章（中）光电传感器 目录 光电传感器（中）介绍第十章的第四节： “光电开关及光电断续器的原理及应用” 进入 光电开关的结构、分类及应用 光电断续器的结构、分类及应用 进入 2019/1/2

第四节 光电开关及光电断续器 光电位移传感器输出模拟信号，光电开关和光电断续器输出“开”和“关”信号（断或通信号）。从原理上讲，光电开关及光电断续器在原理上没有太大的差别，都由红外线（或红色）发射元件与光敏接收元件组成。光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关多数具有发射和接收两大部分，检测距离可达几米。

一、光电开关的结构和分类 光电开关可分为遮断型和反射型两大类。 遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放。轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关对检测能遮断光线的物体。 反射型光电开关的发射器和接收器单侧安装。当有物体在光电开关面前通过时，红外光束被反射回来，接收器接收到红外线，产生一个正脉冲信号。反射型光电开关的检测距离一般不超过1m，对暗色物体无法检测。

1.遮断型光电开关

光电开关应用示意图 a）遮断型 b）反射镜反射型c）散射型 1－发射器 2－接收器 3－被测物 4－偏振光反射镜 5－带偏振光滤光片的接收器 4－偏振光反射镜 5－带偏振光滤光片的接收器

遮断型光电开关工作原理 Receiver 光发射器 遮断型光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。 光接收器 被检测物体

光电开关的部分用途

例：光电开关的发射、接收电路计算 求:1）发射器的驱动电流IVL (简化的直流驱动) ； 2）没有遮光时的Ui、Uo ； 3）没有遮光时的接收器饱和电流IC； 4）完全遮光时的IC 、 Ui' 、Uo' 。

解：1）IVL=(12-1.2)/0.51≈21.18mA； 2）没有遮光时的Ui ≈ 0.3V，Uo ≈11.9V； 3）没有遮光时的IC ≈ (12-0.3)/10=1.177mA； 4）完全遮光时的IC ≈ 0，Ui' =12V，Uo' ≈0.1V。

某系列光电开关的电技术指标

遮断型光电开关示意图 遮断报警

遮断型光电开关用于人的手指保护 当手指进入危险区，遮断红色光线时，产生报警信号。

遮断型光电开关用于透光孔圆盘转速测量 开孔圆盘 转轴 断续光脉冲

遮断型光电开关用于检测废品 遮断型光电开关用于产品质量控制

遮断型光电开关用于扶手电梯的节能控制 电梯开始向上运行 电梯静止 扶手电梯节电自动运行条件判断

遮断型光电开关用于入口的人数、方向检 人员出入方向由前、后两个光电开关按遮光报警信号出现的顺序来判断。 若红色信号先于绿色信号，则判断为从外到内。 详见第十一章的“辨向技术”

遮断型光电开关用于检测阀门手柄位置 当阀门手柄处于水平位置时， 光电开关输出“到位”信号。

光幕（多路遮光型光电开关） 两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕。当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。 发射器 接收器

光幕应用 当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。 光线被遮断（报警）

光幕应用（续） 产品高度测量

光幕应用（续） 孔的检测

光幕应用（续） 纠偏 光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。

光幕应用（续） 光幕用于 自动收费系统的车辆检测

光幕应用（续） 锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警

光幕应用（续） 安全区示警

光幕应用（续） 手的安全区保护

光幕用途三维尺寸检测 宽度 测量 长度 测量 高度 测量

光幕应用（续） 木材外形截面积检测

2.反射型光电开关及分类 反射型光电开关可分为反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）两种。 反射镜反射型传感器的发射器和接收器单侧安装，反射镜在远侧安装，本质上仍然是遮断型传感器。 偏光三角棱镜能将发射器发出的光以固定的偏振方向反射回去。安装时，需要在360º平面上调整反射镜的偏振方向，使得反射光的偏振面恰好与接收器表面的偏振滤光片的偏振方向一致，才能取得最大灵敏度。 由于接收器的光敏元件表面覆盖一层偏光滤光片，只能接收偏光反射镜反射回来的偏振光，而不响应其他表面光亮物体反射回来的各种非偏振光。这种设计使它能用于检测诸如不锈钢等具有反光面的物体是否遮断，而不受不锈钢反射（不是偏振光）的影响。反射镜反射型光电开关的检测距离一般可达几米。

偏振光 光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向，叫做平面偏振光或线偏振光。 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。 偏振片只允许某个偏振方向的光通过， 因此偏振滤光片能够区别偏振光的方向，而人的眼睛对偏振光不敏感。 非偏振光 偏振光

反射型光电开关及反射镜外形 发射器在上， 接收器在下 三角偏振反射镜

反射镜反射型光电开关工作原理 偏振反射镜 反射镜为偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一薄片型偏光片，只能接受反射镜反射回来的某一确定偏振角的偏振光，对其他杂散光视而不见。 发射光 偏振光 被测物体

