光电开关的原理及类型

光电开关
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
挡或者反射，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者有无对目标物体进行探测。

4339268光电开关
简介
）是光电接近开关的简称，
光电开关（光电传感器:photoelectric switch
它是利用被检测物对光束的遮挡或者反射，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者有无对目标物体进行探测。

安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中时常用它来记
数机械臂的运动次数。

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及寿
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，
新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、
响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。

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
切机以及安全防护等诸多领域。

此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、
商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。

工作原理
图1
所示是反射式光电开关的工作原理框图。

图中，由振荡回路产生的调
制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。

当被测物体进入受光器作用。

并在接收电路中将光脉冲解
范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU
调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分
或者RC积分方式排除干扰，最后经延时（或者不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。

光电开关普通都具有良好的回差特性，于是即使被检测物在小范围内晃动也
不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。

同时，自诊断系统
还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。

它由发光
源和受光器两部份组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用
透明绝缘体隔离。

发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光
源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。

光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达
林顿型、集成电路型等。

如下图1（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等）。

工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流
的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由
受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

基本工作特性（以光敏三极管为例）1、共模抑制比很高在光电耦合器内部，
以内）所以共模输入电压通过极
由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF
间耦合电容对输出电流的影响很小，于是共模抑制比很高。

2、输出特性光电
与输
耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE
时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电
出电流IC之间的关系，当IF=0
时，在一定的IF作用下，所对应的
极输出电流称为暗电流，普通很小。

当IF>0
无关。

IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪
IC基本上与VCE
测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

3、光电耦合器
可作为线性耦合器使用。

在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过
电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化
的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。

光电耦合器也可工作于
开关状态，传输脉冲信号。

在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一
定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

特点介绍
系列红外光电开关系列光电开关是现代微电子技术发展的产物，是HGK
MGK
的升级换代产品。

与以往的光电开关相比具有自己显著的特点：●具有自诊断
稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；
●对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；
●对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否
正常工作。

并可随时接受计算机或者可编程控制器的中断或者检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；
，每分钟可进行30
●响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms
万次检测操作，能检出高速挪移的弱小物体；
表面安装工艺，具有很高的可靠性；
●采用专用集成电路和先进的SMT
）、分量轻，安装调试简单，并具有短路
●体积小（最小仅20
×12mm
×31
保护功能。

主要类型
综述
光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化：利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。

光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部份组
）和激成。

发射器对准目标发射光束，发射的光束普通来源于发光二极管（LED
光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。

接收器有光电二极管或者光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

光电式接近开关广泛应用于自动计数、安全保护、自动报警和限位控制等方面。

分类：光电开关可分为对射型；漫反射型；镜面反射型；槽式光电开关；光纤式光电开关。

对射型
由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下
会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分
开达50米。

特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间
仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。

漫反射型
是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。

特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。

镜面反射型
由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。

米至20米。

特征：光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0.1
辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。

槽式
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。

槽式光电开关比较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
光纤式光电开关采用塑料或者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。

槽型光电开关选项事项
选型
槽宽，检测物体需通过槽型光耦的槽，才干对红外光实现阻断，所以光电传
感器的槽宽要宽于检测物体，并要有一定的余量，便于安装。

槽型光耦（光电开关）的光缝宽度，如检测物是一个齿盘，其齿盘齿的宽
度是d，齿盘齿槽的宽度是f，则槽型光耦的光缝宽度要求小于d，且小于f，这
样才干保证能将红外光有效的阻断和导通，在满足上述条件下，选择光缝宽大的
槽型光耦。

