光开关的原理及种类 ln
【实用】光电开关的工作原理及分类PPT文档
梁召峰 副教授
光电开关的工作原理
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，从而检测物体的 有无。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 弱或有无对目标物体进行探测。
各种光电开关光线工作示意图
各种光电开关光线工作示意图 物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。 遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。 反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光(波动方向严格一致 的光)反射回去，提高抗干扰能力。 反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来 的偏振光。 遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。 遮断型光电开关工作原理 漫反射型光电开关集光发射器和光接收器于一体。 漫反射型光电开关集光发射器和光接收器于一体。 反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。 反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。 遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。 物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。 遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。 反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型(简称散射型)。 当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 遮断型光电开关工作原理 反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。
光电开关的原理和应用
光电开关的原理和应用光电开关是一种利用光电效应原理实现检测和控制的设备。
它通过光电传感器将光信号转换为电信号，实现对物体的检测、计数、测距等功能。
光电开关具有响应速度快、反应灵敏、使用寿命长的特点，广泛应用于自动化控制系统中。
本文将介绍光电开关的原理、分类以及在工业生产和日常生活中的应用。
一、光电开关的工作原理光电开关的工作原理基于光电效应。
光电效应是指在光照射下，物质中的电子吸收光能并发生电离现象。
光电开关利用光电效应来实现信号的检测和控制。
其工作过程包含光电传感器和光电控制器两个部分。
光电传感器：光电传感器是光电开关中最重要的组成部分，它通常由光源、光敏元件和光电电路三部分组成。
光源发射光线照射到被测物体上，被测物体反射的光线再经过光敏元件接收。
光敏元件可以是光电二极管、光敏电阻、光敏三极管等。
当光线照射到光敏元件上时，光敏元件会产生电流或电压信号，完成对光信号的转换。
光电控制器：光电控制器是光电开关中的控制部分，其主要功能是对光敏元件输出的信号进行放大、滤波和判别。
根据不同的应用需求，光电控制器可以进行信号增强、阈值设置、控制输出等操作，使得光电开关能够适应不同环境下的检测要求。
二、光电开关的分类光电开关可以根据不同的工作原理和检测方式进行分类。
1. 按照工作原理分类：根据光电效应的不同机理，光电开关可以分为光电导型开关和光电障碍型开关。
光电导型开关：光电导型开关是利用光敏电阻的变化来实现控制开关的工作。
当被测物体出现时，光源照射到光敏电阻上，光敏电阻的阻值发生变化，从而改变了电路的导通状态。
光电障碍型开关：光电障碍型开关是利用物体进入或离开光束来实现控制开关的工作。
当被测物体进入或离开光束时，光线被遮挡或接收，从而改变了光敏元件的光信号，进而控制开关的状态。
2. 按照检测方式分类：根据被测物体与光电传感器之间的相对位置，光电开关可以分为接近式光电开关和光电遮挡式开关。
接近式光电开关：接近式光电开关是通过测量物体与光电传感器之间的距离，实现对物体的接近与离开的检测。
光电开关如何分类？L-ON，D-ON是什么意思？
光电开关如何分类？L-ON，D-ON是什么意思？光电开关作为检测装置，在工业控制当中有着广泛的应用，如果一个电工不知道光电开关为何物，可以说连自动化的门儿都没有找到。
今天就带大家学习一下，什么是光电开关以及它的分类和基本特点。
我们以最常见的三线制的光电开关，给大家做详细的介绍。
什么是光电开关？光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对光束的遮挡或者是反射来检测物体的有无。
它是由发射器和接收器这两部分组成的，主要的作用是用来检测不透明的物体的有无。
这里要强调一点，它只能检测不透明的物体，透明的是没有办法检测的。
在自动化控制当中，最常用的光电开关多为红外线光电开关，它由发射器发射红外线，接收器根据反射回来的光束的强弱，来判断物体的存在。
光电开关的分类光电开关按检测方式分类，可以分为漫反射式，对射式，镜面反射式，槽式光电开关，光纤式光电开关。
我们最常用的主要是漫反射式，对射式和镜面反射式。
对射式光电开关对射式光电开关，它的主要特点是接收器和发射器是分开的，在同一轴线上，接收器和发射器分开可达50米，它的有效距离是最大的，而且不易受干扰，可靠性高，不惧怕灰尘的影响。
漫射式光电开关漫射时光电开关，它的发射器和接收器是结合在一起的，当有足够的光束返回时，他就认为前方有不透明的物体，这个时候开关状态就会发生变化。
所以它的有效探测距离就比较短，一般为3米左右。
镜面反射式光电开关镜面反射时光跟开关和漫反射光电开关类似，它的发射器和接收器也是在一起，但是我们在使用时，要在其正对面设置以专用的反射镜来反射光束。
所以它的有效距离要比漫反射式的光电开关要高，从0.1米到20米，都能够有效检测，同样不易受干扰，不惧灰尘，可靠性高，适用范围比较广，安装也很方便。
这就是我们最常见的三种光电开关，绝大多数的场合都是使用这三种光电开关，其中的一种或者是几种，只要我们掌握了这几种光电开关的特点，在工作中基本上就可以得心应手了。
光电开关简介ppt课件可修改文字
光幕应用（续） 木材外形截面积检测
光幕应用（续）
光幕可检 测出带材在 卷曲过程中 的偏移，经 控制器和执 行机构使带 材向正确的 方向运动 （纠偏）。
纠偏
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的
车辆检测
超限超载车辆经过固定式称重台时， 计算机管理系统自动生成车牌号，轮轴 数.车货总重，车长，车速，车辆通过后 红外线收尾系统自动提示检测完毕.
