漫反射式光电开关

定义与基本构成

漫反射式光电开关属于反射式光电开关的一种。它的发射器与接收器位于同一侧（通常封装在同一壳体内），发射光束经透镜聚焦后射向被测物表面，被测物表面把光向各个方向散射，其中一部分散射光沿返回路径经接收透镜落到光电接收元件上，接收电路据此输出开关信号。与需要另设反射板的反射板式不同，漫反射式不设专用反射目标，被测物本身就是反射目标。

工作原理

发射端发出调制光束，照射到被测物表面。粗糙表面使入射光发生漫反射（散射），散射光分布在很大的立体角范围内，只有落在接收透镜孔径内的那一小部分能被收集。接收元件把光功率转换为电流或电压，经放大、阈值比较后驱动输出级，得到“有物/无物”的开关量。

设发射光功率为 $P_e$，被测表面漫反射率为 $\rho$（，无单位），传感器到反射面的距离为 $d$（单位 m），接收透镜有效孔径面积为 $A_r$（单位 m²）。在朗伯散射近似下，接收到的光功率可写为

即回光功率与距离的平方成反比，同时正比于表面漫反射率和接收孔径。这就是“接收光强与距反射面距离有关”的定量来源。

距离特性与检测条件

由上式可知，距离 $d$ 增大时回光迅速减弱。因此存在一个最大检测距离：当 $P_r$ 降到接收阈值以下时，开关不再动作。检测能否成立取决于三个条件同时满足：

• 回光功率 $P_r$ 高于接收阈值；
• 被测表面的漫反射率 $\rho$ 足够高（深色、吸光、镜面或透明表面会显著削弱回光）；
• 被测物在有效光束范围内，且表面法线方向不使散射光过分偏离接收孔径。

镜面反射表面会把光主要反射到单一方向，若该方向不指向接收器，回光反而很弱，故漫反射式对镜面、抛光金属、透明薄膜等目标的检测并不可靠。

符号与单位

• $P_e$：发射光功率，W；
• $P_r$：接收光功率，W；
• $\rho$：表面漫反射率，无单位；
• $d$：传感器到反射面的距离，m；
• $A_r$：接收透镜有效孔径面积，m²。

典型应用

课件给出的典型应用包括：料位控制（监测容器内物料高度）、斜度检测（检测卷材在输送过程中的倾斜状态）、带材对中控制（监测带材边缘位置以纠偏）、缺料检测（检测输送带上是否存在物料）、裂缝检测（检测材料表面是否存在断裂）。这些应用的共同点是：被测物表面本身能提供足够的漫反射回光，且回光的有无或强弱变化对应被测量的状态变化。

适用范围

适用于被测物表面具有一定漫反射能力、距离在最大检测距离以内、且不需要专用反射板的场合。不适用于镜面、强吸光、透明或表面漫反射率过低的物体，也不适用于距离超出回光阈值范围的场合。

$1\mathrm{/}{d}^2$关系是固定散射方向分布与被照区域条件下的简化模型，近距光斑、目标大小和收发孔径均改变耦合，不能对所有漫反射开关或所有距离直接套用。