CN103744122B - 零盲区漫反射式光电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零盲区漫反射式光电传感器，包括镜架，镜架内设有接收透镜腔以及发射透镜腔，所述接收透镜腔内设有支架、接收透镜、屏蔽遮光板以及接收管，所述接收透镜设于支架上，所述屏蔽遮光板以及接收管依次设于接收透镜的后侧，所述接收透镜腔内还设有垂直移动机构，所述垂直移动机构与所述支架相连；所述屏蔽遮光板的透光孔的开度与接收透镜的垂直移动范围相对应；所述接收管采用大感光区域接收管；所述接收管的轴线位置与透光孔的上沿位置相对应。通过垂直调节机构带动接收透镜移动，使接收的成像光斑移动，来改变接收光斑到达接收管的比例。

Description

零盲区漫反射式光电传感器

技术领域

本发明涉及漫反射式光电传感器，更具体地说，是涉及一种零盲区漫反射式光电传感器。

背景技术

漫反射式光电传感器，是发射器和接收器置于一体，正常情况下接收器收不到发射器发出的光信号，当检测物进入检测范围时，发射光线射到其表面，形成漫反射效果，部分光线被反射回来，接收器收到光信号，输出一个开关控制信号。漫反射光电传感器具有距离调节功能，在工业控制现场或其它应用场合需要进行检测距离调节，确定检测范围，其实现方式是通过调节接收端灵敏度，改变检测距离。

现有漫反射式光电传感器都存在检测盲区，即不能识别目标的范围，例如：当传感器检测距离设定为10cm,理想状态是10cm以内的所有区域都可以检测到物体，但物体靠得过进时，光线反射回路被镜架遮挡，形成一个检测盲区，可能在小于3cm区域内的物体就无法正常检测，对于不同规格的漫反射式光电传感器检测盲区大小不同，但是普遍存在，传感器检测盲区在使用过程中如果不加注意，可能造成检测的遗漏，一些检测盲区较大的传感器应用场合就会受到很多限制，给使用带来很大的不便。

如图1所示，其中11为接收管、12为发射管、13为接收透镜、14为发射透镜、15为镜架、16为滤光片、17为接收电路、18为增益调整电路、19为放大电路、20为滤波电路、21为逻辑控制电路、22为发射电路、23为电源和输出电路，其中，

1、逻辑控制电路部分：实现发射信号生成，接收信号的处理，输出状态控制等功能；

2、发射电路部分：发射电路将发射信号进行电流放大，驱动发射管，发射管发射红色或者红外光脉冲；

3、接收电路：接收管与接收电路，将反射回来的光信号转换为电流信号，放大电路将电流信号进行电压转换和放大，通过电位器调节放大信号的增益，以改变传感器检测距离。

图中当检测距离小于目标物1的位置时，反射到接收管上的光线就会被镜架中间的光线隔离部分所遮挡，形成无法检测目标物的盲区，现有方案的漫反射式光电传感器都无法完全将其消除，仅有几款不具有发射和接收透镜的传感器，直接将发射和接收管紧贴滤光片，才做到了零盲区效果，这样由于没有透镜聚集，距离会衰减很多，而且发射角度太大，无法检测细小物体，接收角度也较大，环境光干扰会直接引入。

再请参见图2所示，当目标物体远离传感器时，成像点会向下移动，如图2中3点位置，反射光的成像点过于偏下，被屏蔽遮光板遮挡，无法成像到接收管，因此3点位置已超出传感器检测范围。

再请参见图3所示，图中A点为盲区临界点，由于镜架中间不透光，当目标物在B点时，如反射光学B，摄入透镜的法线角度会变大，而且位置会上移，透镜后的成像点如图光学b所指示位置，已经超出接收管感光区域。

另外，采用电位器进行距离调节弊端较多：在小型光电传感器中，如外形规格为31*20*11mm的漫反射方形光电传感器，由于空间有限，距离调节都是选用单圈电位器，调节精度不高，很难将距离调得很精准，另外电位器要放在便于设置的位置，而传感器放大电路是在接收端信号敏感的位置，电位器在PCB板上的位置与运放电路是分离的，原本屏蔽完好的运放电路引入了外界干扰，屏蔽设计难度会增加很多，而且需要滤波电路处理。

