技工院校教學(xué)中紅外非接觸傳感器的設(shè)計(jì)思路

文/呂曉春

一、紅外非接觸傳感器概述

（一）對(duì)射式紅外傳感器

如圖1所示，對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)把一個(gè)紅外光發(fā)射器和一個(gè)紅外光接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)，這類的對(duì)射式光電傳感器又叫槽型開(kāi)關(guān)，發(fā)光器能發(fā)出紅外光，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)電平切換，執(zhí)行一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)切換。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離受整體結(jié)構(gòu)的限制，不同的型號(hào)，槽寬也不相同，槽寬范圍大致為3mm～50mm。

（二）反射式紅外傳感器

圖2

如圖2所示，反射式光電傳感器是把發(fā)射器和接收器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，工作時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，紅外光線遇上被檢測(cè)對(duì)象之后，紅外光有一部分被檢測(cè)對(duì)象吸收，穿透被檢測(cè)對(duì)象，另外一部分被被檢測(cè)對(duì)象反射回來(lái)。反射回來(lái)的光線有部分進(jìn)入紅外接收管，受被檢測(cè)對(duì)象的材質(zhì)和表面形狀影響，對(duì)于不同的被檢測(cè)對(duì)象，最終紅外接收管接收的光線比例不同。設(shè)計(jì)反射式非接觸開(kāi)關(guān)的檢測(cè)電路，要考慮被接收狀態(tài)的最壞可能，并在留有適當(dāng)余量的情形下，仍然能處理最終被返回的紅外光。

反射式光電傳感器與對(duì)射式光電傳感器對(duì)比，有一些便利之處。例如：如果檢測(cè)對(duì)象相對(duì)固定，在考慮環(huán)境光線變化影響之后，調(diào)整檢測(cè)電路的參數(shù)，相對(duì)容易找到一個(gè)合適的檢測(cè)距離；反射式紅外傳感器比槽型開(kāi)關(guān)調(diào)整范圍更大，相對(duì)于對(duì)射式光電傳感器，節(jié)省安裝使用空間，但更容易受被檢物的形狀、顏色和材質(zhì)影響；反射式光電傳感器與對(duì)射式光電傳感器，都可以廣泛應(yīng)用于點(diǎn)鈔機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)器、電機(jī)測(cè)速、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、液位開(kāi)關(guān)、金融設(shè)備、娛樂(lè)設(shè)備（自動(dòng)麻將機(jī)）、舞臺(tái)燈光控制、監(jiān)控云臺(tái)控制、運(yùn)動(dòng)方向判別、計(jì)數(shù)、電動(dòng)繞線機(jī)計(jì)數(shù)、電能表轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)量等，在個(gè)別的應(yīng)用場(chǎng)合，只能選擇槽型對(duì)射式光電傳感器，個(gè)別場(chǎng)合又只能選擇反射式光電傳感器，具體選擇時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合具體分析。

