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技術(shù)文章

光電傳感器

閱讀:130          發(fā)布時(shí)間:2015-5-11

光電傳感器

光電傳感器的構(gòu)成

  •   光電開關(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,,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,經(jīng)過(guò)反射后,,還是從這根反射線返回,。

      光纖(又稱光導(dǎo)纖維LWL),它擴(kuò)大了的使用范圍,,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,都可以獲得滿意的答案,。

 工作原理

  •   光敏二極管是zui常見的光傳感器,。光敏二極管的外型與一般二極管一樣,只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口,,以便于光線射入,,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,,反向電流很小(<µA),,稱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,,管殼同樣開窗口,,以便光線射入。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)管子的電流稱為光電流,,集電極電流Ic=(1+β)Ib,可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度,。

專業(yè)術(shù)語(yǔ)

  •   參考軸

      發(fā)送器和接收器(對(duì)射型),,或者發(fā)送器和目標(biāo)/反射板(反射型,反射板型)之間構(gòu)成的相對(duì)的理想軸線,。在對(duì)射型的情況下,,參考軸就是透鏡的光軸。在反射型和反射板型的情況下,,參考軸就是發(fā)送器和接收器透鏡的光軸之間的中線,。

      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)的開關(guān)接通;當(dāng)反射型接收反射光束,,如果無(wú)物體出現(xiàn),,則開關(guān)接通,而當(dāng)有物體出現(xiàn)在光束射線的中間時(shí),開關(guān)就斷開,。

      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)射型和反射板型是在光線遮住的時(shí)候,,輸出接通;反射型,是在目標(biāo)足夠接近的時(shí)候,,輸出接通,。

      盲區(qū)

      是指反射型不能識(shí)別目標(biāo)的范圍!

分類和工作方式

  •   1. 槽形光電開關(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,,光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(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)射式光電開光

      若把發(fā)光器和收光器分離開,,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關(guān)就稱為以射分離式光電開光,,簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開關(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)開關(guān)控制信號(hào)。

      3. 反光板反射式光電開關(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為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(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),,光電開關(guān)就動(dòng)作,,輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

      4. 擴(kuò)散反射式光電開關(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)開關(guān)控制信號(hào)。

      用途廣泛的久茂系列:

      可用來(lái)進(jìn)行非接觸測(cè)量,,定位,,分類和計(jì)數(shù)不同的物體,廣泛用于汽車,,機(jī)械制造,,物流控制,印刷包裝及門控行業(yè),。而久茂提供有齊全的光電產(chǎn)品系列用于此類場(chǎng)合,。

      5. 光纖式光電開關(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關(guān),。按動(dòng)作方式的不同,,光纖式光電開關(guān)也可分成對(duì)射式、反光板反射式,、擴(kuò)散反射式等多種類型,。

的電磁兼容設(shè)計(jì)

  • 引 言

      廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的,一般是開關(guān)型的,被稱為光電開關(guān)。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

      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、背景光和周圍其它發(fā)出的光是光干擾源,。以紅外線為媒介進(jìn)行檢測(cè)則可減小可見光的影響,紅外光也不影響可見光,。紅外線可用濾光鏡濾去可見光。對(duì)于周圍環(huán)境其它的光干擾, 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

      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)線等效為一個(gè)電感,。因此,須盡可能縮短傳感器內(nèi)高頻線的長(zhǎng)度,。印制板跡線設(shè)計(jì)時(shí)要考慮盡可能減小電磁輻射。跡線輻射比集成電路輻射要強(qiáng),。跡線如構(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)量天線到輻射平面的距離為d ,測(cè)量天線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??赏ㄟ^(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,。盡可能增大地線面積以減小地線阻抗,。高頻信號(hào)線、電源線應(yīng)盡可能平行地靠近地線,。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d i/ d t , 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- 接口總線系統(tǒng)。AS-Interface 總線系統(tǒng)zui多可安裝248 個(gè)二進(jìn)制傳感器,。AS-Interface 芯片與配合,可使傳感器與AS-Interface 總線相連,。同一總線上,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)方法和專門的試驗(yàn)設(shè)備。開關(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300 ms , 脈沖束寬度為15 ms,。


      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15 ms,。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,。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, 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),可靠性及質(zhì)量顯著提高,。


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