总之，由于漫反射式光电传感器应用范围很广泛，用量巨大，需要有更高的产品性能和更低价位的整体解决方案，适应市场需求。

发明内容

针对现有技术中存在的接收透镜采用固定结构而导致接收管接收不到目标物在现有盲区的反射信号的问题，本发明的目的是提供一种零盲区漫反射式光电传感器。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种零盲区漫反射式光电传感器，包括镜架，镜架内设有接收透镜腔以及发射透镜腔，所述接收透镜腔内设有支架、接收透镜、屏蔽遮光板以及接收管，所述接收透镜设于支架上，所述屏蔽遮光板以及接收管依次设于接收透镜的后侧，

所述接收透镜腔内还设有垂直移动机构，所述垂直移动机构与所述支架相连；

所述屏蔽遮光板的透光孔的开度与接收透镜的垂直移动范围相对应；

所述接收管采用大感光区域接收管；所述接收管的轴线位置与透光孔的上沿位置相对应。

所述垂直移动机构包括带有外螺纹的调节螺杆，所述支架的上端开设有通孔，通孔内设有内螺纹，所述调节螺杆与通孔通过螺纹相连。

所述支架的两侧分别设有圆柱形小凸台，所述接收透镜腔的内侧壁上设有数量与圆柱形小凸台相一致的长方形的导滑孔，所述小凸台设于相对应的导滑孔内。

所述圆柱形小凸台的数量为4个。

所述垂直移动机构的移动范围是：以所述接收透镜腔以及发射透镜腔之间的隔板为起点向上移动0-2.5mm。

所述调节螺杆的外螺纹的数量为8个，所述调节螺杆的移动范围是：以所述接收透镜腔以及发射透镜腔之间的隔板为起点向上移动0-2.5mm。

还包括接收电路、放大电路、单片机以及发射电路，所述接收管依次通过接收电路以及放大电路与单片机相连；所述单片机通过发射电路与发射管相连。

与现有技术相比，采用本发明的一种零盲区漫反射式光电传感器具有以下的有益效果：

1)现有的漫反射式光电传感器是采用电路参数调节，实现检测距离调节功能，而本发明采用了一种新的实现方案，通过垂直移动机构带动接收透镜移动，使接收的成像光斑移动，来改变接收光斑到达接收管的比例，实现距离调节功能，同时机械调节为多圈调节，调节精度上提高很多；

2)由于结构上透镜的移动，改变了固定模式的成像角度，本发明在设计上针对形成光学盲区的光路进行了改进，实现了零检测盲区的效果。

附图说明

图1为现有技术的漫反射式光电传感器的原理示意图；

图2为图1中的接收透镜在检测不同距离的目标物体时的检测示意图；

图3为图1中的盲区形成示意图；

图4为本发明的光路部分的原理示意图；

图5为图4中的支架的结构示意图；

图6为图1中的镜架的结构示意图；

图7为本发明的接收透镜在检测不同距离的目标物体时的检测示意图；

图8为本发明的接收透镜在检测图3中的盲区内的目标物体的检测示意图；

图9为本发明的一种零盲区漫反射式光电传感器的原理示意图；

图10为本发明的一种零盲区漫反射式光电传感器的电路示意图；

图11为本发明的单片机软件的稳定检测处理算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图4、图5、图6所示的一种零盲区漫反射式光电传感器，包括镜架31，镜架31内设有接收透镜腔32以及发射透镜腔33，接收透镜腔32内设有支架34、接收透镜35、屏蔽遮光板36以及接收管37，接收透镜35设于支架34上，屏蔽遮光板36以及接收管37依次设于接收透镜35的后侧，接收透镜腔32内还设有垂直移动机构50，垂直移动机构50与支架34相连；还包括设于零盲区漫反射式光电传感器外端的滤光片41，设于发射透镜腔33内的发射透镜43以及发射管42；

垂直移动机构50例如可以采用这样的结构，即包括带有8个外螺纹的调节螺杆38，支架34的上端的两L型脚的内侧开设有通孔，通孔内设有内螺纹，调节螺杆38与通孔通过螺纹相连。调节螺杆的螺纹端可以旋入通孔内侧的螺牙中，从而驱动接收透镜移动；调节螺杆顺时针方向旋转，透镜就向上移动f；逆时针方向旋转，透镜就向下移动f；需要说明的是，接收透镜的移动范围是：以接收透镜腔以及发射透镜腔之间的隔板44为起点向上移动0-2.5mm，当调节螺杆38旋转一圈，则接收透镜就移动一个螺距，依次类推直至调节到最大值处53（对应于2.5mm处）或中间值处52（对应于1.25mm处）或最小值处51（对应于0mm处）。