比如在需要套打的場(chǎng)合，使用套打紙時(shí)，這些被檢測(cè)的對(duì)象或物體表面必須有黑白相間的部位用于吸收和反射紅外光。電路設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一點(diǎn)是接收管電流的變化能在邏輯電平翻轉(zhuǎn)，考慮到使用反射式光電傳感器的前端面與被檢測(cè)的對(duì)象或工件表面可能不完全平行的情況，反射式光電傳感器的轉(zhuǎn)換效率在這樣的極端情形下也要能識(shí)別出來(lái)。反射式光電傳感器的前端面被檢測(cè)對(duì)象反射面的檢測(cè)距離控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，設(shè)定過(guò)大或者過(guò)小，都有可能導(dǎo)致誤測(cè)。對(duì)于反射式光電傳感器和對(duì)射式光電傳感器，都必須安裝在沒(méi)有強(qiáng)光直接照射處，因強(qiáng)光中的紅外光將影響接收管的正常工作。相對(duì)而言，反射式光電傳感器受環(huán)境光影響更大，即便沒(méi)有強(qiáng)光直接照射，設(shè)備內(nèi)部或者外部的裝飾燈光的暖光源，對(duì)傳感器的影響也需要被評(píng)估。反射式光電傳感器和對(duì)射式光電傳感器的紅外發(fā)射管的電流在2～10ma之間時(shí)發(fā)光強(qiáng)度與電流的線性最佳，這點(diǎn)需要參照不同型號(hào)的發(fā)光管廠家提供的對(duì)應(yīng)資料選型與設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的參數(shù)，所以在電流取值一般不超過(guò)這個(gè)范圍，若取值太大發(fā)射管的光衰也大長(zhǎng)時(shí)間工作影響壽命；若在電池供電的情況下電流取值應(yīng)小，此時(shí)抗干擾性下降，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這點(diǎn)，盡量避免外界光干擾等不利因素。對(duì)于反射式光電傳感器和對(duì)射式光電傳感器安裝焊接時(shí)，引腳根部與焊盤(pán)的最小距離不得小于5mm，否則焊接時(shí)易損壞管芯。或引起管芯性能的變化。焊接時(shí)間應(yīng)小于4秒。從這兩種傳感器的管腳上可以看到，距離引腳根部5mm左右的地方發(fā)射或者接收的兩個(gè)管腳都有一處約0.5mm的壓扁的最小距離印記，焊接的時(shí)候，需要在印記外焊接。電路板板厚一般都為2mm以內(nèi)，對(duì)于直插的反射式光電傳感器或者對(duì)射式光電傳感器，如果引腳根部緊貼電路板焊接安裝，則除去PCB板的板厚，焊點(diǎn)就沒(méi)有辦法滿足焊盤(pán)與根部不小于5mm的要求，這個(gè)時(shí)候必須讓器件浮起，或者讓管腳上的最小印記貼緊PCB板的表面，這樣再加PCB板厚，焊盤(pán)就容易滿足不小于5mm的要求；在很多情況下，對(duì)射式或者反射式的紅外光電傳感器，如果不允許器件浮起焊接，為了滿足最小的5mm安全距離要求，焊盤(pán)必須特殊設(shè)計(jì)，以保證器件安全焊接。

二、紅外非接觸開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)原理圖

圖3

如圖3所示，由于紅外反射式傳感器與對(duì)射式傳感器控制電路的原理很相近，圖3只以反射式紅外傳感器為例來(lái)說(shuō)明原理設(shè)計(jì)。

（二）原理解釋

如圖3所示，紅外發(fā)射管的限流電阻R4，為470歐姆，VCC=5V時(shí)，發(fā)射電流約等于10Ma,光敏三極管集電極接電源，發(fā)射極接采樣電阻R5，如圖所示，采樣電阻R5為10K,C1為防干擾電容，這個(gè)電容可以過(guò)濾掉大部分疊加到比較器反向輸入端的瞬時(shí)干擾信號(hào)，比較器的同向輸入端接經(jīng)過(guò)R2與R6分壓后的基準(zhǔn)電壓，如圖所示，基準(zhǔn)電壓為2.5V；比較器的輸出是OC輸出，輸出接一上拉電阻R3，以確保OC輸出截止時(shí)輸出端能被上拉到一個(gè)確定電平，也就邏輯高電平。

