揭秘生产线“眼睛”！光电开关如何实现高速精准测速？

• 时间：2025-07-10 10:37:07
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走在现代化工厂的车间里，你是否曾好奇： 那些高速运转的传送带上，一个个零件精准抵达工位，分毫不差； 精密设备的马达，每分钟数千转的速度被实时掌控； 这一切精准控制和实时监控的背后，都离不开一双不起眼却异常锐利的“眼睛”——光电开关。今天我们就来揭秘这双“工业之眼”如何捕捉速度的秘密！

一、 光电开关：看得见光的传感器 光电开关，顾名思义，是一种利用光学原理进行检测的传感器。它的核心由两部分组成：

1. 光发射器： 通常是一颗发光二极管（LED），负责发出特定波长的光，常见的有红外线或可见红光。
2. 光接收器： 通常是一个光敏元件（如光敏三极管、光敏二极管），负责接收发射器发出的光信号并将其转换成电信号。

当发射器发出的光束路径畅通无阻地被接收器接收时，接收器输出一种状态（通常是“接通”或“断开”信号）；当有物体进入探测区域，阻挡或改变了光束（如中断光线、反射光线），导致接收器接收到的光量发生显著变化时，接收器的输出状态就会发生跳变。这种“通”与“断”的电信号变化，就是光电开关检测到物体存在的根本标志。

二、 两种主流“眼神”，精准锁定目标 光电开关实现测速，核心在于它能精准、快速地捕捉物体每次通过其感应区域的时刻。依据其探测方式，主要分为两大类，它们的工作策略略有不同：

• 1. 挡光式 (对射式) 光电开关

• 原理： 发射器和接收器面对面分离安装在被测物体的两侧。工作时，发射器发出的光束直接对准接收器。当没有任何物体阻挡时，光束畅通无阻，接收器接收到稳定光信号。

• 触发时刻： 当物体移动到发射器和接收器之间，完全或部分遮挡住光束时，接收器检测到的光信号会急剧减弱甚至消失，引发输出信号状态跳变。这个跳变沿（从有光到无光，或反之）发生的精确时间点，就被记录为该物体到达光束轴线的时刻。

• 优势： 检测距离远，精度高，不易受被测物体表面颜色、材质、反光特性的影响，抗光干扰能力强。

• 典型应用： 传送带上的包装盒计数、精确位置定位、高速旋转轴的转速测量（轴上开槽或贴反光片）等。

• • 图示化理解： 想象一条宽阔跑道，起点（发射器）的激光枪射向终点（接收器）的靶心。运动员（被测物体）跑过跑道中点时恰好挡住激光束，靶心接收器立刻报告“光束中断了！”——此刻就是运动员精确经过中点的时刻。

• 2. 反射式光电开关

• 原理： 发射器和接收器集成在同一个探头内。工作时，发射器发出的光束照射到前方一定距离的被测物体或预设的反射板上。光束遇到物体表面后发生反射，部分反射光被探头内的接收器接收。

• 触发时刻： 有两种常见模式：

• 漫反射式： 光束照射到被测物体漫反射表面，部分光线反射回接收器。当物体进入有效检测距离范围（反射光强达到预设阈值）时，接收器输出状态跳变。 跳变时刻对应物体到达该设定检测距离的时刻。

• 镜反射式 / 回归反射式： 需要配合专门的反光板（如角锥棱镜反光镜）。发射器发出的光束射向远处的反光板，反光板将光束原路高效反射回接收器。当被测物体挡在探头与反光板之间，中断了光束路径时，接收器因接收不到反射光而输出状态跳变。 跳变时刻对应物体到达光束轴线的时刻。

• 优势： 安装方便（单侧安装即可）。

• 挑战： 漫反射式易受物体表面颜色、材质、光洁度影响；抗环境光干扰要求更高；镜反射检测距离远但需配反光板。

• 典型应用： 自动门感应、物料到位检测（特别是空间受限无法安装挡光式的场合）、传送带上某些特定位置的通过检测（配合反光板使用）。

三、 从“一次遮挡”到“速度值”：核心原理剖析 光电开关本身输出的，只是一个开关（ON/OFF）状态信号，以及该信号跳变的时间点。它如何摇身一变，成为速度传感器呢？奥妙就在于利用连续两次检测到物体通过的时间差。

1. 核心公式：速度 (V) = 距离 (S) / 时间 (T)

• S (位移)： 这是固定的已知值！指被测物体上两个特征点之间预先设定的距离。这个特征点必须能被同一个或两个光电开关识别。
• T (时间间隔)： 这是测量的关键！指同一个特征点（或两个关联特征点）连续两次被光电开关检测到的时间差。

1. 具体实现方式：

• 方案一：单开关 + 规则特征 当被测物体上具有周期性、规则排列的物理特征时（例如旋转轴上的凹槽、凸齿、均匀贴的反光片/吸光片，传送带上的等间距挡板，带齿的齿轮），可以只使用一个光电开关。

• 光电开关安装固定，对准特征点可能经过的路径。

• 当每个特征点（如齿轮的齿）经过开关时，就会遮挡光束（挡光式）或反射光束（反射式），引起开关输出一次脉冲信号。

• 测量系统记录下连续两个脉冲信号上升沿（或下降沿）之间的时间间隔 T。这个 T 就代表物体移动了一个齿距（或一个特征间隔）所需的时间。

• 已知相邻特征点的实际间距 S（即齿距或特征间隔）。

• 计算速度： V = S / T。

• • 例如： 一个齿轮有 60 个齿（即 60 个特征），测量得到相邻两齿触发开关的时间间隔 T = 0.01 秒，齿距 S = 10 mm。则齿轮圆周运动的线速度 V = 10 mm / 0.01 s = 1000 mm/s = 1 m/s。旋转角速度 ω = 2π / (T * ⁶⁰⁄₆₀) = 2π / T rad/s（简化计算）。

• 方案二：双开关 + 任意特征 当被测物体表面没有明显规则周期性特征，或者需要测量的是物体本身的移动速度（而非其旋转速度）时，可以使用两个完全相同的、安装间距固定的光电开关。

• 两个开关（A 和 B）沿着物体运动方向安装，它们检测光束轴线之间的距离 **