光电信号检测电路设计ppt课件

1 第7章光电信号检测电路 7 1光电检测电路的设计要求 7 2光电信号输入电路的静态计算 7 3光电信号检测电路的动态计算 7 4光电信号检测电路的噪声 7 5前置放大器 7 6光电检测电路举例 2 概述 光电检测电路组成 对检测电路的要求灵敏的光电转换能力快速的动态响应能力最佳的信号检测能力长期工作的稳定性和可靠性 检测电路设计步骤电路静态计算电路动态计算噪声估算放大电路设计 光信号 3 1 灵敏的光电转换能力 表示光电转换能力强弱的参数 通常采用光电灵敏度 或称传输系数 转换系数 比率等 即单位输入光信号的变化量所引起的输出电信号的变化量 2 快速的动态响应能力 指对检测系统每个环节动态响应都有要求 特别是在光通信等领域 对动态响应速度的要求甚至是第一位的 光电检测电路应满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应 3 最佳的信号检测能力 信号检测能力主要是指光电检测电路输出信号中有用信号成分的多少 常用信噪比 信号功率等参数表征 4 长期工作的稳定性和可靠性 如各种光电转换器件对温度稳定性均有要求 4 7 1缓变光信号检测电路设计 类型恒流源型光电检测电路的静态计算光伏型光电检测电路的静态计算可变电阻型光电检测电路的静态计算 缓变信号直流电路检测设计重点 静态计算 确定电路的静态工作状态 计算方法 图解法 分段线性化解析法 5 恒流源型器件光电信号输入电路 恒流源特性 输出电流随器件端电压增大而变化不大 相应器件 光电管 光电倍增管 工作在反向偏置电压状态下的光电二极管 光电三极管 恒流源型光电检测器件的伏安特性 6 1 图解计算法 包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算 Q点为输入电路的静态工作点 当输入光通量改变时 在负载电阻上会产生变化的电压信号输出 7 图解法特别适用于大信号状态下的电路分析 例如在大信号检测情况下可以定性地看出输出信号的波形畸变 在用作光电开关的情况下 可以借助图解法合理地选择电路参数使之能可靠地动作 同时保证不使器件超过其最大工作电流 最大工作电压和最大耗散功率 8 a 减小负载 斜率增大 使输出信号电流增大而电压减小 负载的减小受到最大工作电流和功耗的限制 过大的负载 使负载线越过转折点M进入非线性区 使信号失真 b 增大偏置电压使输出信号电压幅度增大 改善线性度 但功耗随之增大 且可能使光电二极管反向击穿 9 2 解析计算法 分段折线化伏安特性 转折电压U0 对应于曲线转折点M处的电压值 初始电导G0 非线性区近似直线的初始斜率 结间漏电导G 线性区各平行直线的平均斜率 光电灵敏度S 单位输入光功率所引起的光电流值 10 设输入光功率为P 对应的光电流为Ip 则 线性区内伏安特性可表示为 工作点附近的微小光通量变化 P262 7 4 11 在输入光通量变化范围有限已知的条件下 解析法的计算步骤如下 1 确定线性工作区 由对应最大输入光通量 max的伏安特性弯曲处即可确定转折点M 再确定相应的转折电压U0和初始电导值G0 12 13 2 计算负载电阻和偏置电压 为保证最大线性输出条件 负载线和 max对应的伏安曲线的交点不能低于转折点M 设负载线通过M点 则 Ub已知 得GL GL RL 已知 可得偏置电源电压Ub 14 H点 M点 15 计算过程 光通量由 min变化到 max时 输出电压幅度为 U Umax U0 3 计算输出电压幅度 H点 M点 联立求解两式 得 负载减小 输出电压幅值减小 16 4 计算输出电流幅度 通常GL G 负载减小 输出电流幅值增大 17 5 计算输出电功率 由功率关系P U I 得 18 光伏型器件光电信号输入电路 伏安特性 一组以入射光功率为参量的曲线簇 分布在伏安坐标系的第四象限 器件的端电压和电流的方向相反 对外电路形成电势 可对负载供电 