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光電開關技術應用詳細解析

1.概述

　　采用集成電路技術和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開關器件，具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區域穩定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關是一種采用脈沖調制的主動式光電探測系統型電子開關，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸，無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的狀態和動作。

　　接觸式行程開關存在響應速度低、精度差、接觸檢測容易損壞被檢測物及壽命短等缺點，而晶體管接近開關的作用距離短，不能直接檢測非金屬材料。但是，新型光電開關則克服了它們的上述缺點，而且體積小、功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強。

　　目前，這種新型的光電開關已被用作物位檢測、液位控制、產品計數、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標檢出、沖床和剪切機以及安全防護等諸多領域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉庫、商店、辦公室以及其它需要的場合作為防盜警戒之用。

　　2 光電開關的分類

　　2.1 按檢測方式分

　　下面以上海中滬電子儀器廠的產品為例來介紹光電開關的分類方法：按檢測方式可分為反射式、對射式和鏡面反射式三種類型。對射式檢測距離遠，可檢測半透明物體的密度(透光度)。反射式的工作距離被限定在光束的交點附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠，適宜作遠距離檢測，也可檢測透明或半透明物體。

　　表1給出了光電開關的檢測分類方式及特點說明。

　　2.2 按結構分類

　　光電開關按結構可分為放大器分離型、放大器內藏型和電源內藏型三類。

　　放大器分離型是將放大器與傳感器分離，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，而放大器的功能較多。因此，該類型采用端子臺連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開延時功能，可設置亮、音動切換開關，能控制6種輸出狀態，兼有接點和電平兩種輸出方式。

　　放大器內藏型是將放大器與傳感一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作。其響應速度局面(有0.1ms和1ms兩種)，能檢測狹小和高速運動的物體。改變電源極性可轉換亮、暗動，并可設置自診斷穩定工作區指示燈。兼有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系統安裝中十分方便。

　　電源內藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成。它一般使用交流電源，適用于在生產現場取代接觸式行程開關，可直接用于強電控制電路。也可自行設置自診斷穩定工作區指示燈，輸出備有SSR固態繼電器或繼電器常開、常閉接點，可防止相互干擾，并可緊密安裝在系統中。

　　3 光電開關工作原理

　　圖1所示是反射式光電開關的工作原理框圖。圖中，由振蕩回路產生的調制脈沖經反射電路后，由發光管GL輻射出光脈沖。當被測物體進入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進入光敏三極管DU。并在接收電路中將光脈沖解調為電脈沖信號，再經放大器放大和同步選通整形，然后用數字積分或RC積分方式排除干擾，最后經延時(或不延時)觸發驅動器輸出光電開關控制信號。

　　光電開關一般都具有良好的回差特性，因而即使被檢測物在小范圍內晃動也不會影響驅動器的輸出狀態，從而可使其保持在穩定工作區。同時，自診斷系統還可以顯示受光狀態和穩定工作區，以隨時監視光電開關的工作。

　　4 光電開關的特點

　　MGK系列光電開關是現代微電子技術發展的產物，是HGK系列紅外光電開關的升級換代產品。與以往的光電開關相比具有自己顯著的特點：

　　●具有自診斷穩定工作區指示功能，可及時告知工作狀態是否可靠;

　　●對射式、反射式、鏡面反射式光電開關都有防止相互干擾功能，安裝方便;

　　●對ES外同步(外診斷)控制端的進行設置可在運行前預檢光電開關是否正常工作。并可隨時接受計算機或可編程控制器的中斷或檢測指令，外診斷與自診斷的適當組合可使光電開關智能化;

　　●響應速度快，高速光電開關的響應速度可達到0.1ms，每分鐘可進行30萬次檢測操作，能檢出高速移動的微小物體;

　　●采用專用集成電路和先進的SMT表面安裝工藝，具有很高的可靠性;