反射式光电
直射型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。 相应地，接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减
断续器 小发射LED的功耗。
反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来 的偏振光。 被测物漫反射型光电开关原理 请写出转速与频率的关系式 光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。 它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。 漫反射型光电开关的应用 直射型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。 当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。 反射型光电开关分为两种情况： 被测物漫反射型（简称散射型）。 反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来
光电断续器外形
两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。 超限超载车辆经过固定式称重台时，计算机管理系统自动生成车牌号，轮轴数. 超限超载车辆经过固定式称重台时，计算机管理系统自动生成车牌号，轮轴数. 遮断式光电开关（计数） 光电开关在流 水线上的应用 一、光电开关的结构和分类 反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。 漫反射型光电开关的应用 光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。 被测物漫反射型（简称散射型）。 车货总重，车长，车速，车辆通过后红外线收尾系统自动提示检测完毕. 定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。 反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来 的偏振光。 但在实际制作中，上下两路总存在干扰，很难提高测量精度。 对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检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，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。 光电断续器可分为直射式（槽式）和反射型两种。 直射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。 红外LED的正向压降约为1. 超限超载车辆经过固定式称重台时，计算机管理系统自动生成车牌号，轮轴数. 光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。
光开关分类
光开关分类光开关是一种通过光信号控制电路开关状态的装置。
它具有快速、可靠、安全等优点，在现代化的电力系统中得到了广泛应用。
根据其工作原理和应用场景的不同，光开关可以分为多种类型。
本文将对光开关的分类进行详细介绍。
一、机械式光开关机械式光开关是通过机械结构实现光信号控制电路开关状态的装置。
它通常由一个发射器和一个接收器组成，发射器向接收器发射光信号，当有物体遮挡住它们之间的空间时，接收器无法接收到发射器发出的光信号，此时电路就会自动断开。
机械式光开关具有结构简单、使用方便等优点，但是由于其受环境因素影响较大，如灰尘、湿度等会影响其正常工作，因此在某些特殊场景下需要考虑使用其他类型的光开关。
二、反射型光开关反射型光开关是指将发射器和接收器集成在一起，并通过物体对反射面反弹回来的信号来判断物体是否存在的光开关。
它通常由一个发射器、一个接收器和一个反射面组成，发射器向反射面发射光信号，当有物体遮挡住它们之间的空间时，光信号被阻挡，无法照射到反射面上，此时接收器无法接收到反弹回来的光信号，电路就会自动断开。
反射型光开关具有结构简单、使用方便等优点，并且不受环境因素影响，因此在工业自动化等领域得到了广泛应用。
三、散射型光开关散射型光开关是指将发射器和接收器分别安装在物体两侧，并通过物体对光线的散射来判断物体是否存在的光开关。
它通常由一个发射器、一个接收器和一个透镜组成，发射器向物体表面发出一束平行的光线，在物体表面上被散射后照向接收器，当有物体遮挡住它们之间的空间时，被遮挡部分的光线无法照向接收器，此时电路就会自动断开。
散射型光开关具有结构简单、使用方便等优点，并且适用于检测各种形状的物体，因此在工业自动化等领域得到了广泛应用。
四、光电隔离器光电隔离器是一种将输入信号和输出信号通过光信号隔离的装置。
它通常由一个发射器、一个接收器和一个光电耦合器组成，输入信号通过光电耦合器转换成光信号，经过光纤传输到接收端，再通过光电耦合器转换成输出信号。
光开关的工作原理
