CN101153917A

CN101153917A - 用柱面镜设计的无缝安全光幕

Info

Publication number: CN101153917A
Application number: CNA2006101166048A
Authority: CN
Inventors: 韩超; 杨永才; 吕玮阁; 潘日敏; 王麟; 肖如吾
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-02

Abstract

用柱面镜设计的无缝安全光幕，光幕由面对面放置的红外发射部件P1与红外接收部件P2组成。发射部件为红外发光二极管LED阵列及其控制电路，接收端为红外接收管PD阵列及其控制电路；每一个发光二极管与对面的一个红外接收管对应，且安装在同一条直线上，发光面与接受面前方各有一个柱面镜共轴放置；发射/接收管分别位于对应的柱面镜的焦点处；多个发射/接收阵列之间可以通过选通信号级联；每个红外发射管之间加拦光板。本发明利用光学设计减小发送/接收单元之间串扰的影响，可有效消除探测盲区，结构简单，探测灵敏、精确，不仅适用于远距离探测，同时可判断遮光物尺寸的大小。

Description

用柱面镜设计的无缝安全光幕

技术领域

本发明涉及一种用柱面镜设计的无缝安全光幕，用于保护人体或物体安全。

背景技术

目前，工业生产所采用的安全光幕一般是由面对面放置的红外发射部件与红外接收部件组成。发射端为红外发光二极管阵列，接收端为红外接收管阵列；每一个发光二极管都与对面的一个红外接收管对应，且安装在同一条直线上。当发光部件与受光部件之间没有遮光物时，红外发光二极管发出的红外光经调制后能顺利到达红外接收管被接收，否则产生报警信号。由于发光二极管总是具有一定的发射角，可能同时覆盖几个相邻的光电接收二极管，造成发送/接收单元之间的串扰；因此传统的做法是在二极管间设置较大的间距，并采用逐个扫描的方式，使各个发送/接收单元依次工作，或者采用交叉扫描方式，使一个发射管对应多个相邻的接收管，分别扫描。但是由于二极管间存在间距，二极管发出的光束之间也存在空隙，使得安全光幕实际上存在无法探测到的盲区。并且，发散的光束在远距离使用时，被接收到的光能大大降低，容易造成错误判断，必须采取措施把光束的发散角控制在允许范围内。

发明内容

为克服上述缺点，本发明提出了应用柱面镜设计的无缝安全光幕。其基本思路是：利用柱面镜的光学原理，将发射方的带有一定扩散角度的散射光，经柱面镜转变为平行光，在接收方，再经柱面镜将平行光聚焦到接收管的感光面上。通过接收柱面镜聚焦光的强度来判断有无遮光情况以及遮光物的尺寸大小。

本发明的技术方案是：在发射管前方放置柱面镜，使点光源沿发射管阵列的纵向扩散为平行光；同时，在接收管前方也放置柱面镜，使平行光聚焦到接收管的感光面上；柱面镜紧密排列，使光束相接，形成覆盖全部探测空间的无缝光幕；为防止光线串扰，在每个红外发射管LED之间加上拦光板，避免超出柱面镜尺寸的发散光进入其他柱面镜造成干扰。

用柱面镜设计的无缝安全光幕，光幕由面对面放置的红外发射部件P1与红外接收部件P2组成。发射部件为红外发光二极管LED阵列及其控制电路，接收端为红外接收管PD阵列及其控制电路；每一个发光二极管与对面的一个红外接收管对应，且安装在同一条直线上，其特点是：发光面与接受面前方各有一个柱面镜共轴放置。

在每个红外发射管和红外接收管的前方放置柱面镜Li、Li’，使发射/接收管分别位于Li、Li’的焦点处(i＝1，2，…n)。

多个发送管及接收管组成发射/接收阵列，多个发射/接收阵列之间可以通过选通信号级联。

在每个发射端柱面镜之前，红外发射管LED之间加上拦光板。

本发明利用光学设计减小发射/接收单元之间串扰的影响，可有效消除探测盲区，结构简单，探测灵敏、精确，不仅适用于远距离探测，同时可判断遮光物尺寸的大小。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明无缝安全光幕结构示意图；

图2是本发明的障碍物遮光情况示意图；

图3是本发明无缝安全光幕系统结构示意图。

1.红外发射管LED_i，2.红外接收管PD_i，3.发射端柱面镜L_i，4.接收端柱面镜L_i’，5.遮光物，6.遮光物，7拦光板。θ为发射端发散角，θ’为接收角。w为柱面镜的宽度，l为柱面镜的长度，s为光幕发送/接收端之间的距离。