　　●體積小(最小僅20×31×12mm)、重量輕，安裝調試簡單，并具有短路保護功能。

　　5 專用名詞說明

　　5.1 檢出距離

　　對射式和鏡面反射式光電開關的檢出距離是指光軸上無有效遮擋物野戰，可穩定檢出的最大距離。

　　反射式光電開關的檢出距離則是可穩定檢出標準檢測物的最大距離。

　　5.2 回差距離

　　回差距離指動作距離與復位距離之差。它用檢出距離的比率來表示，一般在檢出距離的20%以下。

　　5.3 響應時間

　　把從受光器初始有效受光到輸出動作所需的時間稱作響應時間。

　　把從受光器初始有效遮光到輸出復位所需的時間稱為復位應用時間。

　　5.4 暗動

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

　　5.5 亮動

　　亮動(LIGHT ON)，也稱受光動作。它是指進入受光器的光束增加到一定量時，輸出晶體管導通且有輸出。

　　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關，一般均具有外同步功能。

　　也就是說，用接點或晶體管導通等方法使圖2中的藍線與黑線短接(ON)可隨時停止投光。可以據此在工作前預檢傳感器檢測是否正常。在工作中，利用此性質也可隨時接受控制系統發出的運行或中斷指令。如果將前一個輸出與后一個外同步輸入進行串接，則可實現與門等功能。

　　光電開關可用于各種應用場合，圖3所示為光電開關在多種場合的應用例圖。另外，在使用光電開關時，還應注意環境條件，以使光電開關能夠正常可靠的工作。

　　6.1 避免強光源

　　光電開關在環境照度較高時，一般都能穩定工作。但應回避將傳感器光軸正對太陽光、白熾燈等強光源。

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

　　6.2 防止相互干擾

　　MGK系列新型光電開關通常都具有自動防止相互干擾的功能，因而不必擔心相互干擾。然而，HGK系列對射式紅外光電開關在幾組并列靠近安裝時，則應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置，超過2組時還拉開組距。當然，使用不同頻率的機種也是一種好辦法。

　　HGK系列反射式光電開關防止相互干擾的有效辦法是拉開間隔。而且檢測距離越遠，間隔也應越大，具體間隔應根據調試情況來確定。當然，也可使用不同工作頻率的機種。

　　6.3 鏡面角度影響

　　當被測物體有光澤或遇到光滑金屬面時，一般反射率都很高，有近似鏡面的作用，這時應將投光器與檢測物體安裝成10～20°的夾角，以使其光軸不垂直于被檢測物體，從而防止誤動作。

　　6.4 排除背景物影響

　　使用反射式擴散型投、受光器時，有時由于檢出物離背景物較近，光電開關或者背景是光滑等反射率較高的物體而可能會使光電開關不能穩定檢測。

　　因此可以改用距離限定型投、受光器，或者采用遠離背景物、拆除背景物、將背景物涂成無光黑色、或設法使背景物粗糙、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，有時可能會由于臺面或背景影響以及使用振動等原因而造成光軸的微小偏移、透鏡沾污、積塵、外部噪聲、環境溫度超出范圍等問題。這些問題有可能會使光電開關偏離穩定工作區，這時可以利用光電開關的自診斷功能而使其通過STABLITY綠色穩定指示燈發出通知，以提醒使用者及時對其進行調整。

　　6.6 消除臺面影響

　　如圖4(a)所示，投光器與受光器在貼近臺面安裝時，可能會出現臺面反射的部分光束照到受光器而造成工作不穩定。對此可采用如圖4(b)的方法，使受光器與投光器離開臺面一定距離并加裝遮光板。

　　嚴禁用稀釋劑等化學物品，以免損壞塑料鏡。

　　高壓線、動力線和光電傳感器的配線不應放在同一配線管或用線槽內，否則會由于感應而造成(有時)光電開關的誤動作或損壞，所以原則上要分別單獨配線。

　　下列場所，一般有可能造成光電開關的誤動作，應盡量避開：

　　●灰塵較多的場所;

　　●腐蝕性氣體較多的場所;

　　●水、油、化學品有可能直接飛濺的場所;

　　●戶外或太陽光等有強光直射而無遮光措施的場所。

　　●環境溫度變化超出產品規定范圍的場所;

　　●振動、沖擊大，而未采取避震措施的場所。