传感器与测试技术课程设计光电开关传感器课程设计

1、传感器与测试技术课程设计摘要本文介绍了光电传感器中光电开关的工作原理与性能 ，说明了光电开关在现 代生活中的重要地位，显示了光电技术在日常生活生产中推广应用的巨大潜力。 从分析光电传感器的原理出发，着重对它在生产生活等领域进展分析。通过传感 器外形结构图和应用电路图，了解光电传开关的工作原理、结构、使用方法以与 主要事项。介绍了该传感器的特点、应用领域、开始与未来的开展以与成像特点。目录摘要I第一章光电开关介绍11.1 光电开关的介绍11.2 光电开关的分类21.2.1 按检测方式分21.2.2 按结构分类31.3 光点开关的应用图例41.4 光电开关专用名词的解释51.5 光电开关的特点 6

2、第二章光电开关的原理72.1 光电效应72.2 光电开关中的主要光电元件82.2.1 光敏电阻82.2.2 光敏二极管82.2.3 光敏三极管92.3 光电开关的根本原理102.4 光电接近开关102.5 光电开关与光电耦合器的区别 12第三章光电开关在实际生活中的应用123.1 漫射式烟雾报警器133.2 光电开关在生产线中的应用14第四章光电开关使用须知事项154.1 防止强光源154.2 镜面角度影响154.3 排除背景物影响15参考文献15第一章光电开关介绍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

3、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展探测。安防系统中常见的光 电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化 转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔 离的即电缘绝，所以它可以在许多场合得到应用。光电开关采用集成电路技 术和SMT外表安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、 抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。 这种新颖的光电 开关是一种采用脉冲调制

4、的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固 体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物与寿 命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。但是, 新型光电开关如此克制了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度 高、响应速度快、检测距离远以与抗光、电、磁干扰能力强。目前，这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度 判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲 床和剪切机以与安

5、全防护等诸多领域。 此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以与其它需要的场合作为防盗警戒之用图1开关传感器按检测方式分常用光电开关的分类方法：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，以防止背景影响。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。表1给出了光电开关的检测分类方式与特点说明。表1光电开关的检测分类方式与特点说明漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于 一体的传感器，当有被检测物体经过时，将 光电开关发射器发射的足够量的光线反射到 接收器，于

6、是光电开关就产生了开关信号。 当被检测物体的外表光亮或其反光率极咼 时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。镜反射式光电开关亦是集发射器与接收 器于一体，光电开关发射器发出的光线经过 反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测 开关信号。对射式光电开关包含在结构上相互别离 且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器 发出的光线直接进入接收器。当被检测物体 经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光 电开关就产生了开关信号。当检测物体是不 透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模 式槽式光电开关通常是标准的 U字型结构， 其发射器和接收器分别位于 U型槽的两边， 并形成一

7、光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开 关量信号。槽式光电开关比拟安全可靠的适 合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感 器来引导光线，以实现被检测物体不在相近 区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和 漫反射式。按结构分类光电开关按结构可分为放大器别离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。放大器别离型是将放大器与传感器别离，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

8、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外表安装工艺 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外 表安装工艺制成。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 SSF固态继电器或继电器常开、常闭接点，可防止相互干扰，并可严

9、密安装在系 统中。1.3 光点开关的应用图例表2光点开关的应用图例17.斜度控制19.直径限制20.行程控制1. 检测距离：检测距离是指检测体按一定方 式移动时，从基准位置光电开关的感应外 表到开关动作时测得的基准位置到检测面 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。被检测物（接通）（断开）匚士二检测距离回差值iT3响应频率：按规定的 1秒的时间间隔内, 允许光电开关动作循环的次数。光电开关运动方向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

10、，晶体管导通，负载得电工作。表2光电开关的名词解释1、检测距离长如果在对射型中保存10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段磁性、 超声波等 无法离检测。2、对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理， 所以不象接近传感器等将检 测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进展检测。3、响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成， 所以不包含机械性工 作时间，响应时间非常 短。4、分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学 系统，来实现高分辨率。也可进展微小物体的检测和高精度的位置检测。5、可实现非接触的检测可以

11、无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造 成损伤。因此，传感器能 长期使用。6可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物 体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进展检测。7、便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进 展调整。第二章光电开关的原理用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串光子的轰击， 组成这物体的材 料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 通常把光电效应分 为3类，如表3所示。表3光电效应的分类即相关元件光电效应名称现象对应元件外光电效应在光线的作用下，能

12、使电子逸岀物体的外表光电管、光电倍增管内光电效应在光线的作用下，能使物体的电阻率变小光敏电阻、光敏二极管、光敏 三极管、光敏达林顿管与光敏晶闸管光生伏特效应在光线的作用下，物体能产生一定方向的电动势光电池光敏电阻光敏电阻如图2所示。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里。两电极常做成梳状，可增加灵敏度，如图2b所示。图2 光敏电阻a原理图b外形图c丨图形符号光敏二极管光敏二极管如图3所示。从图3c可以看出，光敏二极管在电路中，处于反向偏置状态。当光照射在光敏二极管的PN结又称阻挡层上时，在PN结附近产生的电 子-空穴对数量也随之增加，当在光敏二极管两端施加电压后，流过

