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光電開關測速指南，工業場景下的高效速度測量利器

  • 時間：2025-07-25 03:37:28
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生產線上物體飛速移動，如何精確捕捉其速度？旋轉設備高速運轉，怎樣實時監控其轉速？光電開關，正是解決這類問題的關鍵傳感器。它憑借非接觸、響應快、精度高的特性，成為工業自動化領域測量線性速度和旋轉速度的得力工具。

一、 核心原理：光路通斷即信號

光電開關測速的本質是將物體的位移變化轉化為時間間隔的測量。其核心原理是光電效應：

  1. 發射與接收：開關的發射端發出調制紅外光或可見光光束。
  2. 遮擋/反射：當被測物體運動至光路中，會遮擋光束（對射型）或反射足夠強的光束（反射型，包括漫反射和鏡面反射/三角反射型）。
  3. 信號轉換：接收端檢測到光強的顯著變化（從有光到無光，或從無光到有光），內部的電路會產生一個高低電平躍變的電信號（通常是脈沖信號）。
  4. 時間測量：連續檢測物體通過產生的脈沖信號，計算相鄰脈沖之間的時間間隔或單位時間內的脈沖數量，即可推導出速度。

二、 關鍵前提：正確安裝與標記物體

成功測量速度，安裝與目標物體準備至關重要：

  1. 模式選擇：
  • 對射型: 精度最高，抗干擾能力最強。發射器與接收器嚴格對正安裝，距離需在額定檢測距離內。適用于測量規則物體邊緣（如傳送帶上的箱子邊緣）或有高精度要求的場合。
  • 反射型（常用鏡面反射/三角反射）：只需單側安裝。調整好開關與反光板的角度和距離，或確保物體表面反射性良好。安裝方便，適用于空間受限或不易安裝對射開關的場景。
  • 漫反射型：依賴物體自身反射率。穩定性相對較低，一般用于檢測物體存在性而非高精度測速。
  1. 標記物體/輪輻：
  • 線性速度測量：若被測物體表面均勻（如光滑傳送帶），需在被測物體上設置等間距的標記（如反光條、凹槽、凸塊）。
  • 旋轉速度測量：
  • 在旋轉軸或輪盤上安裝一個或多個反光片（反射型用）。
  • 在旋轉軸或輪盤上開一個或多個通孔或凹槽（對射型用）。
  • 利用轉軸/輪盤上固有的、均勻分布的齒或槽（如齒輪、鏈輪）直接作為遮擋物。

三、 速度計算：核心公式與應用

速度計算的核心在于 測量時間 (T) 和 已知距離 (S)：

  1. 線性速度 (V)：
  • 原理：測量相鄰兩個標記（或物體邊緣）通過光電開關的時間間隔 T（秒），或單位時間 t（秒）內通過的標記數量 N。
  • 公式 (單個標記間隔)： V = S / T （V: 線速度，單位 m/s 或 mm/s；S: 相鄰兩標記間的實際距離，單位 m 或 mm；T: 測得的兩脈沖上升沿/下降沿之間的時間間隔，單位 s）。
  • 公式 (單位時間計數)： V = (S * N) / t （V: 線速度；S: 一個標記間距；N: 在時間 t 內計數的脈沖數；t: 采樣時間）。
  • 示例：傳送帶上每兩個箱子間隔固定為 0.5 米 (S=0.5m)。光電開關檢測到連續兩個箱子邊緣通過的時間差為 1 秒 (T=1s)。則傳送帶速度 V = S / T = 0.5 m / 1 s = 0.5 m/s。
  1. 旋轉速度 (n - 轉速)：
  • 原理：測量旋轉體每轉一圈產生的脈沖數量 K（即標記數量，如幾個反光片、幾個齒）和相鄰脈沖的時間間隔 T（秒），或單位時間 t（秒）內產生的總脈沖數 N。
  • 公式 (單位時間計數)： n = (N / K) * (60 / t) （n: 轉速，單位 RPM - 轉/分鐘；N: 在時間 t（秒）內計數的總脈沖數；K: 旋轉體每轉一圈產生的脈沖數（標記數量）；t: 采樣時間，單位秒）。乘以 60 是為了將秒轉換為分鐘。
  • 公式 (單個脈沖間隔)： n = 60 / (T * K) （n: 轉速 RPM；T: 測得的兩相鄰脈沖上升沿/下降沿之間的時間間隔（秒）；K: 每轉脈沖數）。
  • 示例：一個轉盤邊緣均勻貼有 4 個反光片 (K=4)。光電開關在 5 秒 (t=5s) 內共檢測到 100 個脈沖 (N=100)。則轉速 n = (100 / 4) * (60 / 5) = 25 * 12 = 300 RPM。

四、 精度提升：關鍵技巧與實踐經驗

想要獲得穩定可靠的速度數據，還需注意以下優化方向：

  1. 提高時間分辨率：使用高速計數器或具備高時間分辨率的 PLC/專用測速模塊。T 測量得越精確，速度計算誤差越小。
  2. 優化采樣周期/時間：對于變化的速度，需根據實際波動情況選擇合適的計算周期或采樣時間 (t)。過短可能波動劇烈，過長則響應遲鈍。
  3. 穩定信號質量：
  • 確保光路穩定可靠，避免震動導致錯位。
  • 設置合適的響應時間，既能跟上速度變化，又能濾除高頻干擾抖動。
  • 必要時在光電開關輸出端或 PLC 輸入端增加信號濾波電路或軟件濾波算法（如移動平均、低通濾波）。
  • 對于反射型，保證反光板和標記清潔；對于對射型，防止灰塵遮擋透鏡。
  1. 精確測量 S 和確定 K：標記間距離 S（線性速度）或每轉脈沖數 K（旋轉速度）是基礎物理量，必須準確測量和設定。
  2. 選擇高速響應光電開關：被測速度越高，要求光電開關的響應時間 (如 0.1ms, 1ms) 越短，否則無法分辨快速變化或高速物體的脈沖。

掌握光電開關測速的關鍵在于理解其 “光通斷 = 脈沖信號” 的本質，精確測量時間間隔或脈沖頻率，并結合已知的標記間距或每轉脈沖數進行換算。 正確選型、精心安裝、優化信號處理是獲得可靠速度數據的基礎。從傳送帶上的包裹到高速旋轉的電機主軸，這項技術為現代工業自動化提供了核心的速度感知能力，驅動著效率與

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