光電傳感器

光電傳感器的寫(xiě)法

光電傳感器介紹

光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。早期的用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)的光電傳感器．光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈做為光源。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。

構(gòu)成

光電開(kāi)關(guān)是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。

光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器，接收器和檢測(cè)電路。

發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。

此外，光電傳感器的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。

三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的反射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線(xiàn)，經(jīng)過(guò)反射后，還是從這根反射線(xiàn)返回。

光纖（又稱(chēng)光導(dǎo)纖維LWL），它擴(kuò)大了光電傳感器的使用范圍，形成了特殊的嵌裝式收發(fā)裝置。它可以在特殊的環(huán)境中使用，檢測(cè)微小的物體。它在非常高的外界溫度中，在結(jié)構(gòu)受限制的環(huán)境里，都可以獲得滿(mǎn)意的答案。

原理

光敏二極管是最常見(jiàn)的光傳感器。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線(xiàn)射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很?。ǎ?micro;A），稱(chēng)為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱(chēng)為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱(chēng)為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。

光電傳感器光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開(kāi)窗口，以便光線(xiàn)射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還小；當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過(guò)管子的電流稱(chēng)為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見(jiàn)光電傳感器光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。

術(shù)語(yǔ)

參考軸發(fā)送器和接收器（對(duì)射型光電傳感器），或者發(fā)送器和目標(biāo)/反射板（反射型，反射板型光電傳感器）之間構(gòu)成的相對(duì)的理想軸線(xiàn)。在對(duì)射型光電傳感器的情況下，參考軸就是透鏡的光軸。在反射型和反射板型光電傳感器的情況下，參考軸就是發(fā)送器和接收器透鏡的光軸之間的中線(xiàn)。反射板盲區(qū)光束在反射的過(guò)程中，有一段區(qū)域是不能識(shí)別反射板的區(qū)域，這段區(qū)域就是反射板的盲區(qū)。暗通（D.on）是指當(dāng)接收裝置無(wú)光束射入時(shí)光電傳感器的開(kāi)關(guān)接通；當(dāng)反射型光電傳感器接收反射光束，如果無(wú)物體出現(xiàn)，則開(kāi)關(guān)接通，而當(dāng)有物體出現(xiàn)在光束射線(xiàn)的中間時(shí)，開(kāi)關(guān)就斷開(kāi)。亮動(dòng)（L.on）是指當(dāng)光學(xué)接收器受到光照的時(shí)候，傳感器的輸出接通。對(duì)射型和反射板型光電傳感器是在光線(xiàn)遮住的時(shí)候，輸出接通;反射型光電傳感器，是在目標(biāo)足夠接近的時(shí)候，輸出接通。盲區(qū)是指反射型光電傳感器不能識(shí)別目標(biāo)的范圍！

分類(lèi)和工作方式

1、槽形光電開(kāi)關(guān)把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。2、對(duì)射式光電開(kāi)光若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱(chēng)為以射分離式光電開(kāi)光，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。3、反光板反射式光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱(chēng)為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開(kāi)關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到；一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。4、擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。用途廣泛的久茂光電傳感器系列：光電傳感器可用來(lái)進(jìn)行非接觸測(cè)量，定位，分類(lèi)和計(jì)數(shù)不同的物體，廣泛用于汽車(chē)，機(jī)械制造，物流控制，印刷包裝及門(mén)控行業(yè)。而久茂提供有齊全的光電產(chǎn)品系列用于此類(lèi)場(chǎng)合。5、光纖式光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導(dǎo)到檢測(cè)點(diǎn)，再把檢測(cè)到的光信號(hào)用光纖引導(dǎo)到光接收器就組成光纖式光電開(kāi)關(guān)。按動(dòng)作方式的不同，光纖式光電開(kāi)關(guān)也可分成對(duì)射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式等多種類(lèi)型。

電磁兼容設(shè)計(jì)

引　言

廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的光電傳感器,一般是開(kāi)關(guān)型的,被稱(chēng)為光電開(kāi)關(guān)。光電傳感器由投光器、受光器、集成電路、輸出電路等組成,屬弱電檢測(cè)傳感器。它容易受到強(qiáng)電設(shè)備的電磁干擾。它工作時(shí),引起電磁輻射,形成電磁干擾。當(dāng)動(dòng)作頻率較高、多個(gè)傳感器相距較近時(shí),儀器儀表、總線(xiàn)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾,傳感器本身也會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾,此時(shí)電磁兼容問(wèn)題顯得更突出。電磁兼容設(shè)計(jì)的目的,一是使傳感器本身在電磁環(huán)境中能正常工作,避免出現(xiàn)誤動(dòng)作,二是避免傳感器成為電磁干擾源。

光干擾的抑制

光電傳感器以光為媒介進(jìn)行無(wú)接觸檢測(cè)。光是一種頻率很高的電磁波[1]。光干擾也算是一種電磁干擾,光干擾是傳感器誤動(dòng)作的主要因素之一。環(huán)境光、背景光和周?chē)渌怆妭鞲衅靼l(fā)出的光是光干擾源。以紅外線(xiàn)為媒介進(jìn)行檢測(cè)則可減小可見(jiàn)光的影響,紅外光也不影響可見(jiàn)光。紅外線(xiàn)光電傳感器可用濾光鏡濾去可見(jiàn)光。對(duì)于周?chē)h(huán)境其它光電傳感器的光干擾,可用外殼、套筒、夾縫來(lái)抑制[2]。圖1是一種受光器結(jié)構(gòu)圖。

