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1、机电类自动检测技术及应用多媒体课件 （共（共13章，第十章章，第十章 中）中）统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4课程配套网站或或 2012年年7月版月版9/25/20241光电开关的结构、分类及应用及应用光电断续器的结构、分类及应用第十章（中）光电传感器第十章（中）光电传感器 目录目录进入进入进入进入光电传感器（中）介绍第十章的第四节：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光电开关及光电断续器的原理及应用的原理及应用”9/25/20242第四节第四节 光电开关及光电断续器光电开关及光电断续器 光电位移传感器输出模拟信号，光电开关和光电位移传感器
2、输出模拟信号，光电开关和光电断续器输出光电断续器输出“开开”和和“关关”信号（断或通信号（断或通信号）。从原理上讲，光电开关及光电断续器信号）。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，都由在原理上没有太大的差别，都由红外线红外线（或（或红红色色）发射元件发射元件与与光敏接收元件光敏接收元件组成组成。光电断续光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米毫米，而，而光电开关多数具有发射和接收光电开关多数具有发射和接收两大部两大部分分，检测距离可达几米检测距离可达几米。 9/25/20243一、光电开关的结构和分类一、光电开关的结构和分
3、类 光电开关可分为光电开关可分为遮断型遮断型和和反射型反射型两大类。两大类。遮断型光电开关的遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放发射器和接收器相对安放。轴。轴线严格对准。线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断被遮断，接收器接收不到红外线而，接收器接收不到红外线而产生一个产生一个负负脉冲信脉冲信号号。遮断型光电开关对检测能遮断光线的物体。遮断型光电开关对检测能遮断光线的物体。反射型光电开关的反射型光电开关的发射器发射器和和接收器接收器单侧安装单侧安装。当。当有物体在光电开关面前通过时，红外光束被反射回来，有物体在光电开关面前通过时，红外光束被反射
4、回来，接收器接收到红外线，接收器接收到红外线，产生一个产生一个正正脉冲信号脉冲信号。反射型。反射型光电开关的光电开关的检测距离一般不超过检测距离一般不超过1m1m，对暗色物体无法对暗色物体无法检测检测。9/25/20244 1.遮断型光电开关遮断型光电开关9/25/20245光电开关应用光电开关应用示意图示意图a）遮断型）遮断型 b）反射镜反射型）反射镜反射型c）散射型）散射型1发射器发射器 2接收器接收器 3被测物被测物 4偏偏振振光光反反射射镜镜 5带带偏偏振振光光滤滤光光片的接收器片的接收器a）9/25/20246遮断型光电开关工作原理遮断型光电开关工作原理Receiver 遮遮断断型型
5、光光电电开开关关由由相相互互分分离离且且相相对对安安装装的的光光发发射射器器和和光光接接受受器器组组成成。当当被被检检测测物物体体位位于于发发射射器器和和接接受受器器之之间间时时，光光线线被被阻阻断断，接接受受器器接接受受不不到到红红外外线线而而产产生生开开关关信号。信号。被检测物体光发射器光接收器9/25/20247光电开关的部分用途光电开关的部分用途9/25/20248例：光电开关的发射、接收电路计算例：光电开关的发射、接收电路计算求求:1）发射器的驱动电流）发射器的驱动电流IVL (简化的直流驱动简化的直流驱动) ；2）没有遮光时的）没有遮光时的Ui、Uo ；3）没有遮光时的接收器饱和电
6、流）没有遮光时的接收器饱和电流IC；4）完全遮光时的）完全遮光时的IC 、 Ui 、Uo 。9/25/20249解解：1）IVL；2）没有遮光时的）没有遮光时的Ui ，Uo；3）没有遮光时的）没有遮光时的IC ；4）完全遮光时的）完全遮光时的IC 0，Ui =12V，Uo 。9/25/202410某系列光电开关的电技术指标某系列光电开关的电技术指标9/25/202411遮断型光电开关示意图遮断型光电开关示意图遮断报警遮断报警9/25/202412遮断型遮断型光电开关用于人的手指保护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，产当手指进入危险区，遮断红色光线时，产生报警信号。生报
