光电传感器

光电传感器的写法

光电传感器介绍

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器．光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

构成

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。

原理

光敏二极管是最常见的光传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光电传感器光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电传感器光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

术语

参考轴发送器和接收器（对射型光电传感器），或者发送器和目标/反射板（反射型，反射板型光电传感器）之间构成的相对的理想轴线。在对射型光电传感器的情况下，参考轴就是透镜的光轴。在反射型和反射板型光电传感器的情况下，参考轴就是发送器和接收器透镜的光轴之间的中线。反射板盲区光束在反射的过程中，有一段区域是不能识别反射板的区域，这段区域就是反射板的盲区。暗通（D.on）是指当接收装置无光束射入时光电传感器的开关接通；当反射型光电传感器接收反射光束，如果无物体出现，则开关接通，而当有物体出现在光束射线的中间时，开关就断开。亮动（L.on）是指当光学接收器受到光照的时候，传感器的输出接通。对射型和反射板型光电传感器是在光线遮住的时候，输出接通;反射型光电传感器，是在目标足够接近的时候，输出接通。盲区是指反射型光电传感器不能识别目标的范围！

分类和工作方式

1、槽形光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。2、对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。3、反光板反射式光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。4、扩散反射式光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。用途广泛的久茂光电传感器系列：光电传感器可用来进行非接触测量，定位，分类和计数不同的物体，广泛用于汽车，机械制造，物流控制，印刷包装及门控行业。而久茂提供有齐全的光电产品系列用于此类场合。5、光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。

电磁兼容设计

引　言

广泛应用于工业自动化领域的光电传感器,一般是开关型的,被称为光电开关。光电传感器由投光器、受光器、集成电路、输出电路等组成,属弱电检测传感器。它容易受到强电设备的电磁干扰。它工作时,引起电磁辐射,形成电磁干扰。当动作频率较高、多个传感器相距较近时,仪器仪表、总线系统、计算机等弱电设备会受到强烈的干扰,传感器本身也会受到强烈的干扰,此时电磁兼容问题显得更突出。电磁兼容设计的目的,一是使传感器本身在电磁环境中能正常工作,避免出现误动作,二是避免传感器成为电磁干扰源。

光干扰的抑制

光电传感器以光为媒介进行无接触检测。光是一种频率很高的电磁波[1]。光干扰也算是一种电磁干扰,光干扰是传感器误动作的主要因素之一。环境光、背景光和周围其它光电传感器发出的光是光干扰源。以红外线为媒介进行检测则可减小可见光的影响,红外光也不影响可见光。红外线光电传感器可用滤光镜滤去可见光。对于周围环境其它光电传感器的光干扰,可用外壳、套筒、夹缝来抑制[2]。图1是一种受光器结构图。

投光器外壳结构设计得当,可使发出的光成为规则光束,而非散射状,使用时又安装得当,则投光器难成为光干扰源。传感器设计时,采用偏振光及高频调制的脉冲光,采用同步检波方式,都有利于抑制光干扰。

电路板电磁兼容

光电传感器通过高频调制产生高频电信号。在高频下,一根导线等效为一个电感。因此,须尽可能缩短传感器内高频线的长度。印制板迹线设计时要考虑尽可能减小电磁辐射。迹线辐射比集成电路辐射要强。迹线如构成如图2所示的大小相等、方向相反的电流环路,则会向空间辐射磁场,也会接受空间的磁场。

图中i为环路电流。设环路面积为S,电信号频率为f,测量天线到辐射平面的距离为d,测量天线与印制板平面的夹角为θ,则测得电场强度为

此时为差模辐射。可通过减小环路面积S和环路电流i来减小差模辐射。共模辐射可用对地电压激励的、长度小于1/4波长的短单极天线来模拟。共模辐射的电场强度为

式中l为短单极天线长度,共模电压转换成了差模电流i。减小地电压和将差模电流旁路到地可减小共模辐射。

总的来说,印制板迹线长度宜短,宜增加宽度,但不宜突然增宽,不宜突然拐弯。尽可能增大地线面积以减小地线阻抗。高频信号线、电源线应尽可能平行地靠近地线。传感器应选用低功耗器件,如CMOS集成电路。CMOS器件抗干扰能力强,CMOS逻辑电路抗扰度高达20[%]。低功耗器件发热小,这有利于传感器设计得更紧密,有利于传感器稳定工作。

输出电路电磁兼容

输出电路是传感器的末级电路,一般是无触点开关电路。常用输出元件有三极管和晶闸管。三极管状态改变时,引起电磁辐射。在三极管集电极与发射极之间并接RC吸收电路,用电感L来抑制di/dt,就可减小电磁辐射的能量[4],如图3所示。

输出电路电磁兼容设计的另一种方法是屏蔽。图4中,晶闸管被屏蔽,LC滤波网络用来抑制晶闸管动作时产生的浪涌。滤波网络与屏蔽罩均接地。

抗干扰编码

现在,通信、接口、总线技术的发展也促使二进制传感器的智能化。AS-Interface是一个执行器-传感器-接口总线系统。AS-Interface总线系统最多可安装248个二进制传感器。AS-Interface芯片与光电传感器配合,可使传感器与AS-Interface总线相连。同一总线上,多个传感器相互干扰的问题比较严重。这可在传感器通信时,在信息中加入监督码元（冗余码）进行抗干扰。如用00000、11111代替0、1。当收到10111,那可认为错了一位,并自动纠正第二位。

电磁兼容试验

电磁兼容设计靠电磁兼容试验来验证与改进。现在,有了比较完善的电磁兼容试验方法和专门的试验设备。开关电器动作时,形成强烈的干扰,产生瞬态脉冲。IEC61000-4-4标准对电快速瞬变脉冲干扰作出规定,分为单个脉冲、一群脉冲、脉冲群。脉冲群波形如图5所示,周期为300ms,脉冲束宽度为15ms。

单个脉冲和一群脉冲中单个脉冲的宽度要小于15ms。IEC1024规定的雷电模拟脉冲的宽度也要小于15ms。光电传感器内部采用小电容对瞬变脉冲滤波比较适应。传感器若受主机控制,则可在软件中采用数字滤波、延时指令来抑制瞬变干扰。光电传感器辐射敏感度试验结果如表1所示。

结束语

采用以上设计后,光电传感器既没有干扰80C51单片机实验系统,也没有干扰F-40M型PLC。它在断路器严酷环境中能稳定地工作。经过电磁兼容设计,光电传感器可靠性及质量显著提高。