包括光电池和工作在光电池状态的光电二极管 19 20 1 光伏型器件输入电路的形式 主要有以下3种形式 21 2 无偏置输入电路的静态计算 根据等效电路建立回路方程 22 根据图解法确定静态工作点Q 23 3 根据负载电阻分析光电池工作状态 负载较小情况下 光通量较低时 光通量与负载上电流 电压近似线性 24 1 短路或线性电流放大 区域 后续电流放大级作为负载 从光电池中吸取最大的输出电流 要求负载电阻或者后续放大电路的输入阻抗尽可能小 输出电流近似短路电流 大且线性好 噪声电流低 信噪比高 实用弱信号检测 25 26 2 空载电压输出 区域 是一种非线性电压变换状态 此时光电池通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接 相当于输出开路 开路电压最大值受势垒高度限制 通常为0 45 0 6V 较小的光通量可引起电压输出较大 对弱光检测有利 尽管线性不好 可用作开关元件 27 3 线性电压输出 区域 在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压 负载电阻增大有助于提高输出电压 但增大到一定临界值时 输出信号将发生非线性畸变 如何确定负载电阻的临界值 当 时 有 28 由于I0 I 有 29 可变电阻型器件光电信号输入电路 代表器件 光敏电阻 热敏电阻 1 简单输入电路 30 两种典型的工作状态 1 恒流偏置 当负载电阻比光敏电阻大很多时 即 负载电流与光敏电阻阻值无关 近似保持常数 此状态又叫做恒流偏置状态 31 2 恒压偏置 负载电阻比光敏电阻小很多时 即 可以认为加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub 与R无关 此状态又叫做恒压偏置状态 32 2 电桥输入电路 33 选择两个性能相同的热敏电阻RT作电桥测量臂电阻 普通电阻作为补偿臂电阻 无外来辐照时 调节使电桥平衡 有 电桥输出信号为0 34 有外来辐照时 引起电阻温升 有 为热敏电阻 为暗电阻 电桥平衡破坏 输出电压为 此式可进一步简化 35 7 2 光电信号检测电路的动态计算 很多场合下 光信号是随时间变化的 例如瞬变信号或各种形式的调制光信号交变光信号的特点是信号中包含着丰富的频率分量 当信号微弱时 需要多级放大与缓慢变化光信号检测电路的静态计算不同 在分析和设计交变光信号检测电路时 需要解决下述两项动态计算问题1 避免非线性失真 确定动态工作状态 使在交变光信号作用下负载上能获得不失真的 线性电信号输出 2 避免线性失真 频率不失真 包括幅频和相频 使检测电路具有足够宽的频率响应 以能对复杂的瞬变光信号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输 36 一 输入电路动态工作状态的计算 在交变光信号输入电路中 为提供检测器件的正常工作条件 首先要建立直流工作点输入电路和后续电路通常是经阻容连接等多种方式耦合的后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直流负载电阻并联组成检测器的交流负载 7 2 交变光信号检测电路设计 37 光电二极管交流检测电路 首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态 确定直流工作点Q设输入光照度为e E0 Emsin t等效交流负载为Rb和RL的并联 是交流负载线的斜率的倒数交流负载线MN过转折点MMN与E E0时的伏安特性曲线的交点为静态工作点Q过Q点作直流负载线可以图解得到偏置电阻Rb和电源Ub的值计算负载RL上的输出电压 输出电流和输出功率值计算最大功率输出条件 一 输入电路动态工作状态的计算 最大功率输出下的负载电阻 阻抗匹配下 最大功率输出 的峰值电压 功率 电流 38 静态工作点Q的电流值由直流负载线有此外 