7、警信号。9/25/202413遮断型遮断型光电开关用于透光孔圆盘转速测量光电开关用于透光孔圆盘转速测量开孔圆盘开孔圆盘转轴转轴断续光脉冲断续光脉冲9/25/202414遮断型光电开关用于检测废品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9/25/202415遮断型遮断型光电开关用于扶手电梯的节能控制光电开关用于扶手电梯的节能控制扶手电梯节电扶手电梯节电自动运行条件自动运行条件判断判断电梯开始向上运行电梯开始向上运行电梯静止电梯静止9/25/202416遮断型遮断型光电开关用于光电开关用于入口的人数、方向检入口的人数、方向检 人员人员出入出入方向方向由前、由前、后后两个光电两个光电
8、开关按遮光开关按遮光报警信号出报警信号出现的顺序现的顺序来来判断。判断。 若若红色信红色信号先于号先于绿色绿色信号信号，则则判判断为从断为从外外到到内内。详见第十一章的详见第十一章的“辨向技术辨向技术”9/25/202417遮断型遮断型光电开关用于检测阀门手柄位置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，当阀门手柄处于水平位置时，光电开关输出光电开关输出“到位到位”信号。信号。9/25/202418光幕（多路遮光型光电开关）光幕（多路遮光型光电开关）两个柱形结两个柱形结构相对而立，构相对而立，每隔数十毫米每隔数十毫米安装一对发光安装一对发光二极管和光敏二极管和光敏接收管，形成接收管
9、，形成光幕。当有物光幕。当有物体遮挡住光线体遮挡住光线时，传感器发时，传感器发出报警信号。出报警信号。接收器接收器发射器发射器9/25/202419 光幕应用光幕应用当有物体遮当有物体遮挡住光线时，挡住光线时，传感器发出报传感器发出报警信号，起保警信号，起保护、预警等作护、预警等作用。用。光线被遮断（报警）光线被遮断（报警）9/25/202420 光幕应用（续）光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量9/25/202421光幕应用（续）光幕应用（续）孔的检测孔的检测9/25/202422 光幕应用（续）光幕应用（续）纠偏纠偏 光光幕幕可可检检测测出出带带材材在在卷卷曲曲过过程程中中的的偏偏移移，
10、经经控控制制器器和和执执行行机机构构使使带带材材向向正正确确的的方方 向向 运运 动动（纠偏）。（纠偏）。9/25/202423 光幕应用（续）光幕应用（续）光幕用于光幕用于 自动收费系统的自动收费系统的车辆检测车辆检测9/25/202424 光幕应用（续）光幕应用（续）锻压机床的锻压机床的 安全区域设置安全区域设置 及入侵报警及入侵报警9/25/202425 光幕应用（续）光幕应用（续）安全区示警安全区示警9/25/202426 光幕应用（续）光幕应用（续）手的安全区保护手的安全区保护9/25/202427 光幕用途光幕用途三维尺寸检测三维尺寸检测宽度宽度 测量测量长度长度 测量测量高度高度
11、 测量测量9/25/202428光幕应用（续）光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测9/25/2024292.2.反射型光电开关及分类反射型光电开关及分类反射型光电开关可分为反射型光电开关可分为反射镜反射型反射镜反射型及及被测物漫反射被测物漫反射型（简称散射型）型（简称散射型）两种。两种。反射镜反射型传感器的反射镜反射型传感器的发射器和接收器单侧安装发射器和接收器单侧安装，反反射镜在远侧安装射镜在远侧安装，本质上仍然是遮断型传感器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反射回去。安装时，需要在。安
12、装时，需要在360平面上调整反射镜的偏平面上调整反射镜的偏振方向，振方向，使得反射光的偏振面恰好与接收器表面的偏振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滤光片的偏振方向一致，才能取得最大灵敏度。，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，而能接收偏光反射镜反射回来的偏振光，而不响应其他表不响应其他表面光亮物体反射回来的各种非偏振光面光亮物体反射回来的各种非偏振光。这种设计使它能。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，而用于检测诸如不锈钢等具有反光面
