任務1 測量紅外光電開關

1.1.1 相關知識

1. 光電效應

當光照射在某些物體上時，光能量作用于被測物體而釋放出電子，即物體吸收具有一定能量的光子后所產生的電效應，這就是光電效應。光電效應中所釋放出的電子叫光電子，能產生光電效應的敏感材料稱為光電材料。

光電式傳感器通常就是指能敏感檢測到由紫外線到紅外線的光能，并能將光能轉變成電信號的器件。其工作原理是一些物質的光電效應。由于被光照射的物體材料不同，所產生的光電效應也不同，通常光照射到物體表面后產生的光電效應有兩類：

1）外光電效應

當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現象稱為外光電效應。也就是說，外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現象。根據外光電效應制作的光電器件有光電管和光電倍增管。

2）內光電效應

內光電效應是指物體受到光照后所產生的光電子只在物體內部運動，而不會逸出物體的現象。內光電效應多發生于半導體內，可分為因光照引起半導體電阻率變化的光電導效應和因光照產生電動勢的光生伏特效應兩種。

（1）光電導效應。物體在入射光能量的激發下，其內部產生光生載流子（電子-空穴對），使物體中載流子數量顯著增加而電阻減小的現象。這種效應在大多數半導體和絕緣體中都存在，單金屬因電子能態不同，不會產生光電導效應。

（2）光生伏特效應。光照在半導體中激發出的光電子和空穴在空間分開而產生電位差的現象，是將光能變為電能的一種效應。光照在半導體PN結或金屬-半導體接觸面上時，在PN結或金屬-半導體接觸面的兩側會產生光生電動勢，這是因為PN結或金屬-半導體接觸面因材料不同質或不均勻而存在內建電場，半導體受光照激發產生的電子或空穴堆在內建電場的作用下向反方向移動和積累，從而產生電位差。

2. 光電開關

光電開關是利用物體對光束的遮擋或反射來檢測物體的有無，從而實現控制的一種電子開關。光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。光電開關主要有對射式、鏡反射式、漫反射式、槽式、光纖式幾種，工作原理如圖1-1所示。

（a）對射式光電開關 

（b）鏡反射式光電開關

（c）漫反射式光電開關 

 （d）槽式光電開關

圖1-1 各種光電開關工作原理示意圖

3. 紅外漫反射式光電開關

紅外漫反射式光電開關是一種具有開關量輸出的位移傳感器，輸出具有NPN、PNP、常開、常閉及繼電器等類型，可檢測金屬（如鋼、鐵、銅）、塑料、玻璃、木頭、水、紙、磁鐵等透明和不透明物體，可與單片機、PLC、伺服控制器、變頻器、計算機相連接達到自動輸入信號的目的，可以廣泛應用于機械、紡織、輕工造紙、印刷、包裝等行業。

紅外漫反射式光電開關的實物圖及接線圖如圖1-2所示，它是一種三線制的紅外光電傳感器，具體參數如表1-1所示。

（a）實物圖 

（b）接線圖

圖1-2  紅外漫反射式光電開關照片圖

表1-1 紅外漫反射式光電開關參數表

紅外漫反射式光電傳感器的三線分別為電源正極、信號線、電源負極，其中電源正極的顏色為棕色，信號線的顏色為黑色，地線的顏色為藍色。

紅外漫反射式光電傳感器的動作狀態分為常開和常閉：

1）常開狀態

常開狀態表示當無物體遮擋時，開關總是處于開路狀態，當有物體遮擋時，開關處于閉合狀態。

2）常閉狀態

常閉狀態表示當無物體遮擋時，開關總是處于閉合狀態，當有物體遮擋時，開關處于開路狀態。

紅外光電開關主要兩部分組成，一部分為調制發射光束，為了區別接收的光束是器件本身所發而不是自然界的光，常采用調制的方法，使發出的光束在某個頻率上。另一部分為接收解調電路，當有光線被反射回來時進行解調，如果為非自然界光則開關導通。光電開關的工作過程如圖1-3所示。

圖1-3 紅外光電開關的工作過程

1.1.2 任務描述

工業生產中，有時需要對物料或者工件進行分揀。當兩種物料的顏色不同時，就可以通過光電開關來實現分揀。

本任務主要通過紅外漫反射式光電開關對黑色小球和白色小球的辨別，來模擬工業生產中的物料分揀過程。通過該任務的實施來了解該光電開關的工作原理，掌握如何測量該光電開關的輸出信號。

1.1.3 任務分析

通過紅外漫反射式光電開關、光電耦合器、電阻、發光二極管等元器件構建電路，實現任務要求，電路如圖1-4所示。光電耦合器P521共有4個管腳，其中1、2腳為光電耦合器的輸入端，3、4腳為光電耦合器的輸出端。本任務所使用到的實訓器材清單如表1-2所示。

圖1-4 紅外光電開關應用電路圖

表1-2 實訓器材清單表

1.1.4 任務實施

（1）將紅外光電開關的棕色、藍色引線分別接24V電源的正負極。

（2）將黑色小球置于光電開關前，用螺釘旋具調節光電開關上的靈敏度旋鈕，直到光電開關自帶的指示燈閃爍，然后繼續微調使光電開關自帶的指示燈剛剛熄滅。黑色物體對光的反射率低，白色物體對光的反射率高，將光電開關靈敏度調節到對黑色小球反射的光度以上，則檢測不到黑色小球。

（3）按圖1-4所示接好電路。

（4）用光電開關分別檢測白色小球和黑色小球，觀察發光二極管LED的亮滅。

1.1.5 任務表單

填寫任務表單（見表1-3），查找相關資料，制定任務設計方案和實施方案，填寫實施過程和檢查評價結果。

表1-3 任務表單

1.1.6 考核標準

根據考核標準（見表1-4）對本任務實施進行綜合評價，并進行任務總結，指導教師給出評價意見及評分。

表1-4 考核標準