具体实施方式

实施例1：

本实施例选择发送及接收阵列各由4个发送管及接收管组成。通过本实施例说明柱面镜的设计原理。在每个红外发射管1(以LED₁为例)和红外接收管2(以PD₁为例)的前方放置发射端柱面镜3(L₁)、接收端柱面镜4(L₁’)，使发射/接收管分别位于L₁、L₁’的焦点处，LED₁发射的大角度发散光经过柱面镜近似为平行光束，可以在较远的距离上传输，而在接收端，展宽的光束又经过柱面镜聚焦在红外接收管的感光面上。而整个发射端的柱面镜无间隙地紧密排列，使得LED阵列发出的光经过柱面镜后成为紧密相接的平行光光幕，覆盖全部探测空间。设柱面镜的孔径为d，焦距为f，LED₁的发散角为θ，则平行光束紧密相接的条件是：

d/f≤2tg(θ/2) (1)

在每个发射端柱面镜之前，红外发射管LED之间加上拦光板7后，可避免超出柱面镜尺寸的发散光进入其他柱面镜造成干扰。

检测遮光物体的原理：设每个单元的最大通光面积(无遮光物时的通光面积)为w·l(w为柱面镜的宽度，l为柱面镜的长度)，有n个单元，接受与发送单元之间的距离为s，则整个光幕宽度为n·w，长度为s，厚度为l，充满沿长度方向的均匀平行光；无遮光物时，接收端每个单元接受到的光强为I_through；遮光物5位于红外发射管LED1与红外接收管PD1之间的平行光束内，设其在光束内的横截面积为S_t，则此时PD1接收到的光强：

I＝I_through-I_through·S_t/(w·l) (2)

设接收管PD能分辨的最小光强差为I₀，则次安全光幕能够分辨的遮光物最小横截面积

S₀＝(w·l)·I₀/I_through (3)

上述公式描述了接收端探测到的光强大小与遮光物面积大小之间的关系。

对于遮光物6的情况，由于位于两个相邻的发送/接收单元之间，根据接收光强无法判断是一个大尺寸物体还是两个小尺寸物体，应把两种可能情况都考虑到，以确保使用安全。总体而言，相对于一般安全光幕只能规定可探测遮光物的尺寸下限，此安全光幕具有更大灵活性；相对于使用CCD/CMOS等高精度探测器的安全光幕，具有更高的性价比。光束平行度是影响其性能的主要因素，可根据平行度对公式做进一步修正。

实施例2：

本实施例由多个发送管及接收管组成发送/接收阵列，多个发送/接收阵列之间通过选通信号级联；光幕由面对面放置的红外发射部件P1与红外接收部件P2组成。发射部件为红外发光二极管LED阵列及其控制电路，接收端为红外接收管PD阵列及其控制电路；每一个发光二极管与对面的一个红外接收管对应，且安装在同一条直线上，在每个红外发射管和红外接收管的前方共轴放置柱面镜Li、Li’，使发射/接收管分别位于Li、Li’的焦点处(i＝1，2，…n)；每个红外发射管LED之间加上拦光板。基本控制电路包括51单片机、移位寄存器、多路开关及驱动电路。在发送端，51单片机产生时钟信号CP，以及LED调制信号IN(包含同步信号SN)，经过移位寄存器送出发送扫描信号TR，驱动LED依次点亮，发送LED调制信号IN；与此同时，红外接收电路接收到同步信号SN后启动接收，单片机控制移位寄存器产生同步接收扫描信号RE，只有与发射端点亮的LED相对应的一路红外接收管PD接收到的信号经过多路开关送入单片机进行处理；接收端的多路开关依次打开，就形成OUT输出信号。如果发送/接收单元之间存在遮光物，LED发射的信号就不能被红外接收管顺利接收，单片机对OUT信号进行监测，通过信号幅值的大小判断有无遮光物以及遮光面积的大小，从而判断是否产生报警信号S。而当前级与下级选通信号(Sx，Sx+1，S′x+1，S′x)用于多个发送/接收阵列的级联。

本发明利用光学设计减小发射/接收单元之间串扰的影响，可有效消除探测盲区，结构简单，探测灵敏、精确，可广泛用于流水线、电梯、禁区、危险区域、切纸机械、皮革机械、木工机械、锻压机床、冲剪机床等地方的安全检测，保护人体或物体安全。

Claims

1.用柱面镜设计的无缝安全光幕，光幕由面对面放置的红外发射部件P1与红外接收部件P2组成。发射部件为红外发光二极管LED阵列及其控制电路，接收端为红外接收管PD阵列及其控制电路；每一个发光二极管与对面的一个红外接收管对应，且安装在同一条直线上，其特征在于：发光面与接受面前方各有一个柱面镜共轴放置。

2.根据权利要求1所述的用柱面镜设计的无缝安全光幕，在每个红外发射管和红外接收管的前方放置柱面镜Li、Li’，其特征在于：发射/接收管分别位于Li、Li’的焦点处(i＝1，2，…n)。

3.根据权利要求1所述的用柱面镜设计的无缝安全光幕，其特征在于：多个发送管及接收管组成发射/接收阵列，多个发送/接收阵列之间可以通过选通信号级联。

4.根据权利要求1所述的用柱面镜设计的无缝安全光幕，其特征在于：在每个发射端柱面镜之前，红外发射管LED之间加上拦光板。