任务1 测量红外光电开关

1.1.1 相关知识

1. 光电效应

当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释放出电子，即物体吸收具有一定能量的光子后所产生的电效应，这就是光电效应。光电效应中所释放出的电子叫光电子，能产生光电效应的敏感材料称为光电材料。

光电式传感器通常就是指能敏感检测到由紫外线到红外线的光能，并能将光能转变成电信号的器件。其工作原理是一些物质的光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应有两类：

1）外光电效应

当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。也就是说，外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。

2）内光电效应

内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。内光电效应多发生于半导体内，可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。

（1）光电导效应。物体在入射光能量的激发下，其内部产生光生载流子（电子-空穴对），使物体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在，单金属因电子能态不同，不会产生光电导效应。

（2）光生伏特效应。光照在半导体中激发出的光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是将光能变为电能的一种效应。光照在半导体PN结或金属-半导体接触面上时，在PN结或金属-半导体接触面的两侧会产生光生电动势，这是因为PN结或金属-半导体接触面因材料不同质或不均匀而存在内建电场，半导体受光照激发产生的电子或空穴堆在内建电场的作用下向反方向移动和积累，从而产生电位差。

2. 光电开关

光电开关是利用物体对光束的遮挡或反射来检测物体的有无，从而实现控制的一种电子开关。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。光电开关主要有对射式、镜反射式、漫反射式、槽式、光纤式几种，工作原理如图1-1所示。

（a）对射式光电开关 

（b）镜反射式光电开关

（c）漫反射式光电开关 

 （d）槽式光电开关

图1-1 各种光电开关工作原理示意图

3. 红外漫反射式光电开关

红外漫反射式光电开关是一种具有开关量输出的位移传感器，输出具有NPN、PNP、常开、常闭及继电器等类型，可检测金属（如钢、铁、铜）、塑料、玻璃、木头、水、纸、磁铁等透明和不透明物体，可与单片机、PLC、伺服控制器、变频器、计算机相连接达到自动输入信号的目的，可以广泛应用于机械、纺织、轻工造纸、印刷、包装等行业。

红外漫反射式光电开关的实物图及接线图如图1-2所示，它是一种三线制的红外光电传感器，具体参数如表1-1所示。

（a）实物图 

（b）接线图

图1-2  红外漫反射式光电开关照片图

表1-1 红外漫反射式光电开关参数表

红外漫反射式光电传感器的三线分别为电源正极、信号线、电源负极，其中电源正极的颜色为棕色，信号线的颜色为黑色，地线的颜色为蓝色。

红外漫反射式光电传感器的动作状态分为常开和常闭：

1）常开状态

常开状态表示当无物体遮挡时，开关总是处于开路状态，当有物体遮挡时，开关处于闭合状态。

2）常闭状态

常闭状态表示当无物体遮挡时，开关总是处于闭合状态，当有物体遮挡时，开关处于开路状态。

红外光电开关主要两部分组成，一部分为调制发射光束，为了区别接收的光束是器件本身所发而不是自然界的光，常采用调制的方法，使发出的光束在某个频率上。另一部分为接收解调电路，当有光线被反射回来时进行解调，如果为非自然界光则开关导通。光电开关的工作过程如图1-3所示。

图1-3 红外光电开关的工作过程

1.1.2 任务描述

工业生产中，有时需要对物料或者工件进行分拣。当两种物料的颜色不同时，就可以通过光电开关来实现分拣。

本任务主要通过红外漫反射式光电开关对黑色小球和白色小球的辨别，来模拟工业生产中的物料分拣过程。通过该任务的实施来了解该光电开关的工作原理，掌握如何测量该光电开关的输出信号。

1.1.3 任务分析

通过红外漫反射式光电开关、光电耦合器、电阻、发光二极管等元器件构建电路，实现任务要求，电路如图1-4所示。光电耦合器P521共有4个管脚，其中1、2脚为光电耦合器的输入端，3、4脚为光电耦合器的输出端。本任务所使用到的实训器材清单如表1-2所示。

图1-4 红外光电开关应用电路图

表1-2 实训器材清单表

1.1.4 任务实施

（1）将红外光电开关的棕色、蓝色引线分别接24V电源的正负极。

（2）将黑色小球置于光电开关前，用螺钉旋具调节光电开关上的灵敏度旋钮，直到光电开关自带的指示灯闪烁，然后继续微调使光电开关自带的指示灯刚刚熄灭。黑色物体对光的反射率低，白色物体对光的反射率高，将光电开关灵敏度调节到对黑色小球反射的光度以上，则检测不到黑色小球。

（3）按图1-4所示接好电路。

（4）用光电开关分别检测白色小球和黑色小球，观察发光二极管LED的亮灭。

1.1.5 任务表单

填写任务表单（见表1-3），查找相关资料，制定任务设计方案和实施方案，填写实施过程和检查评价结果。

表1-3 任务表单

1.1.6 考核标准

根据考核标准（见表1-4）对本任务实施进行综合评价，并进行任务总结，指导教师给出评价意见及评分。

表1-4 考核标准