阻抗匹配时 Q点电压比较可得 阻抗匹配即对应最大输出功率下的直流偏置电导 39 光电二极管交流检测电路 光电池交流检测电路 40 光电池交流检测电路 图a是光电池交流检测电路 图b是处于线性区域的工作特性图解 图中直流负载是通过原点 斜率为Gb的直线当输入光照度为e E0 Emsin t时 光电池特性曲线中对应于E E0的曲线与直流负载线相交于Q点 Q是静态工作点 一 输入电路动态工作状态的计算 对于GL Gb GL0的最大功率输出条件下输出电压 功率和电流有类似的形式偏置电阻Rb0 RL0 2UM SE 2E0 Em M是交流负载线与最大输入光照度e E0 Em对应的光电池曲线的交点 41 二 光电检测电路的频率特性 频率特性反映检测系统的动态响应能力分析法 时域法 频域法与光电器件本身特性 检测电路形式 阻容参数有关频谱分析以傅里叶变换为基础描述频率特性的参数 通频带 F F越大 信号通过能力越强 42 1 光电检测电路的高频特性 以反向偏置光电二极管交流检测电路为例微变等效电路图 二 光电检测电路的频率特性 电路方程 与二极管参数Cj和g有关 不同工作状态下的简化形式给定输入光照度 在负载上取最大功率输出时 RL Rb g Gb希望在负载上取得最大电压输出时希望在负载上取得最大电流输出时 43 2 光电检测电路的综合频率特性 1 高频段 2 中频段 3 低频段 44 2 光电检测电路的综合频率特性 输入电路频率特性 二 光电检测电路的频率特性 1 高频段 2 2 中频段 1 2 3 低频段 1 考虑隔直电容和分布电容的影响 45 3 光电检测电路频率特性的设计 电路设计的基本要求非线性不失真频率不失真电路通频带应足以覆盖光信号的频谱分布设计内容对输入光信号进行傅里叶分析 确定频谱分布确定多级光电检测电路的允许通频带和上限截止频率根据级联系统的带宽计算方法 确定单级检测电路的阻容参数 二 光电检测电路的频率特性 46 频率特性设计实例 例 用2DU1型光电二极管和两极相同的放大器组成光电检测电路 被测光信号的波形如图a所示 脉冲重复频率f 200kHz 脉宽t0 0 5 s 脉冲幅度1V 设光电二极管的结电容Cj 3pF 输入电路的分布电容C0 5pF 设计该电路的阻容参数 求解步骤1 分析信号频谱信号频谱间距 基波 f 1 T 200kHz信号带宽 F 1 T0 2MHz选取高频截止频率 fHC 1 5F 3MHz低频截止频率 fLC 200Hz 2 设计各级联电路的带宽电路组成 输入电路 两级放大电路每级高频及低频截止频率 47 求解步骤3 计算输入电路参数负载电阻 RL 1 2 fHC Cj C0 3 3k 选为2k 偏置电阻 取Rb 10 20 RL 即Rb 10RL 20k 耦合电容C C 1 2 RL Rb fLC 0 07 F 取为C 1 F第一级耦合电容可适当增大10倍 取电容值为10 F 4 选择放大电路选用二级通用的宽带运算放大器 放大器输入阻抗小于2k 放大器通频带要求为6MHz 取为10MHz电路见图 c 48 49 例题 用2DU1型光电二极管和两级相同的放大器组成光电检测电路 被测光信号的波形如图所示 脉冲重复频率f 200kHz 脉宽t0 0 5us 脉冲幅度1V 设光电二极管的结电容Cj 3pF 输入电路的分布电容C0 5pF 设计该电路的阻容参数 解 1 分析输入光信号频谱 确定检测电路的总频带宽度 周期为T 1 f的方波脉冲信号 其频谱是离散的 谱线的频率间隔为 频谱包络线零值点的分布间隔为 50 选取频谱包络线的第二峰值作为信号的高频截止频率fHC 此时可认为是不失真传输 频谱的零频分量确定信号的直流成分 不影响变化的波形 但为采用交流放大可利用阻容耦合电容隔直 可选取低频截止频率为200Hz 则检测放大器的总频带宽由fHC 3MHz fLC 200Hz决定 带宽近似为 F 3MHz 51 2 确定级联各级电路的频带宽 根据设计要求 