光开关的工作原理
光开关是一种根据光的强度变化来控制电路开关状态的装置。
它利用光敏元件，如光敏二极管或光敏电阻，来感受光的强度，并将其转化为电信号。
光开关的工作原理可以描述为以下几个步骤：
1. 光源发出光线：光开关通常需要一个光源，如LED灯或激
光器，来产生光线。
这个光源可以是连续的光束或者脉冲光。
2. 光线照射到光敏元件上：光线从光源发出后，经过适当的光路，照射到光敏元件上。
光敏元件通常被安装在光开关的接收端。
3. 感光元件感应光信号：光敏元件对光的强度进行感应，并将其转化为电信号。
光敏元件的电阻或电流值将随着光线的强度变化而变化。
4. 信号处理：光敏元件输出的电信号接入到一个信号处理电路中。
这个电路可以是一个比较器、一个运算放大器、一个逻辑电路等等，用于处理光敏元件输出的电信号。
5. 控制开关状态：信号处理电路将根据光敏元件输出的电信号来控制开关的状态。
当光线强度高于一定阈值时，开关可以是打开状态，或者反之。
总之，光开关利用光敏元件感应光线的强度变化，将其转化为
电信号，并通过信号处理电路来控制开关的状态。
这种工作原理使光开关在很多领域中得到了广泛的应用，例如光电自动控制、照明系统等。
照明中常用的开关
照明中常用的开关一、按功能分类1、单控开关●原理：单控开关是最基本的开关类型，它只有一个控制点。
当开关接通时，电路闭合，灯具亮起；当开关断开时，电路断开，灯具熄灭。
例如，在一个卧室中，门口安装一个单控开关来控制吊灯的亮灭，操作简单方便。
●应用场景：适用于只需要在一个位置控制灯具亮灭的场所，如小房间、走廊尽头等。
2、双控开关●原理：双控开关有两个控制点，可以在不同的位置控制同一盏灯。
它的内部结构相对复杂一些，通过两个开关之间的特殊接线方式来实现。
例如，在楼梯间，在楼梯顶部和底部各安装一个双控开关，就可以在任意一端控制楼梯灯的亮灭。
●应用场景：常用于需要在两个不同位置控制灯光的地方，如楼梯、卧室床头和门口等。
3、多控开关（中途开关）●原理：多控开关用于在多个位置控制同一盏灯。
它通常与双控开关配合使用，当有三个或更多控制点时，除了两端使用双控开关外，中间的控制点就使用多控开关。
例如，在一个较长的走廊，有多个入口，就可以使用双控开关在两端，中间根据入口数量使用多控开关来实现多位置控制灯光。
●应用场景：适合在有多个出入口且需要对同一灯具进行控制的大型场所，如大型仓库、长走廊等。
二、按操作方式分类1、跷跷板开关●原理：跷跷板开关是一种常见的手动操作开关，其外观像跷跷板，通过按下一端使电路接通或断开。
这种开关的手感较好，操作直观。
●应用场景：广泛应用于家庭、办公室等各种室内照明场所。
2、触摸开关●原理：触摸开关利用人体的电容感应原理。
当人体触摸到开关表面时，会改变触摸点的电容值，从而触发电路的导通或断开。
例如，一些现代风格的家居装修中，使用触摸开关来控制台灯或壁灯，外观简洁时尚。
●应用场景：常用于对美观和便捷性要求较高的场所，如高档酒店客房、智能家居环境等。
3、声控开关●原理：声控开关内置有声音传感器，当周围环境的声音强度达到一定阈值时，开关会自动接通电路，使灯具点亮。
经过一段时间（可设置）后，如果没有再次检测到声音，电路会自动断开。
光电开关的原理及类型
光电开关的原理及类型光电开关是一种利用光电效应工作的传感器，它通过光电元件将光信号转化为电信号，从而实现对电路的开关控制。
光电开关具有快速响应、长寿命、免接触、高精度等特点，广泛应用于自动化控制、测距、物体检测、流程监控等领域。
光电开关的原理主要基于光电效应的工作原理。
光电效应是指当光照射到一些物质表面时，电子吸收光能，从而使得物质表面的电子获得足够大的能量，跳出原子轨道形成自由电子，产生电子电荷。
光电效应可分为内照射效应和外照射效应两类。
内照射效应是指物质表面产生的电子电荷在物质内部导电的效应，适用于光电开关的发送器。
发送器是光电开关中的发光二极管（LED），通过外加电压使其发出光信号。
当LED发出的光进入光电开关的检测器（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等）时，检测器内部被光激发的电子会跳出原子轨道形成自由电子，导致电流流动，进而被控制电路感知并作出响应。
外照射效应是指物质表面受到外部光照射后，电子电荷在物质表面导电的效应，适用于光电开关的接收器。
接收器可以是光敏电阻（LDR）、光敏二极管（Photodiode）、光敏三极管（Phototransistor）等，它们都能将光信号转化为电信号。
当外界光照射到接收器上时，光敏元件吸收光能，进而使电阻、电流或电压发生变化，被控电路通过测量这种变化来判断光照强度或物体位置。
根据光电元件的类型和特性，光电开关可以分为以下几种类型：1.反射式光电开关：发送器和接收器在同一侧，通过被检测物体对光信号的阻挡来实现开关控制。
被检测物体反射光信号，接收器接收到光信号后触发开关。
2.直射式光电开关：发送器和接收器在相对的两侧，光信号直接从发送器射至接收器。
当有物体进入两个传感器之间的区域时，物体会阻挡光线，触发开关。
3.光纤光电开关：使用光纤将发送器和接收器连接在一起，将光信号传输到需要被检测的地方，达到未见光线的地方进行检测。
