表面粗糙度對紅外漫反射光電傳感器的影響

張五杰 史潤軍 王汝佳 王曉生

（河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

紅外漫反射光電開關采用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管作為光電轉(zhuǎn)換元件，是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的無損檢測光電傳感器，廣泛應用于現(xiàn)代輕工、機械、交通、電力等領域的安全生產(chǎn)、自動控制中。將紅外漫反射光電開關應用于高壓開關行業(yè)中的智能高壓氣吹設備中，并對氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）母線殼體進行清洗，用來消除可見水作業(yè)時設備工作狀態(tài)受殼體內(nèi)壁表面處理情況的影響，即內(nèi)壁涂漆時，設備收到傳感器的反饋信號并做出響應動作；內(nèi)壁為裸露金屬面時，傳感器無反饋信號，設備不動作。

通過查閱產(chǎn)品說明書、科技文獻等相關資料后發(fā)現(xiàn)，紅外漫反射光電傳感器在實際工作中受較多因素的影響，且這些因素的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，如物體距離越近，顏色越亮，尺寸越大，傳感器接收到的信號就越強，檢測距離就越遠；粗糙表面相對光源有一定的傾斜角度時，傳感器也能收到反射信號。但這些規(guī)律的描述較為簡單，尤其是表面粗糙度、光源和表面傾角因素的影響規(guī)律，更是缺少數(shù)據(jù)支撐，無法有效指導傳感器在不同工況中的實際應用。因此，本研究對表面粗糙度、傳感器光源與表面夾角、傳感器功率等因素對傳感器實際檢測距離的影響規(guī)律進行研究，從而為紅外線的工程化應用提供一些參考，對提高高壓電器制造自動化水平具有積極意義。

1 紅外漫反射光電傳感器特性

漫反射光電傳感器又稱漫反射式光電開關，屬接近開關的一種，是由紅外發(fā)射管和紅外接收管組合而成的紅外感應光電開關，通過發(fā)射管發(fā)射出的紅外光，經(jīng)物體反射后，一部分返回到接收端，接收管接收到紅外信號即可進行檢測，通過信號的變化來控制電路。

紅外線是頻率介于微波與可見光之間的電磁波，頻率為0.3～400 THz，對應真空中波長為750 nm～1 mm輻射的總稱。光電傳感器中通過紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，管壓降約1.4 V，工作電流一般小于20 mA，功率分為小功率（1～10 mW）、中功率（20～50 mW）和大功率（50～100 mW）三類。通過在驅(qū)動管上加上一定頻率的脈沖電壓使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光。紅外二極管的發(fā)光能力有限，發(fā)出的紅外光有效距離較短，故使用時應再加上透鏡，以提高聚光能力。

光電開關有繼電器輸出、NPN輸出和PNP輸出三種類型，NPN型和PNP型輸出狀態(tài)其實就是利用三極管的飽和和截止，輸出截然相反的高電平和低電平兩種信號，NPN輸出的是低電平0，PNP輸出的是高電平1。NPN型三極管是由2塊N型半導體中間夾著1塊P型半導體，一般有3條引出線，即電源線VCC、0 V線、OUT信號輸出線。NPN是指當有信號觸發(fā)時，信號輸出線OUT和0 V線連接，相當于輸出低電平0 V。對NPN?NO型，在沒有信號觸發(fā)時，輸出線是懸空的，即0 V線和OUT線是斷開的。在有信號觸發(fā)時，發(fā)出與0 V相同的電壓，也就是OUT線和0 V線連接，輸出低電平0 V。對于NPN?NC型，在沒有信號觸發(fā)時，發(fā)出與0 V線相同的電壓，也就是OUT線和0 V線連接，輸出低電平0 V。當有信號觸發(fā)后，輸出線懸空，即0 V線和OUT線斷開［1］。

2 粗糙度與光的散射特性

在對機械零件切削的過程中，刀具或砂輪遺留的刀痕、切屑分離時的塑性變形和機床振動等會使零件的表面形成微小的峰谷。這些微小峰谷的高低程度和間距狀況被稱作表面粗糙度，也稱為微觀不平整度，其是一種微觀幾何形狀誤差［2］。GIL母線殼體為鋁合金擠制管，殼體內(nèi)表面要求打磨拋光至粗糙度Ra6.3，因要修復凸起、毛刺等問題，會出現(xiàn)局部粗糙度不同的情況。殼體內(nèi)表面涂漆后，較金屬面更光滑。