凹槽型光耦（光电开光）外形：带固定孔和带固定孔，请根据实际情况选
择。

安装位置：光电传感器安装时，应使检测齿盘的外径超过槽型光耦光轴。

这样才干有效阻断光线。

1-2mm
外围电路参数选择
在选择槽型光耦的外围电路时，先确定槽型光耦（光电开关）接收管的负载
电阻是多少，再根据槽型光耦的转换效率选择红外发射管的电流。

以ITR1100
（包括之后电路的等效负载），电源电压是5V，其
为例，若其负载电阻是选10k
为接收管的饱和电压）。

其中0.4
红外接收管的最大电流是（5-0.4/10k=0.46mA,
％，取30％，则红外发射管电流选为0.46/30%=1.5 的转换效率是30％-40
ITR1100
倍的余量，实际选择电综合考虑环境温度、灰尘等不利因素影响，留1.5-2
mA,
为红外发射管的
，1.2
流2.3-3mA
）/3=1.3k。

再根据该值选择限流电阻（5-1.2
正向压降。

）,原则上红外接收管的负载电阻取被测物体的运动速度越快（如1-2kHz
值应小些。

[1]
具体分类
检测方式
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，以避免背景影响。

镜面反
射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或者半透明物体。

表1给出了光电开关的检测分类方式及特点说明。

结构分类 光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。

放大器分离型是将放大器与传感器分离，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表面安装工艺制成，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表
面安装工艺制成。

它普通使用交流电源，合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
SSR 固态继电器或者继电器常开、常闭接点，可防止相互干扰，并可密切安装在系统中。

技术指标
塑料或者金属外壳，有圆柱形、方形、叉型、玻璃或者塑料光纤等直射系统检测
距离长，最大100m ，检测不透明物体准确、可靠，抗恶劣条件好（灰尘、散射
光导）反射系统检测距离中等，最大15m ，易于安装，检测不透明物体或者非反射
性透明物体；极性反射系统可以检测反射物体漫射系统检测距
，取决于物体的反射系数，安装及设置简单，可检测透明、反射
离短，最大2m
或者半透明的物体，需要洁净的环境带背景抑制功能的漫射系统对背景物体不敏
感，检测距离与物体的颜色无关继电器或者固态输出两种方式，还有摹拟量（4－）输出的专用系列产品可选择的功能：时间延迟、分离放大器、灵敏度调节
20mA
等三种接线方式：螺丝端子、插接件、电缆引线，最高防护等级为IP67Design18市场上最广泛使用的标准，第一代Ø18
且具备背景抑制功能。

相关比较
光控开关与光电开关的区别
1、首先可以确定光控开关不属于光电开关。

2、光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

它是利用被检测物体对红外光束（区分点）的遮光或者反射，由同步回路选通
而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。

光
电开关在普通情况下，有三部份构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为：
（1）.漫反射式光电开关
（2）.镜反射式光电开关
（3）.对射式光电开关
（4）.槽式光电开关
（5）.光纤式光电开关3、光控开关，它的“开”和“关”是靠可控硅的导
通和阻断来实现的，而可控硅的导通和阻断又是受自然光（区分点）的亮度（或者
人为亮度）的大小所控制的。

该装置适合作为街道、宿舍走廊或者其它公共场所照明灯，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。

4、光电开关应用的环境是影响其长期工作可靠性的重要条件。

当光电开关
工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一
些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性。

但光控开关不受“检测距离”这一
指标的影响。

光电开关和光电继电器的区别
光电开关是由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出
光脉冲。

当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极
管DU。

并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选
通整形，然后用数字积分或者RC积分方式排除干扰，最后经延时（或者不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。

光电开关普通都具有良好的回差特性，于是即使被检测物在小范围内晃动也
不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。

同时，自诊断系统
还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。

光电继电器的工作原理和特性。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系
统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中
起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

光电耦合器与光电开关的区别
光电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，往往用光藕是来反馈用。

而光电开关原理类似，无非它只是用来当做开关用的，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，普通用在普通
控制上，不能精确表针。