13、PN结的光 电流I也相应增大，光电流与光照度 E成正比。图3 光敏二极管a外形图b丨内部结构c丨结构简化图 d丨图形符号1 负极引脚 2 管芯3 外壳4 聚光镜5 正极引脚r光敏三极管光敏三极管与普通三极管相似，也有电流放大作用。NPN型光敏三极管示意图如图4所示。多数光敏三极管的基极没有引出线， 只有正负C、E两个引脚,所以其外形与光敏二极管相似,图4光敏三极管示意图 a内部组成 b）原理电路c丨图形符号1集电极引脚 2 管芯3 外壳4 聚光镜5 发射极引脚OCb1弋Ph光线通过透明窗口落在集电结上，当电路按图4b所标示的电压极性连接时,集电极电流IC是原始光电流的B倍在图中，当无脉冲信号输

14、入时，三极管 BG处于截止状态，发光二极管无电 流流过不发光，如此a、b两端电阻非常大，相当于开关“断开。当输入端加 有脉冲信号时，BG导通，发光二极管发光，如此a、b两端电阻变得很小，相当 于开关“接通。故称无信号时开关不通，为常开状态。如下图中b所示电路如此为“带闭状态，因为无信号输入时，虽BG截止，但发光二极管有电流通过而发光，使 a、b两端处于导通状态，相当于开关“接通。当有信号输入时，BG导通，由于BG的集电结压降在0. 3V以下，远 小于发光二极管的正向导通电压，所以发光二极管无电流流过不发光，如此 a、 b两端电阻极大，相当于开关“断开，故称“常闭式。(1)(b>图5 光点

15、接近开关原理光电接近开关电路原理图如图6所示，图6中的元 件参数见附表。由555构成多谐振荡器，从 脚输出 38kHz的方波信号。经VT1驱动红外发射管VD2向外发 射频率为38kHz红外调制信号。之所以选用38kHz的红 外调制信号，是由于选用的红外接收头 U1的频率响应为38kHz（U1型号AT138B 的“38表示响应频率大小，其外观和引脚如图1右方所示）。当有障碍物靠近 时，红外线反射回来被U1所接收，当接收到的红外信号足够强时输出（OUT）为低 电平，否如此为高电平。如果用5V供电，输出（OUT）为TTL电平可直接与微处理 器相接。多谐振荡器的振荡频率计算公式为：t1 0.7(R1+

16、R2) >C1;t2 0.7（R3+R4） >C1;f=1/（t1+t2）。调试时使输出波形的占空比尽量为 1:1，经过试验发现只要占空比偏离 1:1不太多如此无影响，但频率不要偏离38kHz太多，否如此探测精度会下降，频率 偏离太大时如此U1无响应。经过计算在 R1、R3为1k时R2 R4调到880Q左右实际有所偏差。图6光点接近开关工作原理图R11KQC10.01 uFR21KQ 微调电阻C2100uF/16VR31KQ微调电阻VD1二极管R41KQVD2红外发射管R51KQ微调电阻VT19014R6100QU1AT138BR7Q微调电阻IC555附表元件参数红外发射管的发射功

17、率可通过改变 R5的阻值进展调节，发射管的发射电流大小决定了探测距离的大小。如果不需调节探测距离的大小，R5 R6可用一固定阻值的电阻代替。红外接近开关的关键并不在于电路，而是在结构上，特别是U1和VD2的位置不能随便放置。该红外接接近开关做成探头状，把整个电路板安装在一根塑料 管内，并引出三根导线：电源、地、输出（OUT）。U1、VD2放置在塑料管的前端， 并用不透光的塑料片把U1、VD2隔开，为了防止VD2向旁边漏射出红外线可用黑 色电胶布在VD2的周围绕一两圈，只让红外线从 VD2的前方发出（电路板、隔光塑料片、U1、VD2可用硅胶进展固定），其结构如图7所示图7 光电接近开关原理图光电

18、耦合器就是我们所说的光耦，它的原理是通过发光二极管照射三极管从 而使得三极管导通和关短，通过调节二极管电压大小调节发光强度， 从而使流过 三极管的电流变化，常常用光藕是来反响用。而光电开关原理类似，不过它只是用来当作开关用的，也就是发光就三极管 开通就是，z这需要一个挡光的东西，但并不需要调节电流大小，一般用在一般 控制上，不能准确表针。第三章 光电开关在实际生活中的应用宾馆等对防火设施有严格考核的场所均必须按规定安装火灾传感器。火灾发生时伴随有光和热的化学反响。物质在燃烧过程中一般有如下现象发生。1产生热量，使环境温度升高物质剧烈燃烧时会释放出大量的热量，这时可以用各种温度传感器来测量。 但

19、是在燃烧速度非常缓慢的情况下， 火灾初 期的环境温度上升是不易鉴别的。2产生可燃性气体 有机物在燃烧的初始阶段，首先释放出来的是可燃 性气体，如一氧化碳等。3产生烟雾 烟雾是人们肉眼能见到的微小悬浮颗粒。其粒子直径大于 10nm烟雾有很大的流动性，可潜入烟雾传感器中，因此检测烟雾是较有效的检 测火灾的手段。4产生火焰 火焰辐射出红外线、可见光和紫外线。其中红外线和可见 光不太适合用于火灾报警，这是因为正常使用中的取暖设备、 电灯、太阳光线都 包含有红外线或可见光。利用紫外线管外光电效应型或用某些专用的半导体 内光电效应型紫外线传感器，能够有效地监测火焰发出的紫外线。漫反射式烟雾传感器就是根据上述物质燃烧特点设计的，如图 10-21所示。 在没有烟雾