光電傳感器

光電傳感器的寫法

光電傳感器介紹

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

構(gòu)成

光電開關(guān)是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(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，接收器和檢測電路。

發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(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，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。

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，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。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。

原理

光敏二極管是最常見的光傳感器。光電傳感器光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，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，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很?。ǎ?micro;A），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，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度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。

光電傳感器光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級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。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。纫话闳龢O管的穿透電流還?。划斢泄庹諘r，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見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

參考軸發(fā)送器和接收器（對射型光電傳感器），或者發(fā)送器和目標/反射板（反射型，反射板型光電傳感器）之間構(gòu)成的相對的理想軸線。在對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。反射板盲區(qū)光束在反射的過程中，有一段區(qū)域是不能識別反射板的區(qū)域，這段區(qū)域就是反射板的盲區(qū)。暗通（D.on）是指當接收裝置無光束射入時光電傳感器的開關(guān)接通；當反射型光電傳感器接收反射光束，如果無物體出現(xiàn)，則開關(guān)接通，而當有物體出現(xiàn)在光束射線的中間時，開關(guān)就斷開。亮動（L.on）是指當光學接收器受到光照的時候，傳感器的輸出接通。對射型和反射板型光電傳感器是在光線遮住的時候，輸出接通;反射型光電傳感器，是在目標足夠接近的時候，輸出接通。盲區(qū)是指反射型光電傳感器不能識別目標的范圍！

分類和工作方式

1、槽形光電開關(guān)把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。2、對射式光電開光若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。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被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。4、擴散反射式光電開關(guān)它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，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；當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)控制信號。用途廣泛的久茂光電傳感器系列：光電傳感器可用來進行非接觸測量，定位，分類和計數(shù)不同的物體，廣泛用于汽車，機械制造，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)到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導(dǎo)到光接收器就組成光纖式光電開關(guān)。按動作方式的不同，光纖式光電開關(guān)也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。

電磁兼容設(shè)計

引　言

廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的光電傳感器,一般是開關(guān)型的,被稱為光電開關(guān)。光電傳感器由投光器、受光器、集成電路、輸出電路等組成,屬弱電檢測傳感器。它容易受到強電設(shè)備的電磁干擾。它工作時,引起電磁輻射,形成電磁干擾。當動作頻率較高、多個傳感器相距較近時,儀器儀表、總線系統(tǒng)、計算機等弱電設(shè)備會受到強烈的干擾,傳感器本身也會受到強烈的干擾,此時電磁兼容問題顯得更突出。電磁兼容設(shè)計的目的,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行無接觸檢測。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作的主要因素之一。環(huán)境光、背景光和周圍其它光電傳感器發(fā)出的光是光干擾源。以紅外線為媒介進行檢測則可減小可見光的影響,紅外光也不影響可見光。紅外線光電傳感器可用濾光鏡濾去可見光。對于周圍環(huán)境其它光電傳感器的光干擾,可用外殼、套筒、夾縫來抑制[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)計得當,可使發(fā)出的光成為規(guī)則光束,而非散射狀,使用時又安裝得當,則投光器難成為光干擾源。傳感器設(shè)計時,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

光電傳感器通過高頻調(diào)制產(chǎn)生高頻電信號。在高頻下,一根導(dǎo)線等效為一個電感。因此,須盡可能縮短傳感器內(nèi)高頻線的長度。印制板跡線設(shè)計時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。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,則會向空間輻射磁場,也會接受空間的磁場。

圖中i為環(huán)路電流。設(shè)環(huán)路面積為S,電信號頻率為f,測量天線到輻射平面的距離為d,測量天線與印制板平面的夾角為θ,則測得電場強度為

此時為差模輻射。可通過減小環(huán)路面積S和環(huán)路電流i來減小差模輻射。共模輻射可用對地電壓激勵的、長度小于1/4波長的短單極天線來模擬。共模輻射的電場強度為

式中l(wèi)為短單極天線長度,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。

總的來說,印制板跡線長度宜短,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,CMOS邏輯電路抗擾度高達20[%]。低功耗器件發(fā)熱小,這有利于傳感器設(shè)計得更緊密,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電路,一般是無觸點開關(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,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)用來抑制晶閘管動作時產(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)展也促使二進制傳感器的智能化。AS-Interface是一個執(zhí)行器-傳感器-接口總線系統(tǒng)。AS-Interface總線系統(tǒng)最多可安裝248個二進制傳感器。AS-Interface芯片與光電傳感器配合,可使傳感器與AS-Interface總線相連。同一總線上,多個傳感器相互干擾的問題比較嚴重。這可在傳感器通信時,在信息中加入監(jiān)督碼元（冗余碼）進行抗干擾。如用00000、11111代替0、1。當收到10111,那可認為錯了一位,并自動糾正第二位。

電磁兼容試驗

電磁兼容設(shè)計靠電磁兼容試驗來驗證與改進?，F(xiàn)在,有了比較完善的電磁兼容試驗方法和專門的試驗設(shè)備。開關(guān)電器動作時,形成強烈的干擾,產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖。IEC61000-4-4標準對電快速瞬變脈沖干擾作出規(guī)定,分為單個脈沖、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。

單個脈沖和一群脈沖中單個脈沖的寬度要小于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)部采用小電容對瞬變脈沖濾波比較適應(yīng)。傳感器若受主機控制,則可在軟件中采用數(shù)字濾波、延時指令來抑制瞬變干擾。光電傳感器輻射敏感度試驗結(jié)果如表1所示。

結(jié)束語

采用以上設(shè)計后,光電傳感器既沒有干擾80C51單片機實驗系統(tǒng),也沒有干擾F-40M型PLC。它在斷路器嚴酷環(huán)境中能穩(wěn)定地工作。經(jīng)過電磁兼容設(shè)計,光電傳感器可靠性及質(zhì)量顯著提高。