4.光电对射开关：发送器和接收器分别安装在两个相对位置上，通过光线在空间中的传输来检测物体位置、测距或测量物体的长度等。
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光开关的原理及种类
•一、前言
光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。
一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。
光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC
中的关键部分。
光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。
（1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。
（2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。
（3）光开关还应用在光纤通信器件测试系统以及城域网、接入网的差／分复用和交换设备中。
光开关的引入使未来全光网络更具灵活性、智能性、生存性。
光开关技术已经成为未来光联网、光交换的关键技术，在通信、自动控制等领域发挥着越来越重要的作用。
在众多种类的光开关中，微机械(MEMS)光开关被认为最有可能成为光开关的主流器件。
本文在概述多种光开关原理特点的基础上，重点分析了几种主要的MEMS光开关，并阐述了各自的结构与性能特点。
二、光开关的原理及种类
光开关性能参数有多种，如：快切换速度、高隔离度、小插入损耗、对偏振不敏感及可靠性，不同领域对它的要求也各不相同。
其种类有保护、切换系统中常用的传统光机械开关，也有这几年飞速发展的新型光开关，如：热光开关、液晶开关、电光开关、声光开关、微光机电系统光开关(MOEMS，micro optic electro mechanical systems)、气泡开关等。
在超高速光通信领域，还有马赫-曾德尔
(Maeh-Zehnder)干涉型光开关、非线性环路镜(NOLM，nonlinear optical fiber loop mirror)光开关等光控开关。
•1、机械光开关
传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。
特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。
在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS 光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。
2、电光效应开关
电光效应光开关多由光电晶体材料（如LiNbO3或其他半导体材料）波导材料制成，两条波导通路连接成M-Z干涉结构，外加电压可改变波导材料的折射率，从而控制两臂的相位差，利用干涉效应实现了光的通断。
它的特
点是速度快，但与偏振有关，成本较高。
工作原理如图1所示。
图1 基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开
关
对于3dB耦合器，两光波满足模耦合方程，令两个光波导的传播常数相等，B0=0，在3dB 耦合器2的输出端得到：
|A3|2=|A0|2sin2(Ф/2)
|B32=|A0|2cos2(Ф/2)
式中：A0、B0——输入的光波振幅；A3、B3——输出的光波振幅；Ф——光波相位。
从上式看出，Ф和施加电压有关，改变电压，则Ф改变，从而使光强得到调谐。
其开关速度取决于两路光之间产生相位差的时间，即光波导中折射率变化时间。
在现代通信系统向高速率、智能化发展的阶段，为解决电子交换机响应时间慢、无法和超
高速传输数据相匹配的矛盾，实现更快的开关速度和更低的插入损耗，还可以利用石英光纤和半导体光放大器的自相位调制或交叉相位调制效应改变折射率的方法，即光控光开关技术。
3、光控开关
现在比较成熟的型号有：基于NOLM原理和SOA非线性效应(如XPM：cross phase modulation)制作的全光开关。
它们不仅用于超快开关交换，而且还可用于全光信号再生与超快波长转换，是目前很有前途的全光交换技术。
一般，各种超快全光开关归根结底都离不开光的非线性效应，这里以SOA-XPM为例加以说明，实验原理如图2所示。
图2 利用SOA-XPM实现光开光的实验装置将SOA分别置在M-Z干涉仪的两臂，开关控制脉冲注入一臂，脉冲的变化会引起SOA
折射率的改变，从而引起两臂相位差△Ф的改变，即:
△
Ф=-(2π/l)(dn/dN)(τe/[1+(wτe)2]1/2L×Vg×g×△S×cos(wτ-q)
其中，l——信号波长；dn/dN—折射率随载流子密度的变化量；L—SOA的腔长；τe—载流子寿命；Vg—群速度；g—增益系数；△S—载流子密度变化幅值；q—载流子密度变化和调制信号之间的相位延迟。
△Ф=0，π时，两臂的输出端产生通断。
由于SOA的开关速度能达到皮秒量级，可用于超高速光纤通信系统。
除SOA之外，M-Z干涉仪的两条支路若由非线性光波导材料如GaAs／AlGaAs组成，也可达到开关的目的。