13、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。光电开关的检测距离一般可达几米。9/25/202430偏振光偏振光光是一种电磁波，光是一种电磁波，电磁波是横波电磁波是横波。而振动方向和光波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某光的振动面只限于某一固定方向一固定方向，叫做平面偏振光或线偏振光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偏振片只允许某个偏
14、振方向的光通过， 因此偏振滤因此偏振滤光片能够区别偏振光的方向，而光片能够区别偏振光的方向，而人的眼睛对偏振光不敏人的眼睛对偏振光不敏感感。偏振光偏振光非偏振光非偏振光9/25/202431反射型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形三角偏振反射镜三角偏振反射镜 发射器在上，发射器在上，接收器在下接收器在下9/25/202432反射镜反射镜反射型反射型光电开关光电开关工作原理工作原理 反射镜为偏光三角棱镜，反射镜为偏光三角棱镜，能能将发射器发出的光转变将发射器发出的光转变成偏振光反射回去成偏振光反射回去，光接光接收器表面覆盖一薄片型偏收器表面覆盖一薄片型偏光片，只能接受反射镜反光片，只
15、能接受反射镜反射回来的某一确定偏振角射回来的某一确定偏振角的偏振光的偏振光，对其他杂散光对其他杂散光视而不见视而不见。偏振反射镜偏振反射镜被测物体被测物体偏振光偏振光发射光发射光9/25/202433反射镜反射镜反射镜反射型反射镜反射型光电开关优点光电开关优点 虽然塑料瓶虽然塑料瓶的表面也反射的表面也反射光光,但但不是偏不是偏振光，不会引振光，不会引起接收器动作起接收器动作。 如果如果不采用不采用偏振检测偏振检测,光光亮物体从光电亮物体从光电开关面前掠过开关面前掠过时时,就不会产就不会产生遮断负脉冲生遮断负脉冲。能反光的能反光的塑料瓶塑料瓶9/25/202434反射型反射型 光电光电开关的开关
16、的应用应用反射型光电开关广泛应用于自动控制系统、生产流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电开关中的发光二极管大多数用38kHz窄脉冲电流驱动；窄脉冲电流驱动；红外红外LED的正向压降约为的正向压降约为，驱动电流峰值控制在，驱动电流峰值控制在20mA以内。以内。 9/25/202435反射型光电开关在反射型光电开关在 流水线上的应用流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料
17、口遮断型光电开关遮断型光电开关（用于计数）（用于计数）9/25/202436反射镜反射型反射镜反射型光电开关的应用光电开关的应用（续）（续）反射镜反射型检测有无物体通过反射镜反射型检测有无物体通过9/25/202437反射镜反射型反射镜反射型光电开关的应用光电开关的应用（续）（续）产品高度错误检测产品高度错误检测9/25/202438反射型光电开关的发射、接收器外形反射型光电开关的发射、接收器外形电源电源指示指示信号信号指示指示9/25/202439反射型光电开关外形反射型光电开关外形（续）（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器9/25/202440被测物是具有漫反射特性的被测物是具有漫反射特
18、性的反射型光电开关原理反射型光电开关原理漫反射光线漫反射光线反射光线反射光线被检测物体被检测物体光发射器光发射器和和光接受器光接受器发射光线发射光线 漫漫反反射射型型光光电电开开关关集集光光发发射射器器和和光光接接受受器器于于一一体体。当当被被测测物物体体经经过过该该光光电电开开关关时时，发发射射器器发发出出的的光光线线经经被被测测物物体体表表面面反反射射由由接接受受器器接接受受，于于是是产产生生开开关关信号。信号。额定距离额定距离9/25/202441光电开关激励源调制原理光电开关激励源调制原理漫反射型光电开关的漫反射型光电开关的LED多多采用红外线中频采用红外线中频( (38kHz左右左右
19、) )窄脉冲电流驱动窄脉冲电流驱动, ,发射调制光脉冲发射调制光脉冲，可减小发射，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，送到微弱电流信号，送到38kHz选频交流放大器，可以有效选频交流放大器，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，放大倍数可达地防止太阳光、日光灯的干扰，放大倍数可达60dB60dB。解。解调前为调前为TTLTTL信号，解调后输出直流负脉冲报警信号。信号，解调后输出直流负脉冲报警信号。 9/25/202442例例：反射型光电开关激励源调制计算：反射型光电开关激励源调制计算某光电开关的红外某光电开关的红外