對(duì)于反射式紅外光電傳感器，上述電路在通電后，如果在傳感器工作面檢測(cè)距離內(nèi)沒(méi)有被測(cè)對(duì)象，則紅外接收光敏三極管沒(méi)有被反射回來(lái)的紅外光，光敏三極管截止，比較器的反向輸入端被采樣電阻R5下拉到地，此時(shí)，比較器輸入高電平，工作狀態(tài)檢測(cè)指示二極管關(guān)閉。反之，反射式傳感器工作面前端在檢測(cè)范圍內(nèi)如果有障礙物或者被檢測(cè)對(duì)象，紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外光的一部分，被檢測(cè)對(duì)象反射回來(lái)，進(jìn)入到光敏三極管。光敏三極管導(dǎo)通行程光敏電流，光敏電流流過(guò)采樣電阻R5再到GND，比較器的同向輸入端的電壓就被抬升。抬升到超過(guò)基準(zhǔn)電壓后，比較器翻轉(zhuǎn)輸出，即輸出邏輯低電平，比較器因?yàn)槭羌姌O開(kāi)路輸出，這個(gè)輸出基本上就把輸出端下拉到非常接近GND電平，此時(shí)，工作狀態(tài)指示燈的工作電流，通過(guò)比較器的OC端進(jìn)入到GND，從而指示燈被點(diǎn)亮。這種指示燈的對(duì)接方式，符合“無(wú)滅有亮”原則，整個(gè)檢測(cè)電路是OC輸出，也方便后級(jí)電路輸入。在紅外發(fā)光二極管工作電流的允許范圍內(nèi)，調(diào)整限流電阻R4的大小，可以調(diào)整檢測(cè)距離，另外調(diào)整采樣電阻R5的阻值與基準(zhǔn)電阻R2與R6的阻值調(diào)整基準(zhǔn)電壓，也可以調(diào)整調(diào)整檢測(cè)距離與檢測(cè)靈敏度，靈敏度的調(diào)整要兼顧到傳感器工裝環(huán)境的紅外干擾源，并適當(dāng)留有余量。

（三）設(shè)計(jì)分析

參照市面上現(xiàn)有的紅外傳感器的設(shè)計(jì)，一般都把紅外發(fā)射管的限流電阻與光敏三極管的采樣電阻，都設(shè)計(jì)在靠近GND的下端。從功能上來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)和本設(shè)計(jì)沒(méi)有任何區(qū)別，但是從焊接調(diào)試的角度上，本設(shè)計(jì)的這種方式，對(duì)對(duì)射式紅外傳感器或者反射式紅外傳感器更有利于焊接。因?yàn)?，絕大多數(shù)情況下，PCB的設(shè)計(jì)上，會(huì)把PCB圖面上沒(méi)有走線的區(qū)域鋪設(shè)成銅皮，銅皮的網(wǎng)絡(luò)，就是GND；也就是說(shuō)，在PCB板上，接地的網(wǎng)絡(luò)是面積是最大的，如果紅外傳感器的管腳焊盤(pán)直接在GND網(wǎng)絡(luò)上的這種設(shè)計(jì)，相對(duì)于本設(shè)計(jì)，焊接的時(shí)候，烙鐵的溫度會(huì)被更快散發(fā)掉，要把焊盤(pán)加熱到焊錫融化的溫度的時(shí)間變得更長(zhǎng)，同樣，焊接完成之后溫度回落到常溫所需要的時(shí)間，就更長(zhǎng)，無(wú)論是反射式紅外傳感器還是對(duì)射式紅外傳感器，都對(duì)焊盤(pán)的焊接的溫度與焊接時(shí)間有要求，這樣才不容易物理?yè)p傷或者損壞傳感器以保證性能。

三、傳感器的PCB設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的PCB設(shè)計(jì)為雙面板，可以把反射式紅外傳感器LTH1550-01與對(duì)射式紅外傳感器LTH301設(shè)計(jì)在同一塊板上，在同一塊PCB同時(shí)支持兩款不同類型的紅外傳感器。這兩個(gè)傳感器表面插入后，需要90度彎折管腳，焊盤(pán)設(shè)計(jì)在距離過(guò)孔5mm的位置，這種設(shè)計(jì)可以更好地滿足紅外管的焊接要求。

四、結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的紅外傳感器把反射式與對(duì)射式合二為一，既考慮到了可靠性，又考慮到了通用性，而且兼顧了靈活性；本設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際檢驗(yàn)論證，可以長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。