根據(jù)測量表面粗糙度的光散射理論，當一束入射光照射到被測制件表面時，將會產(chǎn)生鏡反射和漫反射。假設忽略被測件材料的光吸收，以及制件表面的高度變化符合高斯分布規(guī)律，則入射光束的光強Ir等于鏡反射光強If與漫反射光強Im之和，即Ir=If+Im。不論是反射光強If，還是漫反射光強Im，二者都與入射光強Ir和粗糙度均方根偏差R有關［3］。粗糙度的高度只影響光在空間的散布范圍（高度小，光的散布范圍大），不影響相鄰散斑間的距離；粗糙度的間距不同時，除影響光的散布范圍外，還會影響相鄰散斑間的距離（間距小，散斑間的距離大）。對很光滑的表面而言，大部分入射光會反射至鏡方向。當表面粗糙度增加時，鏡方向光強減少，同時光的衍射增加，并且變得更散射［4］。

3 試驗

3.1 試驗裝置

3.1.1 樣板。由于材料的反射率不同，在測量具有相同粗糙度不同材料的制件表面時，光電傳感器輸出的信號不同。由于加工方法的不同，在測量具有同樣粗糙度不同表面形貌的制件表面時，光電傳感器輸出的信號不同。本研究以5塊5 052鋁合金板作為檢測樣板，板長300 mm、寬200 mm、厚5 mm，分別采用精磨、精銑、粗銑、噴砂、鑄造等工藝將樣板檢測面加工成5個不同粗糙度的平面，詳見表1。

表1 樣板檢測面制造工藝及粗糙度

樣板檢測面外觀如圖1所示。使用粗糙度儀和粗糙度樣塊對樣板表面進行粗糙度檢測和比對（見圖2、圖3），檢測結(jié)果顯示，樣板待檢測平面粗糙度符合設計要求。

3.1.2 傳感器。使用5種功率規(guī)格的漫反射光電傳感器作為紅外光源。具體型號及參數(shù)見表2。傳感器如圖4所示，試驗裝置如圖5所示。

表2 傳感器型號及參數(shù)

3.2 試驗方法

3.2.1 測量實際最大檢測距離。將漫反射光電傳感器與檢測樣板垂直放置，距離為傳感器的標稱檢測距離。當觀察到傳感器上的開關信號指示燈為亮起狀態(tài)時，沿垂線方向緩慢移動傳感器，當指示燈滅時標記傳感器的位置，測量并記錄標記點到樣板的距離，即為該型號傳感器檢測到的相應粗糙度表面的實際最大檢測距離，如圖6所示。更換不同粗糙度值的樣板，重復上述步驟，記錄該型號傳感器檢測不同粗糙度表面的實際最大檢測距離。

3.2.2 測量實際最大傾斜角。將漫反射光電傳感器與檢測樣板垂直放置，距離為傳感器標稱距離的1/2，傳感器處于有效工作范圍內(nèi)。將樣板底部劃線標記為起始位置，當觀察到傳感器的開關信號指示燈為亮起狀態(tài)時，繞傳感器方向垂線與樣板交點緩慢轉(zhuǎn)動，如圖7（a）所示。當指示燈熄滅時標記樣板位置，測量起始位置與標記位置的角度，即為該型號傳感器檢測相應粗糙度表面的實際最大傾斜角度，如圖7（b）所示。更換不同粗糙度值的樣板，重復上述步驟，記錄該型號傳感器檢測不同粗糙度表面的實際最大傾斜角度。

4 結(jié)果與分析

4.1 表面粗糙度的影響

使用5種規(guī)格型號的漫反射光電傳感器檢測垂直方向的5個不同粗糙度的樣板平面的實際最大檢測距離，結(jié)果如表3所示。

表3 傳感器垂直方向檢測不同粗糙度樣板距離結(jié)果 單位：cm

根據(jù)表3的結(jié)果繪制出曲線圖，如圖8所示。

由圖8可知，隨著表面粗糙度的增大，傳感器的實際最大檢測距離卻在逐漸減小，且減小的幅度在逐漸降低。當粗糙度Ra<20時，粗糙度對實際檢測距離的影響較大，即當物體表面粗糙度發(fā)生變化時，傳感器的實際有效檢測距離也會發(fā)生較大變化；當粗糙度Ra>20時，粗糙度對實際檢測距離的影響較小，即物體表面粗糙度發(fā)生變化時，傳感器的實際有效檢測距離基本無變化；當粗糙度Ra=20時，不同型號傳感器的實際最大檢測距離約為其標稱距離。