检测电路由输入电路和两级相同的放大器串联而成 设3级带宽相同 则相同的n级级联放大器的高频截止频率为fnHC fH为单级高频截止频率 52 类似地 单级低频截止频率 53 噪声特点 随机性 振幅和相位 处理方法 统计分析噪声源外部噪声 外部条件变化引起的 可采取抗干扰措施改善或消除内部噪声 光电检测器件和检测电路器件本身带来的 无法消除噪声干扰的分析和微弱信号的提取 核心问题噪声估算提高信噪比 及确定最小输入光功率 7 3光电信号检测电路的噪声估算 54 一 检测电路的噪声等效处理 热噪声电子的无规则热运动形成的瞬时无规则电流电子运动均方速率与绝对温度成正比 6 3光电信号检测电路的噪声估算 纯电阻时 温度一定时 热噪声只与电阻和通带有关 与频率无关 带宽愈大 噪声功率愈大 同时 通频带对白噪声有抑制作用 散粒噪声 检测器件及晶体管 光辐射中光子到达率和由它激励形成的光电流的随机起伏所造成的散粒噪声的量值不取决于温度 而由流过器件的平均电流决定 噪声电流及负载电阻上的电压的有效值为 与频率无关 55 一 检测电路的噪声等效处理 6 3光电信号检测电路的噪声估算 并联阻容电路 电阻R和电容C并联 合成电阻 R f R 1 2 fRC 2 噪声电压有效值 变换积分变量使tg 2 fRC 有 噪声等效带宽 fe fe 1 4RC 并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽 fe 56 一 检测电路的噪声等效处理 噪声组成 光电器件噪声 电路器件噪声等效噪声电路 为了计算方便 将各种器件噪声等效为相同形式的均方值 或有效值 电流源的形式 6 3光电信号检测电路的噪声估算 电阻等效电路简单电阻 由热噪声电流源i SQRT 4kT f R 和电阻并联合成电阻 综合噪声电流等于合成电阻提供的噪声电流i SQRT 4kT f R R R1 R2 串联 或R R1 R2 R1 R2 并联 更复杂电路 应先将所有电阻合成 画出简化电路 然后再确定噪声等效电流源 57 噪声估算目的确定器件和电路的固有噪声电平计算信噪比估算出为保证可靠检测所必需的最小输入光功率值噪声估算的具体步骤是首先确定检测器件和前级电路的噪声源 其次计算等效电阻和复合阻抗下的噪声等效带宽 画出检测电路的噪声等效电路 最后根据噪声等效电路计算噪声输出电压 信噪比和最小输入光功率值 二 典型光电检测电路的噪声估算 7 3光电信号检测电路的噪声估算 58 光电倍增管检测电路的噪声估算 光电倍增管阳极电流的散粒噪声有效值 负载电阻R上的热噪声电流 负载电阻上总的噪声输出电流 阈值光通量时有IA0 0 此时的总噪声电流INm取决于暗电流Id 负载电阻R上的噪声输出电压 负载电阻R上有并联电容C时的噪声等效带宽 f fe 1 4RC 阳极输出总信噪比SNRA是直流光电流IA与噪声电流有效值IN之比值 灵敏阈 smin是暗电流噪声电流有效值INm与阳极灵敏度之比值 比灵敏阈 59 60 作业 题1有一2DU型光电二极管 其电流灵敏度 结间电导G 0 005mS 当输入光通量 曲线转折电压UM 10V时 若该输入电路与放大器相连 用电源电压Ub 40V 试求 1 取得最大输出功率时的直流偏置电阻Rb和放大器输入电阻RL 2 计算能向放大器提供的电流 电压和功率 61 题2某光电检测输入电路的负载电阻 电路通频带试计算 1 300K工作时负载电阻上的热噪声电压 2 若使噪声电压不超过 此时的等效噪声带宽应为多少 3 求出需并联多大的电容器 4 求出这一检测电路的时间常数和上限截止频率 62 4 5前置放大器 63 64 65 66 67 4 6光电检测电路举例 68 补充 光电开关 先举一个简单例子 69 光幕传感器 70 光电开关的定义 以光源为介质 应用光电效应 根据当光源受物体遮蔽或发生反射 辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无 