20、LED采用采用38kHz窄脉冲电流驱动，窄脉冲电流驱动，占空比占空比q=15%，Rc=100，ULED， UCE20.3V.求：求：ILED的平均值为多少的平均值为多少mA？9/25/202443解：解： ILED的平均值的平均值=(5-1.2-0.3)/0.1 q.9/25/202444定区域反射型光电开关定区域反射型光电开关定定区区域域式式光光电电开开关关有有一一个个较较小小面面积积的的、确确定定的的检检测测区区域域，不不经经过过该该区区域域的的被被测测物物体体不不会会引引起起光光电电开开关关产产生生开开关关信信号号。检测距离检测距离9/25/202445表面反射率表面反射率对于漫反射型光
21、电开关，被检测物表面必对于漫反射型光电开关，被检测物表面必须要能将须要能将足够的光线反射回接收器足够的光线反射回接收器，所以检，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程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。度将决定接收器接收到光线强度。为了提高反射效率，为了提高反射效率，被检测物体的表面还被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。应尽量垂直于光电开关的发射光线。9/25/202446常用材料的反射率（相对于白纸的估计值）常用材料的反射率（相对于白纸的估计值）9/25/202447光电开关的最大指向角示意图光电开关的最大指向角示意图9/25/202448
22、漫反射型漫反射型光电开关用于自动水龙头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？请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备？若使用若使用200V200V电源，要注意什么问题？电源，要注意什么问题？9/25/202449光电开关用于液面超限报警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，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。接收电路产生报警信号。9/25/202450漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）包装分类检测包装分类检测9/25/202451漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）IC引脚
23、检测引脚检测9/25/202452漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测9/25/202453漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）加工控制加工控制9/25/202454漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）机械手定位机械手定位9/25/202455 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）机械手定位机械手定位9/25/202456 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）三角皮带脱落检测三角皮带脱落检测9/25/202457 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）步
24、距检测步距检测9/25/202458 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）QFP管脚排列管脚排列的检测的检测 构件厚度构件厚度 的测量的测量9/25/202459 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）集成电路方向检测集成电路方向检测换向器间隙深度测量换向器间隙深度测量9/25/202460 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）产品计数产品计数9/25/202461 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）9/25/202462 漫反射型光电开关应用（续）漫反射型光电开关应用（续）产品长度检测产品长度检测9/25/202463光电开关应