當粗糙度Ra=125時，實際最大檢測距離與標稱檢測距離的比值詳見表4。為保障信號穩(wěn)定傳輸，傳感器與被檢測物體間距離應小于傳感器標稱距離的70%。

表4 傳感器最大檢測距離與標稱距離比值

隨著粗糙度的增大，光的散射特性也會隨之發(fā)生變化，鏡反射減少，漫反射增多，傳感器的受光部接收到的反射光減少，實際檢測距離也隨之減小。當粗糙度Ra<20時，物體表面微觀不平整度的變化對光的散射特性變化影響較大，導致實際檢測距離變化大；當粗糙度Ra>20時，物體表面微觀不平整度的變化對光的散射特性變化影響不明顯，實際檢測距離的變化趨向平緩。

4.2 光源與物體表面夾角的影響

本研究采用5種型號的漫反射光電傳感器來檢測5個不同粗糙度平面，最大旋轉(zhuǎn)角度為α，則傳感器入射光線與樣板表面夾角為（90°?α），該夾角為傳感器能收到反射信號時與物體表面的最小夾角。試驗記錄結(jié)果詳見表5。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖9所示。

表5 傳感器光源方向與物體表面最小夾角測量結(jié)果 單位：°

由圖9可知，隨著樣板表面粗糙度的增大，傳感器能收到反射信號時與物體表面的最小夾角有著先減小后增大的趨勢，當粗糙度Ra=12.5時，該夾角最小。根據(jù)對粗糙目標表面紅外偏振特性的研究結(jié)果表明，紅外輻射偏振度先隨入射角的增加而增加，而后在達到特定入射角時達到峰值，超過一定入射角后，紅外輻射偏振度會大幅度下降，金屬和非金屬的紅外輻射偏振度的差異在一定入射角度范圍內(nèi)將達到最大［5］。

根據(jù)表5可得，最小夾角的平均值為（30°+26°+13°+31°+42°）/5=28.4°，即在實際應用中，為保障信號能穩(wěn)定傳輸，傳感器與物體表面的夾角應大于30°。當粗糙度Ra=25時，不同傳感器測得的最小夾角值大致相等，即不同型號傳感器在Ra=25兩側(cè)的角度曲線變化趨勢是相同的，但大小順序不同；當粗糙度Ra<25時，光的散射特性變化對物體表面微觀不平整度的變化較為敏感，導致實際可檢測角度變化大；當粗糙度Ra>25時，光的散射特性變化不明顯。

4.3 傳感器功率的影響

由圖8可知，傳感器的功率越大，實際檢測距離越遠。且使用GP18?150DN1及以上型號傳感器檢測到的距離隨粗糙度的變化趨于一致。計算粗糙度Ra<20時的曲線斜率k（見表6）。

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)繪制出曲線圖，見圖10。

由圖10可知，隨著傳感器的功率增大，曲線斜率也逐漸增大，即檢測距離受物體表面粗糙度的影響也越大。

通過對圖9進行分析可以發(fā)現(xiàn)，5種傳感器測量的角度值分布較集中，離散度小，變化趨勢一致。以傳感器型號為橫坐標來繪制不同粗糙度時傳感器入射光線與樣板表面夾角的變化曲線，如圖11所示。曲線大致呈平行直線分布，即對同一粗糙度表面，不同型號的傳感器與檢測物體表面的最小夾角值大致相等，傳感器功率對最小夾角變化影響較小；對不同型號的傳感器，表面粗糙度變化時，最小夾角值的變化幅度大致相等。

5 結(jié)論

通過分析，可得到以下結(jié)論。

①隨著表面粗糙度的增大，傳感器的實際最大檢測距離在逐漸減小，當粗糙度Ra<20時減小幅度大，當粗糙度Ra>20時減小幅度小，當粗糙度Ra=20時，傳感器實際最大檢測距離與其標稱距離大致相等。為保障傳感器能穩(wěn)定工作，與被檢測物體的距離應小于標稱距離的70%。

②傳感器與被檢測物體表面的夾角隨表面粗糙度的增大呈先減小后增大的趨勢，當Ra=12.5時，夾角達到最小。為保證傳感器能穩(wěn)定工作，光源方向與被檢測物體表面的夾角應大于30°。當粗糙度Ra=25時，不同傳感器測得的最小夾角值大致相等。當粗糙度Ra<25時，物體表面微觀不平整度的變化對光的散射特性變化影響較大，導致最小夾角變化大。當粗糙度Ra>25時，最小夾角變化不明顯。

③傳感器功率越大，實際檢測距離受物體表面粗糙度的影響也越大，可檢測最小夾角受影響較小。

綜上所述，本研究的研究結(jié)果為紅外漫反射光電開關的應用與高壓電器的自動化制造積累了一定的實踐經(jīng)驗，同時也對紅外線在粗糙度檢測方面的應用進行積極探索和實踐，具有重要的意義。