大小和明暗 而产生输出信号的开关元件 光电开关包括几种类型 自身不具备光源 利用被测物体发射的光的变化量进行检测的 利用自然光对光电开关的照射 物体遮蔽自然光产生的关变化量 光电开关自身具备光源 发射的光源对被检测物体反射 吸收 和透射光的变化量进行检测 常用的光源为紫外光 可见光 红外光等波段的光源 光源的类型有灯泡 LED 激光管等 输出信号有开关量或模拟量和通讯数据信息等 71 光电开关的叫法 主要是指输出为开关量的开关元件 光电传感器的叫法 涵盖了输出为开关量 模拟量 通讯数据等情形 目前市面光电开关的叫法有分光源 检测形式 用途 结构等命名的 如 利用红外光源的叫红外光电开关 红外线光电开关 红外线光电传感器等 利用自然光的叫光控开关 光电继电器等 利用激光为光源的叫激光光电开关 激光光电传感器等 利用检测形式叫热金属检测器 俗称热检等 利用用途的叫光电距离传感器 安全光幕传感器等 利用结构的叫光幕传感器等 72 一 光电开关原理与分类1 按检测形式的分类 1 对射式对射式是由一个发射器与一个接收器相对配置的 发射器发射出的光指向接收器 发射器与接收器之间组成一个闭合光路 通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式 这种检测形式作用距离比较长 但需要一个发射器并需要配电 在某些应用场合比如空间狭小 不合适配电的运用上比较麻烦 如图1a 73 74 发射器与接收器一体化 光传输为直流方式的非调制信号 主要小型缝隙光电开关 如U型 C型的槽型光电开关 如图1b 75 2 直接反射式这种方式是把发射器与接收器构为一体 发射器发射的光直接照射到被检测物上 根据反射光的变化情况来进行检测的 可以说是近似人的眼睛的一种检测器 与对射式相比作用距离比较短 只需要单线配电即可 属于通用检测器 如图2 76 3 镜面反射式 把发射器与接收器构为一体 光电开关对置反角矩阵射镜 发射器的光被反射镜后反馈回接收器 光电开关与角矩阵反射镜 多棱镜 形成闭合光路 通过对光路的光被遮断或光衰减来进行检测的一种检测形式 这种检测形式作用距离比对射式短 比直接反射式较长 只需要单线配电即可 由于采用反射镜光轴的调整比对射式容易 反射镜由多棱镜角矩阵板或微晶玻璃颗粒反射膜等 如图3a 77 78 具有M S R功能的反射器式光电开关 如果被检测物是平面而且有光泽 则会产生误动作 欲解决此问题 可采用M S R功能 它的主要工作原理是基于角矩阵反射器能使偏振光方向改变90 采用互相垂直的偏振光膜片放在双镜头前 所以使用角矩阵反射器 光路闭合 如果是平面镜或反光率比较的物体 如 玻璃瓶等 不能改变偏振方向 由它阻挡而产生的反射光不能进入受光器 因此它可以很容易被检测到 从而解决了由它表面反射而它引起的误动作问题 如图3b mirrorshineremove 79 80 4 辐射光检测形式通过对被检测物体辐射出的光进行检测的形式 如用于钢铁行业的对加热的铁辐射出的红外线进行检测的光电开关 如图4 81 5 限定反射式这种方式是把发射器与接收器构为一体 发射器与接收器形成一个角度 发射光轴与接收光轴交叉区域灵敏度最佳 如图5 82 6 夹角式这种方式是把发射器与接收器构为一体 发射器与接收器形成一个角度 发射光聚焦点与接收光聚焦交叉区域检测物体 用于精细检测 如标记检测等 如图6 83 7 同轴检测式 单镜头 这种方式是把发射器与接收器构为一体 发射光通过镀膜的半透明镜片45 折射后通过镜头聚焦发射出去 接收光线通过聚焦镜头入射到接收器 主要用于标志检测 目前主流的颜色传感器 标志传感器大多采用这样方式 84 8 光导纤维式光导纤维简称光纤 目前光纤式光电开关的光纤基本是两种 一种塑料光纤 价位比较低 普通检测使用 另一种玻璃光纤 价位比较高 一些检测精度比较高的场合 对射式 把光纤套入发射器 把光纤套入接收器 光纤检测头相对安置 