研究一體化高可靠性光電傳感器的設計及研制

薛陽　亓奉昆

【摘??要】隨著科學技術的不斷發展，光電傳感技術被廣泛應用于工業自動化控制和感應類機器中，特別是起重機智能夾鉗發面，主要涉及了精密測量以及定位傳感，基于光電器件，主要實現了夾鉗的夾緊、松開、吊具升降和旋轉等自動功能。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，并且可測參數之多。本文進一步研究了一種新研制的適用冶金行業起重機智能夾鉗的一體化高可靠性光電傳感器。

【關鍵詞】一體化;高可靠性;光電傳感器

一、一體化高可靠性光電傳感器的設計

（一）工作原理

一體化高可靠性光電傳感器是一種能通過光強度的變化進而轉換成電信號的集成化小型電子設備，它能快速有效地甄別外部介質的狀態，以及對不同介質狀態迅速輸出相應的通斷信號，其一般由光源、光學通路以及光電元件三個部件組成[1]。在合適的電路配上發光器和受光器便能組成一組紅外光電開關，而基于以上原理，一體化高可靠性光電傳感器則是由紅外發光二極管、光學通路、光電三極管和變換電路等組成。首先，被測量的外部介質狀態變化在其作用下轉換成光信號，而后借助光電元件和變換電器進一步將光信號轉換成開關量信號，最后發送給遠端的推進劑加注測控系統。光電傳感器在應用原理上通常分為對射式、反射式和槽型三種，一體化高可靠性光電傳感器則是采用較為常用的光學全反射原理，以此來控制光電元件的輸出光電流，進而實現判別介質狀態[2]。

（二）結構設計

一體化高可靠性光電傳感器的組成部件主要有：外罩、保護套、棱鏡、螺帽、O形圈、殼體以及光電組件等[3]。

在組件構成中，棱鏡與光電組件中的光電器件應平面接觸，這樣可以保證反射光通路的合理形成。一體化高可靠性光電傳感器在裝配和使用前都必須先要檢查棱鏡的安裝位置是否準確，以及其與光電組件中的光電器件的相對位置是否正確，但如果安裝位置稍有不當，不僅難以保證光電參數的一致性，還會給起重機夾鉗自動控制帶來不必要的麻煩。基于此，如果將定位槽結構設計于棱鏡與殼體結構中，那么設計改進后的產品裝配中，光電器件與棱鏡的角度不僅能一次到位無需調整，減少了在裝配時因為調整所帶來的麻煩，并且，由于棱鏡和光電器件的角度得到了固定，在使用中也能避免了對于棱鏡旋動的擔憂，確保了光電參數一致性及產品的可靠性。

（三）整體電路設計

一體化高可靠性光電傳感器的整體電路部分主要由三端固定式集成穩壓器、紅外發光二極管、光電三極管等器件以及部分阻容元件組成。首先，當其棱鏡處于氣相狀態下時，棱鏡玻璃與空氣分界面上會接收到來自紅外發光二極管發出的紅外光線，該紅外光線在照射后會反射到光電三極管上，而光電三極管在受到光照后的光電流較大，故電路便會處于導通狀態。比較器正端輸入管腳上的電壓值與其負端輸入管腳上的電壓值不一致，即前者遠遠大于后者時，比較器輸出端管腳為高電平，其比較器輸出所控制的固體繼電器輸出為斷開信號。

當一體化高可靠性光電傳感器的棱鏡處于液相狀態下時，棱鏡玻璃與空氣分界面上會接收到來自紅外發光二極管發出的紅外光線，這時候光電三極管會由于大部分紅外光線折射至的是液體而受到少量光照，這樣一來其暗電流相對較小，電路處于截止狀態，比較器正端輸入管腳上的電壓值與其負端輸入管腳上的電壓值不一致，即前者遠遠小于后者時，比較器輸出端管腳為低電平，其比較器輸出所控制的固體繼電器輸出為導通信號。

二、一體化高可靠性光電傳感器的研制

（一）試驗項目

光電傳感器在使用前首先對其進行檢查，內、外漏皆進行氣密性檢查（內漏采取氣泡法，外漏采取保壓法），以防因其不合格導致的棱鏡與光電器件之間的間隙存在外部介質，影響了推進劑液位信號的發射。檢查方法：將清潔空氣從試驗工裝通氣口中供入形成一定壓力，取無水乙醇浸沒光電傳感器下端口，各自觀察5分鐘，如果沒有氣泡冒出以及無壓降，則說明內、外漏檢查合格。電氣性能試驗的合格是開展下一步試驗的基本，如都合格后可依次對電源適應性、高低溫、常溫老煉以及電磁兼比對等進行試驗。

（二）結果和分析

如下圖1所示為基本電氣性能試驗結果：

表1：基本電氣性能試驗結果

其試驗合格標準為：當置于空氣中，光電壓應>11.22V，液位燈滅;當置于無水乙醇時，光電壓應<1.0V，液位燈亮。以上測試結果表明，新研制的一體化高可靠性光電傳感器的基本性能指標滿足產品的設計要求。

如下圖2所示為電磁兼容比對試驗結果：

圖2：電磁兼容比對實驗結果（試驗環境：溫度22℃;濕度32%RH）

在通過上述試驗比對后可得出：光電傳感器&光電變換器組合僅通過了“電源線傳導發射”項目測試，其他幾項試驗項目均發生了敏感。該試驗結果表明了一體化高可靠性光電傳感器較光電傳感器&光電變換器組合來說，其電磁兼容性更為優良。

三、結束語

由于光電變換器是放置于夾鉗鉗腳鉗臂和中，在應用于冶金行業時容易受到周圍頻繁的電磁干擾，為更好地適應周圍復雜的電磁環境，提高卷邊檢測準確度，研制一種適用冶金行業起重機智能夾鉗的一體化高可靠性光電傳感器已經成為迫切之事。而通過上述設計思路及對性能優化設計和適應性改進的試驗，表明了在光電傳感器&光電變換器組合的技術基礎上所研制的一體化高可靠性光電傳感器，較傳統的光電傳感器而言具有更高的可靠性和更好的電磁兼容性，更優于應用于冶金行業起重機夾鉗對鋼卷內徑、卷邊檢測的測量中。

參考文獻：

[1]千承輝，王超，曹曦元，凌振寶，萬云霞.多傳感器數據處理的人流量監測系統[J].實驗室研究與探索，2013年02期

[2]陳滌乾.高可靠性一體化光電控制器：CN92218526.3[P].1993-05-05.

[3]張曉霞.談光電傳感器的原理及應用[J].電子測試，2017，（8）：79-80.

（作者單位：山東力山特智能科技有限公司）