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揭秘生產(chǎn)線“眼睛”！光電開關(guān)如何實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)測速？

  • 時(shí)間：2025-07-10 10:37:07
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走在現(xiàn)代化工廠的車間里，你是否曾好奇： 那些高速運(yùn)轉(zhuǎn)的傳送帶上，一個(gè)個(gè)零件精準(zhǔn)抵達(dá)工位，分毫不差； 精密設(shè)備的馬達(dá)，每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度被實(shí)時(shí)掌控； 這一切精準(zhǔn)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控的背后，都離不開一雙不起眼卻異常銳利的“眼睛”——光電開關(guān)。今天我們就來揭秘這雙“工業(yè)之眼”如何捕捉速度的秘密！

一、 光電開關(guān)：看得見光的傳感器 光電開關(guān)，顧名思義，是一種利用光學(xué)原理進(jìn)行檢測的傳感器。它的核心由兩部分組成：

  1. 光發(fā)射器： 通常是一顆發(fā)光二極管（LED），負(fù)責(zé)發(fā)出特定波長的光，常見的有紅外線或可見紅光。
  2. 光接收器： 通常是一個(gè)光敏元件（如光敏三極管、光敏二極管），負(fù)責(zé)接收發(fā)射器發(fā)出的光信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號。

當(dāng)發(fā)射器發(fā)出的光束路徑暢通無阻地被接收器接收時(shí)，接收器輸出一種狀態(tài)（通常是“接通”或“斷開”信號）；當(dāng)有物體進(jìn)入探測區(qū)域，阻擋或改變了光束（如中斷光線、反射光線），導(dǎo)致接收器接收到的光量發(fā)生顯著變化時(shí)，接收器的輸出狀態(tài)就會發(fā)生跳變。這種“通”與“斷”的電信號變化，就是光電開關(guān)檢測到物體存在的根本標(biāo)志。

二、 兩種主流“眼神”，精準(zhǔn)鎖定目標(biāo) 光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)測速，核心在于它能精準(zhǔn)、快速地捕捉物體每次通過其感應(yīng)區(qū)域的時(shí)刻。依據(jù)其探測方式，主要分為兩大類，它們的工作策略略有不同：

  • 1. 擋光式 (對射式) 光電開關(guān)

  • 原理： 發(fā)射器和接收器面對面分離安裝在被測物體的兩側(cè)。工作時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光束直接對準(zhǔn)接收器。當(dāng)沒有任何物體阻擋時(shí)，光束暢通無阻，接收器接收到穩(wěn)定光信號。

  • 觸發(fā)時(shí)刻： 當(dāng)物體移動到發(fā)射器和接收器之間，完全或部分遮擋住光束時(shí)，接收器檢測到的光信號會急劇減弱甚至消失，引發(fā)輸出信號狀態(tài)跳變。這個(gè)跳變沿（從有光到無光，或反之）發(fā)生的精確時(shí)間點(diǎn)，就被記錄為該物體到達(dá)光束軸線的時(shí)刻。

  • 優(yōu)勢： 檢測距離遠(yuǎn)，精度高，不易受被測物體表面顏色、材質(zhì)、反光特性的影響，抗光干擾能力強(qiáng)。

  • 典型應(yīng)用： 傳送帶上的包裝盒計(jì)數(shù)、精確位置定位、高速旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量（軸上開槽或貼反光片）等。

    • 圖示化理解： 想象一條寬闊跑道，起點(diǎn)（發(fā)射器）的激光槍射向終點(diǎn)（接收器）的靶心。運(yùn)動員（被測物體）跑過跑道中點(diǎn)時(shí)恰好擋住激光束，靶心接收器立刻報(bào)告“光束中斷了！”——此刻就是運(yùn)動員精確經(jīng)過中點(diǎn)的時(shí)刻。

  • 2. 反射式光電開關(guān)

  • 原理： 發(fā)射器和接收器集成在同一個(gè)探頭內(nèi)。工作時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光束照射到前方一定距離的被測物體或預(yù)設(shè)的反射板上。光束遇到物體表面后發(fā)生反射，部分反射光被探頭內(nèi)的接收器接收。

  • 觸發(fā)時(shí)刻： 有兩種常見模式：

  • 漫反射式： 光束照射到被測物體漫反射表面，部分光線反射回接收器。當(dāng)物體進(jìn)入有效檢測距離范圍（反射光強(qiáng)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值）時(shí)，接收器輸出狀態(tài)跳變。 跳變時(shí)刻對應(yīng)物體到達(dá)該設(shè)定檢測距離的時(shí)刻。