85 直接反射式 发射器与接收器构为一体 把光纤套入发射器与接收器 光纤放大器 光纤头为两根光纤并行 直接检测物体 86 同轴反射 发射器与接收器构为一体 把光纤套入发射器与接收器 光纤放大器 光纤头为两根光纤并为一根的形式 发射光纤在中间 接受光纤围着其圆周排列 可以直接反射与镜面反射 取决于光纤放大器的光学结构 87 2 按检测方法的分类 1 光量法目前大多数光电开关用来检测物体有无的均为光量方式 既光源受物体遮蔽或发生反射 辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无 2 三角测距法光量方式容易受到物体表面的光洁度 粗糙度 颜色所影响 因此在一些要求比较高的场合就需要采用距离法检测 3 激光测量法由激光器对被测目标发射一个光信号 然后接受目标反射回来的光信号 通过测量光信号往返经过的时间 计算出目标的距离 88 3 按光源种类的分类光源目前采用的大多是发光二极管 LED 根据不同使用目的的区别使用 1 白炽灯式 可见光 用于需要白光的标志检测器 由于寿命与抗震性能 现在使用比较少 2 发光二极管 LED 式 可见光 近红外光 具有调制容易 寿命长 小型 功耗小 抗震等优点是光电开关理想的光源 可用于各种用途 3 荧光式 可见光 主要用于需要长度的光电系统 图像传感器等 89 4 紫外光式 不可见光 通过照射紫外线用于检测发生可见光的物体 荧光整理疵点 食品中的异物等 5 气体激光式 可见光 光束比较强 用于探伤系统 条形码系统 及强光衰减大的场合 如蒸汽 烟雾 火焰等场合 6 半导体激光式 红光 近红外光 具有较强的透射率和容易调制的特性 用于如蒸汽 烟雾 火焰等场合钢铁行业与安防 90 4 按光源调制种类的分类 1 直流光式使发射器的光线为不变的直流光 包括白炽灯和用直流驱动的发光二极管 这种方式有线路简单 响应速度快的特点 但是抗光干扰比较弱 目前仅在较短的距离检测中使用 91 2 调制式 脉冲调制式使发射器发的出光线为具有一定频率的脉冲波 一般称为调制光 采用这种方式除了可以获得峰值很高的光脉冲功率外 还可以对接收器输出采用具有频率选择的交流放大器进行放大 从而减少周围光线和电气噪声的影响 这是目前国内外使用最广的一种方式 机械旋转调制式对光源用棱镜或转盘孔旋转后 提取脉冲信号 如用于区域检测和热金属辐射的扫描检测等 扫描式将多个发射器与接收器组合 通过同步信号逐一扫描 防止相互干扰 如用于光幕传感器 92 5 按供电种类的分类 1 直流式采用直流电压供电的形式 一般大多采用12 24V 10 30V 的直流电压的供电 2 交流式采用交流电压供电 电压范围为90 240V交流电 满足110VAC与220VAC场合的供电 3 直流交流混合式直流电压与交流电压都可以直接接入同一个供电回路的形式 直流电压范围12 240V 交流电压范围24 240V 此形式适应性比较灵活 不需要考虑配电的问题 93 6 按输出种类的分类 1 三极管NPN输出 2 三极管PNP输出 3 三极管NPN与PNP混合输出 4 固态隔离无触点输出 5 继电器触点输出 6 可控硅输出 7 模拟电压 8 模拟电流 9 数据信号 94 7 按结构种类的分类 1 内藏放大器式即把发光 感光元件和放大电路 信号处理电路 开关驱动电路装配在一个壳体里 接通直流电源就可以获取ON OFF开关输出 不需要专用放大器 抗噪音能力强 寿命长 电缆线可延长等优点 是主流的一种光电开关 2 放大器分离式这是种早期采用比较多的方式 发光 感光元件装在探头内 用屏蔽线与专用放大器 光电开关主体 连接 主要是探头可以安装在比较狭小的空间对比较小的物体进行检测 但是有抗噪声能力的问题 随着技术的发展 内藏放大器式的光电开关的体积越来越小 这种形式采用相对较少 尤其是光纤传感器的发展 95 3 光纤式这种光电开关是放大器分离式与内藏放大器式结合的产品 通过光纤才传输光信号 