25、用（续）光电开关应用（续）产品组装质量检测产品组装质量检测9/25/202464漫反射型漫反射型光电开关的应用（续）光电开关的应用（续）自动注料自动注料物位检测物位检测9/25/202465漫反射型漫反射型光电开关的应用（续）光电开关的应用（续）物体倒置辨别物体倒置辨别转速检测转速检测9/25/202466漫反射型漫反射型光电开关的应用（续）光电开关的应用（续）产品计数产品计数9/25/202467漫反射型漫反射型光电开关光电开关的应用（续）的应用（续）断裂检测断裂检测9/25/202468智能化自学习型光电开关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常规反射型光电开关的动
26、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（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。时，必须调节安装距离，十分不方便。自学习型自学习型光电开关上设置了一只阈值开关光电开关上设置了一只阈值开关，当流水线上的，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，被检测物体到达光电开关面前时，按下阈值开关按下阈值开关数秒，待数秒，待“学习学习”指示灯闪亮停止后指示灯闪亮停止后，内部的微内部的微处理器就记住了两者之间的距离处理器就记住了两者之间的距离，就能在一定的，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允许范围内，可靠地对之后来到的被检测物体作出反
27、应。当流水线上的被检测品种改变时，只需出反应。当流水线上的被检测品种改变时，只需再次再次“学习学习”，而，而不必调节机械安装螺丝不必调节机械安装螺丝。9/25/202469 智能化光电开关的自学习过程示意图智能化光电开关的自学习过程示意图阈值开关阈值开关学习指示灯学习指示灯设定距离设定距离安装距离安装距离9/25/202470二、二、光电断续器光电断续器光电断续器也可分为光电断续器也可分为遮断型遮断型和和反射型反射型两大类。遮断型两大类。遮断型光电断续器也称为光电断续器也称为槽式光电开关槽式光电开关，通常是标准的，通常是标准的U字型字型结构。结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体其发
28、射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴型槽的两边，并形成一光轴，两者能可两者能可靠地对准靠地对准，为安装和使用提供了方便。当，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经被检测物体经过过U U型槽且阻断光轴时型槽且阻断光轴时，光电断续器就产生表示检测到，光电断续器就产生表示检测到的开关量信号。的开关量信号。槽式光电断续器比较可靠，应用比较广槽式光电断续器比较可靠，应用比较广泛泛。本章所举应用实例多为。本章所举应用实例多为槽式光电断续器。槽式光电断续器。光电断续器的价格比较便宜，不超过十元，光电断续器的价格比较便宜，不超过十元，但内部大但内部大多不包含
29、信号处理电路多不包含信号处理电路，用户必须自行设计用户必须自行设计LEDLED驱动电驱动电路路，以及，以及光敏晶体的信号检测电路光敏晶体的信号检测电路。可参考漫反射光电可参考漫反射光电开关的例题开关的例题。回目录回目录9/25/202471.a）遮断型）遮断型 b）反射型）反射型1发光二极管发光二极管 2红外光红外光 3光敏元件光敏元件 4槽槽 5被测物被测物 6透光孔透光孔9/25/202472遮断型遮断型光电断续器示意图光电断续器示意图 接收器接收器发射器发射器槽槽遮光报警遮光报警9/25/202473遮断型光电断续器外形遮断型光电断续器外形9/25/202474遮断型光电断续器外形（续）
30、遮断型光电断续器外形（续）9/25/202475遮断型光电断续器的应用（续）遮断型光电断续器的应用（续）红色红色光柱光柱9/25/202476遮断型遮断型光电断续器的应用光电断续器的应用透明簿膜透明簿膜透明物上的透明物上的标记物标记物检出检出9/25/202477齿齿盘盘每每转转过过一一个个齿齿，光光电电断断续续器器就就输输出出一一个个脉脉冲冲。通通过过脉脉冲冲频频率率的的测测量量或或脉脉冲冲计计数数，即即可可获获得得齿齿盘盘转转速速和和角角位移。位移。遮断型遮断型光电断续器用于转速测量光电断续器用于转速测量请写出转速与频率的关系式请写出转速与频率的关系式n= ？n9/25/202478 当当块块状状工工件件经经过过光光电电断断续续器器时时，接接收收器器即即产产生生一一个个计计数数脉冲。脉冲。光电断续器的应用（续）光电断续器的应用（续）9/25/202479休休 息息 一一 下下回目录回目录9/25/202480