投光器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得當(dāng),可使發(fā)出的光成為規(guī)則光束,而非散射狀,使用時(shí)又安裝得當(dāng),則投光器難成為光干擾源。傳感器設(shè)計(jì)時(shí),采用偏振光及高頻調(diào)制的脈沖光,采用同步檢波方式,都有利于抑制光干擾。

電路板電磁兼容

光電傳感器通過(guò)高頻調(diào)制產(chǎn)生高頻電信號(hào)。在高頻下,一根導(dǎo)線(xiàn)等效為一個(gè)電感。因此,須盡可能縮短傳感器內(nèi)高頻線(xiàn)的長(zhǎng)度。印制板跡線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮盡可能減小電磁輻射。跡線(xiàn)輻射比集成電路輻射要強(qiáng)。跡線(xiàn)如構(gòu)成如圖2所示的大小相等、方向相反的電流環(huán)路,則會(huì)向空間輻射磁場(chǎng),也會(huì)接受空間的磁場(chǎng)。

圖中i為環(huán)路電流。設(shè)環(huán)路面積為S,電信號(hào)頻率為f,測(cè)量天線(xiàn)到輻射平面的距離為d,測(cè)量天線(xiàn)與印制板平面的夾角為θ,則測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度為

此時(shí)為差模輻射。可通過(guò)減小環(huán)路面積S和環(huán)路電流i來(lái)減小差模輻射。共模輻射可用對(duì)地電壓激勵(lì)的、長(zhǎng)度小于1/4波長(zhǎng)的短單極天線(xiàn)來(lái)模擬。共模輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為

式中l(wèi)為短單極天線(xiàn)長(zhǎng)度,共模電壓轉(zhuǎn)換成了差模電流i。減小地電壓和將差模電流旁路到地可減小共模輻射。

總的來(lái)說(shuō),印制板跡線(xiàn)長(zhǎng)度宜短,宜增加寬度,但不宜突然增寬,不宜突然拐彎。盡可能增大地線(xiàn)面積以減小地線(xiàn)阻抗。高頻信號(hào)線(xiàn)、電源線(xiàn)應(yīng)盡可能平行地靠近地線(xiàn)。傳感器應(yīng)選用低功耗器件,如CMOS集成電路。CMOS器件抗干擾能力強(qiáng),CMOS邏輯電路抗擾度高達(dá)20[%]。低功耗器件發(fā)熱小,這有利于傳感器設(shè)計(jì)得更緊密,有利于傳感器穩(wěn)定工作。

輸出電路電磁兼容

輸出電路是傳感器的末級(jí)電路,一般是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路。常用輸出元件有三極管和晶閘管。三極管狀態(tài)改變時(shí),引起電磁輻射。在三極管集電極與發(fā)射極之間并接RC吸收電路,用電感L來(lái)抑制di/dt,就可減小電磁輻射的能量[4],如圖3所示。

輸出電路電磁兼容設(shè)計(jì)的另一種方法是屏蔽。圖4中,晶閘管被屏蔽,LC濾波網(wǎng)絡(luò)用來(lái)抑制晶閘管動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的浪涌。濾波網(wǎng)絡(luò)與屏蔽罩均接地。

抗干擾編碼

現(xiàn)在,通信、接口、總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也促使二進(jìn)制傳感器的智能化。AS-Interface是一個(gè)執(zhí)行器-傳感器-接口總線(xiàn)系統(tǒng)。AS-Interface總線(xiàn)系統(tǒng)最多可安裝248個(gè)二進(jìn)制傳感器。AS-Interface芯片與光電傳感器配合,可使傳感器與AS-Interface總線(xiàn)相連。同一總線(xiàn)上,多個(gè)傳感器相互干擾的問(wèn)題比較嚴(yán)重。這可在傳感器通信時(shí),在信息中加入監(jiān)督碼元（冗余碼）進(jìn)行抗干擾。如用00000、11111代替0、1。當(dāng)收到10111,那可認(rèn)為錯(cuò)了一位,并自動(dòng)糾正第二位。

電磁兼容試驗(yàn)

電磁兼容設(shè)計(jì)靠電磁兼容試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證與改進(jìn)?，F(xiàn)在,有了比較完善的電磁兼容試驗(yàn)方法和專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)設(shè)備。開(kāi)關(guān)電器動(dòng)作時(shí),形成強(qiáng)烈的干擾,產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖。IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電快速瞬變脈沖干擾作出規(guī)定,分為單個(gè)脈沖、一群脈沖、脈沖群。脈沖群波形如圖5所示,周期為300ms,脈沖束寬度為15ms。

單個(gè)脈沖和一群脈沖中單個(gè)脈沖的寬度要小于15ms。IEC1024規(guī)定的雷電模擬脈沖的寬度也要小于15ms。光電傳感器內(nèi)部采用小電容對(duì)瞬變脈沖濾波比較適應(yīng)。傳感器若受主機(jī)控制,則可在軟件中采用數(shù)字濾波、延時(shí)指令來(lái)抑制瞬變干擾。光電傳感器輻射敏感度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

結(jié)束語(yǔ)

采用以上設(shè)計(jì)后,光電傳感器既沒(méi)有干擾80C51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),也沒(méi)有干擾F-40M型PLC。它在斷路器嚴(yán)酷環(huán)境中能穩(wěn)定地工作。經(jīng)過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì),光電傳感器可靠性及質(zhì)量顯著提高。