反射镜反射型光电开关优点 虽然塑料瓶的表面也反射光,但不是偏振光，不会引起接收器动作。 反射镜 能反光的塑料瓶 如果不采用偏振检测,光亮物体从光电开关面前掠过时,就不会产生遮断负脉冲。 反射镜 能反光的塑料瓶

反射型 光电 开关的应用 反射型光电开关广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电开关中的发光二极管大多数用38kHz窄脉冲电流驱动；红外LED的正向压降约为1.1~1.3V，驱动电流峰值控制在20mA以内。

反射型光电开关在 流水线上的应用 定区域式光电开关 咖啡罐 流水线运行方向 罐装高度检测 储料仓 送料器 落料口 遮断型光电开关（用于计数）

反射镜反射型光电开关的应用（续） 反射镜反射型检测有无物体通过

反射镜反射型光电开关的应用（续） 产品高度错误检测

反射型光电开关的发射、接收器外形 信号指示 电源指示

反射型光电开关外形（续） 灵敏度调节电位器

被测物是具有漫反射特性的 反射型光电开关原理 漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。 被检测物体 漫反射光线 发射光线 反射光线 额定距离 光发射器 和光接受器

光电开关激励源调制原理 漫反射型光电开关的LED多采用红外线中频(38kHz左右)窄脉冲电流驱动,发射调制光脉冲，可减小发射LED的功耗。接收器的光敏管接收到漫反射光线，输出微弱电流信号，送到38kHz选频交流放大器，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，放大倍数可达60dB。解调前为TTL信号，解调后输出直流负脉冲报警信号。

例：反射型光电开关激励源调制计算 某光电开关的红外LED采用38kHz窄脉冲电流驱动，占空比q=15%，Rc=100Ω，ULED≈1.2V， UCE2≈0.3V. 求：ILED的平均值为多少mA？

解： ILED的平均值=[(5-1.2-0.3)/0.1] ×q =35×15%=5.25mA

定区域反射型光电开关 定区域式光电开关有一个较小面积的、确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。 检测距离

表面反射率 对于漫反射型光电开关，被检测物表面必须要能将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度。 为了提高反射效率，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。

常用材料的反射率（相对于白纸的估计值）

光电开关的最大指向角示意图

漫反射型光电开关用于自动水龙头 请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备？ 若使用200V电源，要注意什么问题？

光电开关用于液面超限报警 当液面超过光电开关时，反射光泄漏并减弱，接收电路产生报警信号。

漫反射型光电开关应用（续） 包装分类检测

漫反射型光电开关应用（续） IC引脚检测

漫反射型光电开关应用（续） 透明度测量、控制 质量检测

漫反射型光电开关应用（续） 加工控制

漫反射型光电开关应用（续） 机械手定位

漫反射型光电开关应用（续） 机械手定位

漫反射型光电开关应用（续） 三角皮带脱落检测

漫反射型光电开关应用（续） 步距检测

漫反射型光电开关应用（续） QFP管脚排列的检测 构件厚度 的测量

漫反射型光电开关应用（续） 集成电路方向检测 换向器间隙深度测量

漫反射型光电开关应用（续） 产品计数

漫反射型光电开关应用（续）

漫反射型光电开关应用（续） 产品长度检测

光电开关应用（续） 产品组装质量检测

漫反射型光电开关的应用（续） 物位检测 自动注料

漫反射型光电开关的应用（续） 物体倒置辨别 转速检测

漫反射型光电开关的应用（续） 产品计数

漫反射型光电开关的应用（续） 断裂检测

智能化自学习型光电开关 常规反射型光电开关的动作距离是不变的（与型号有关），当检测流水线上的漫反射物体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下阈值开关数秒，待“学习”指示灯闪亮停止后，内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的被检测物体作出反应。当流水线上的被检测品种改变时，只需再次“学习”，而不必调节机械安装螺丝。

智能化光电开关的自学习过程示意图 学习指示灯 阈值开关 设定距离 安装距离

回目录 二、光电断续器 光电断续器也可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电断续器就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电断续器比较可靠，应用比较广泛。本章所举应用实例多为槽式光电断续器。 光电断续器的价格比较便宜，不超过十元，但内部大多不包含信号处理电路，用户必须自行设计LED驱动电路，以及光敏晶体的信号检测电路。可参考漫反射光电开关的例题。

a）遮断型 b）反射型 1－发光二极管 2－红外光 3－光敏元件 4－槽 5－被测物 6－透光孔 .

遮断型光电断续器示意图 接收器 槽 发射器 遮光报警

遮断型光电断续器外形

遮断型光电断续器外形（续）

遮断型光电断续器的应用（续） 红色光柱

透明簿膜 遮断型光电断续器的应用 透明物上的标记物检出

遮断型光电断续器用于转速测量 齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。 n 请写出转速与频率的关系式 n= ？

光电断续器的应用（续） 当块状工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。

休 息 一 下 回目录