专用名词
检出距离
对射式和镜面反射式光电开关的检出距离是指光轴上无有效遮挡物野战，可稳定检出的最大距离。

反射式光电开关的检出距离则是可稳定检出标准检测物的最大距离。

回差距离
回差距离指动作距离与复位距离之差。

它用检出距离的比率来表示，普通在以下。

检出距离的20%
响应时间
把从受光器初始有效受光到输出动作所需的时间称作响应时间。

把从受光器初始有效遮光到输出复位所需的时间称为复位应用时间。

暗动
）：即遮光动作。

它表示在进入受光器的光速减少到一定程 暗动（DARK ON
序时或者被全遮时，输出晶体管将导通输出。

亮动
ON），也称受光动作。

它是指进入受光器的光束增加到一定量 亮动（LIGHT
时，输出晶体管导通且有输出。

外同步输入
在普通情况下，凡具有外部诊断输入功能的光电开关，普通均具有外同步功能。

也就是说，用接点或者晶体管导通等方法使图2中的蓝线与黑线短接
（ON）可随时住手投光。

可以据此在工作前预检传感器检测是否正常。

在工作中，利用此性质也可随时接受控制系统发出的运行或者中断指令。

如果将前一个输出与后一个外同步输入进行串接，则可实现与门等功能。

注意事项
光电开关可用于各种应用场合，图3所示为光电开关在多种场合的应用例图。

此外，在使用光电开关时，还应注意环境条件，以使光电开关能够正常可靠的工作。

强光源
光电开关在环境照度较高时，普通都能稳定工作。

但应回避将传感器光轴正
对太阳光、白炽灯等强光源。

在不能改变传感器（受光器）光轴与强光源的角度时，可在传感器上方四周加装遮光板或者套上遮光长筒。

相互干扰
系列新型光电开关通常都具有自动防止相互干扰的功能，于是不必耽心 MGK
相互干扰。

然而，HGK
系列对射式红外光电开关在几组并列挨近安装时，则应防
止邻组和相互干扰。

防止这种干扰最有
效的办法是投光器和受光器交叉设置，超过2组时还拉开组距。

固然，使用不同
频率的机种也是一种好办法。

系列反射式光电开关防止相互干扰的有效办法是拉开间隔。

而且检测距
HGK
离越远，间隔也应越大，具体间隔应根据调试情况来确定。

固然，也可使用不同
工作频率的机种。

镜面角度
当被测物体有光泽或者遇到光滑金属面时，普通反射率都很高，有近似镜面的作用，这时应将投光器与检测物体安装成10～20°的夹角，以使其光轴不垂直
于被检测物体，从而防止误动作。

背景物
使用反射式扩散型投、受光器时，有时由于检出物离背景物较近，光电开关
或者背景是光滑等反射率较高的物体而可能会使光电开关不能稳定检测。

因此可以改用距离限定型投、受光器，或者采用远离背景物、拆除背景物、
将背景物涂成无光黑色、或者设法使背景物粗糙、灰暗等方法加以排除。

自诊断
在安装或者使用时，有时可能会由于台面或者背景影响以及使用振动等原于是造成光轴的弱小偏移、透镜沾污、积尘、外部噪声、环境温度超出范围等问题。

这
些问题有可能会使光电开关偏离稳定工作区，这时可以利用光电开关的自诊断功
绿色稳定指示灯发出通知，以提醒使用者及时对其进行
能而使其通过STABLITY
调整。

台面影响
如图4（a）所示，投光器与受光器在贴近台面安装时，可能会浮现台面反
射的部份光束照到受光器而造成工作不稳定。

对此可采用如图4（b）的方法，
使受光器与投光器离开台面一定距离并加装遮光板。

严禁用稀释剂等化学物品，以免损坏塑料镜。

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者用线槽内，否则会由于感应而造成（有时）光电开关的误动作或者损坏，所以原则上要分别单独配线。

下列场所，普通有可能造成光电开关的误动作，应尽量避开：
●灰尘较多的场所；
●腐蚀性气体较多的场所；
●水、油、化学品有可能直接飞溅的场所；
●户外或者太阳光等有强光直射而无遮光措施的场所。

●环境温度变化超出产品规定范围的场所；
●振动、冲击大，而未采取避震措施的场所。