光电开关主体上套上光纤线 另一头光纤探头可以对被检测物体进行检测 其优点光纤探头比较小 可以检测比较微小的物体 光纤线传输的只是光信号 所以不用考虑放大器分离式那样需要考虑抗噪声能力的问题 4 自控式这种光电开关是具有一定功能性的 把发光 感光元件和放大电路 信号处理电路 开关驱动电路 电源 继电器等都装配在一起 接上交流或直流电源就可以工作 同时还具有其他一些功能如动作信号的延时 光电开关的信号灵敏度调节等 96 二 光电开关特点 1 检测距离长 与电感式接近开关相比 可以获得很长的检测距离 例如 对射型开关检测距离可达数十米 反射已从几厘米到几米 由于是非接触检测 所以不损伤被测物 也不受其影响 2 检测对象广泛 因为是根据检测对象的反射和透光检测 所以不管是金属 即使是玻璃 橡胶 木材 液体 气体等几乎都可以检测 3 响应速度快 检测介质本身是高速的 因为几乎不包含机械动作 因而可以获得非常高的检测速度 4 分辨能力高 因为光是直线传播 且波长短 因而分辨率高 适用于微小物体和高精度位置检测 97 5 容易取得规则的检测区 采用了透镜等光学系统 可以比较容易的聚光 扩散和折射 对应不同的检测对象和不同的使用环境 可以适当的选取具有某种检测区域的产品 6 不受磁场和振动的影响 检测开关一般较多地安装在具有较强磁场和振动的场所 从本质上说 光电开关受其影响很少 因而能够可靠的动作 7 利用光的特性检测 可以做色标 形状特征的选择检测 8 寿命长 由于是非接触检测 所以寿命长 特别是用发光二极管做为光源 控制输出采用无接点方式 寿命就更长 98 光电开关有下述一些缺点 1 透镜容易受到粉尘和油污的污染 透镜一旦弄脏 不仅使光束散乱 又挡住了一部分光 因而在恶劣环境下 必须采取切实可行的保护措施 2 周围光线强弱对开关的影响 对于通常的照明光 目前光电开关几乎不受影响 但是如果背景光太强以致超过数万勒克斯 就会引起开关误动作而造成损失 3 成本比其它检测开关要高一些 99 三 光电开关应用方法1 输入电源电压的波动对直流输入方式 也要注意其波动值 通常可以允许 10 2 配线正确地进行配线自然不用说 在有规定的情况下 使用电缆应在规定的长度以内 在配线上大多出防噪声方面考虑 但为安全起见 还应当注意与动力线隔离 高压线 动力线和光电传感器的配线不应放在同一配线管或用线槽内 否则会由于感应而造成 有时 光电开关的误动作或损坏 所以原则上要分别单独配线 3 响应时间根据被测物体的大小与移动速度来选择在响应速度上有余力的光电开关 另外 关于对射式 由于光束的粗细对检测有影响 因此要预先计算好对整个光束遮光的时间 100 4 灵敏度关于设定距离 在环境恶劣的情况下 使用对射式时 必须留出4倍以上的余地 使用反射式时也必须留出1 5 2倍以上的余地 5 保护措施通常 对于直流供电的光电开关里都设有逆极性 交流无须要极性保护 直流供电的光电开关晶体管输出的均有过流 短路保护 无接点输出极的保护 通常采用续流保护晶体管的集电极 如果有大功率的感性负载最好还是外部设置电涌吸收电路给予保护 6 抗振与冲击若振动为0 2000次 分 复振宽度为2mm左右时 对一般光电开关没什么影响 但是对采用白炽灯做光源需要采用不受振动的装备结构 101 7 干扰光由于光电开关的光源与调制的问题 因此抗干扰光的能力也是不同的 通常红外光电开关抗环境光白炽灯光3 000Lux 太阳光10 000Lux 若强烈太阳光直接照射的 由于太阳光含有红外波段的光线 如果采用光学滤色镜提高抗光干扰能力是不够的 teopto光电产品中有具备100 000Lux专门用于强烈环境光的产品 那直流光式 需要尽量避开环境光的直接照射 由于环境光的干扰 还需要对灵敏度细调后满足实际使用的需要 在不能改变光电开关 接收器 光轴与强光源的角度时 可在光电开关上方四周加装遮光板或套上遮光长筒 8 防止相互干扰对射式防止相互干扰最有效的办法是发射器和接收器交