  • 鏡反射式 / 回歸反射式： 需要配合專門的反光板（如角錐棱鏡反光鏡）。發(fā)射器發(fā)出的光束射向遠(yuǎn)處的反光板，反光板將光束原路高效反射回接收器。當(dāng)被測物體擋在探頭與反光板之間，中斷了光束路徑時(shí)，接收器因接收不到反射光而輸出狀態(tài)跳變。 跳變時(shí)刻對應(yīng)物體到達(dá)光束軸線的時(shí)刻。

  • 優(yōu)勢： 安裝方便（單側(cè)安裝即可）。

  • 挑戰(zhàn)： 漫反射式易受物體表面顏色、材質(zhì)、光潔度影響；抗環(huán)境光干擾要求更高；鏡反射檢測距離遠(yuǎn)但需配反光板。

  • 典型應(yīng)用： 自動門感應(yīng)、物料到位檢測（特別是空間受限無法安裝擋光式的場合）、傳送帶上某些特定位置的通過檢測（配合反光板使用）。

三、 從“一次遮擋”到“速度值”：核心原理剖析 光電開關(guān)本身輸出的，只是一個(gè)開關(guān)（ON/OFF）狀態(tài)信號，以及該信號跳變的時(shí)間點(diǎn)。它如何搖身一變，成為速度傳感器呢？奧妙就在于利用連續(xù)兩次檢測到物體通過的時(shí)間差。

  1. 核心公式：速度 (V) = 距離 (S) / 時(shí)間 (T)
  • S (位移)： 這是固定的已知值！指被測物體上兩個(gè)特征點(diǎn)之間預(yù)先設(shè)定的距離。這個(gè)特征點(diǎn)必須能被同一個(gè)或兩個(gè)光電開關(guān)識別。
  • T (時(shí)間間隔)： 這是測量的關(guān)鍵！指同一個(gè)特征點(diǎn)（或兩個(gè)關(guān)聯(lián)特征點(diǎn)）連續(xù)兩次被光電開關(guān)檢測到的時(shí)間差。
  1. 具體實(shí)現(xiàn)方式：

  • 方案一：單開關(guān) + 規(guī)則特征 當(dāng)被測物體上具有周期性、規(guī)則排列的物理特征時(shí)（例如旋轉(zhuǎn)軸上的凹槽、凸齒、均勻貼的反光片/吸光片，傳送帶上的等間距擋板，帶齒的齒輪），可以只使用一個(gè)光電開關(guān)。

  • 光電開關(guān)安裝固定，對準(zhǔn)特征點(diǎn)可能經(jīng)過的路徑。

  • 當(dāng)每個(gè)特征點(diǎn)（如齒輪的齒）經(jīng)過開關(guān)時(shí)，就會遮擋光束（擋光式）或反射光束（反射式），引起開關(guān)輸出一次脈沖信號。

  • 測量系統(tǒng)記錄下連續(xù)兩個(gè)脈沖信號上升沿（或下降沿）之間的時(shí)間間隔 T。這個(gè) T 就代表物體移動了一個(gè)齒距（或一個(gè)特征間隔）所需的時(shí)間。

  • 已知相鄰特征點(diǎn)的實(shí)際間距 S（即齒距或特征間隔）。

  • 計(jì)算速度： V = S / T。

    • 例如： 一個(gè)齒輪有 60 個(gè)齒（即 60 個(gè)特征），測量得到相鄰兩齒觸發(fā)開關(guān)的時(shí)間間隔 T = 0.01 秒，齒距 S = 10 mm。則齒輪圓周運(yùn)動的線速度 V = 10 mm / 0.01 s = 1000 mm/s = 1 m/s。旋轉(zhuǎn)角速度 ω = 2π / (T * 60⁄60) = 2π / T rad/s（簡化計(jì)算）。

  • 方案二：雙開關(guān) + 任意特征 當(dāng)被測物體表面沒有明顯規(guī)則周期性特征，或者需要測量的是物體本身的移動速度（而非其旋轉(zhuǎn)速度）時(shí)，可以使用兩個(gè)完全相同的、安裝間距固定的光電開關(guān)。

  • 兩個(gè)開關(guān)（A 和 B）沿著物體運(yùn)動方向安裝，它們檢測光束軸線之間的距離 **

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