这样，通过调节螺杆38可以调节7.5圈，与现有技术中的电位器的270°调节范围相一致，相当于调节精度提高了10倍，使得传感器距离设定更可靠，可以应用于需要精确设定检测距离的场合。需要说明的是，在相同的垂直移动范围内，随着调节螺杆38的外螺纹数增加，调节精度也随之增加。

较佳地，支架34的两侧分别设有2个圆柱形小凸台39，接收透镜腔内侧壁上设有4个长方形的导滑孔40，小凸台设于相对应的导滑孔40内，当小凸台装入导滑孔后，通过旋动调节螺杆驱动接收透镜直线往复移动，从而实现距离调节的功能；导滑孔正好与透镜小凸台匹配，确保透镜在移动时不会上下晃动及左右摆动，以确保透镜的移动精度。

屏蔽遮光板36的透光孔的开度与接收透镜35的垂直移动范围相对应；屏蔽遮光板36为金属件，对接收部分电路起到电磁屏蔽作用，另外，在本发明中重点利用了其遮光作用。距离调节实现如下：根据几何光学透镜成像原理，模拟不同物体经过透镜后成像点的位置移动。

接收管37采用大感光区域接收管；所述接收管的轴线位置与透光孔的上沿位置相对应。

当接收透镜35位置上移时，成像点也会跟随其上移，重新回到接收管可接收区域，这样在图2中的3点位置传感器就可以检测，从而通过透镜调节增加了检测距离，具体见图7所示。

本发明为了消除盲区，设计上有两点不同，如图8所述，做了两点改进，图中的1处将屏蔽遮光板36的开孔进行了上移；图中的2处将接收管位置进行了上移，并且将接收管选用大感光区域的器件。这样同样在图3中的B位置反射回来的光线也能落在接收管感光区域，即使物体再靠传感器，成像点再向上移动，设计上也能保证落在接收管区域内，这样就将原方案中的盲区改进为了可检测区域，实际测试，当物体紧靠传感器滤光片41时都能可靠检测。

可见，本发明中的透镜调节方案才能实现这样的盲区消除改进，如图8中所示，接收透镜的中心与接收管的中心不在同一水平高度。而现有技术中的电位器距离调节式的光电传感器无法设计成这种零盲区的光线结构。

在请参见图9所示，还包括接收电路、放大电路、单片机以及发射电路，所述接收管依次通过接收电路以及放大电路与单片机相连；所述单片机通过发射电路与发射管相连。其采用低成本的处理电路，实现了脉冲式发射，发射透镜将光线汇聚成平行光束，提高光轴方向上的光强，光线遇到目标物可以反射回来，接收透镜将光线聚集到一倍焦距处的接收管上，接收电路对信号进行放大处理，由单片机完成信号的分析判断，控制输出和指示电路响应检测结果，从而完成漫反射式光电传感器的整个检测过程。特别为接收透镜设计了机械式调节机构，实现传感器检测距离调节功能。

本发明的电子电路部分采用单片机实现发射信号生成，接收信号的处理功能，输出状态控制等；发射电路完成发射驱动，发射选用了点光源LED，为660nm可见红光；接收电路，接收管是感光区域较大的高性价比的贴片光敏二极管，放大部分得到了简化，去掉了增益调整电位器，从而降低了干扰信号的引入，也因此取消了滤波电路部分，具体见图10所示。图中的IC1为一款低成本的单片机，选用了一款Microchip在2013最新推向市场的低价值的单片机PIC16F527，D3为发射管，三极管T3的导通有单片机控制，D4为接收管，接收信号通过两级运算放大电路处理后进入IC1的15引脚，由单片机完成信号的处理和分析，单片机软件处理时设计了稳定检测处理算法，此算法是通过累加求和的方式，对输出结果进行多次判断，为了提高检测速率，使用数组移动的方式，记录连续七个检测周期的结果，再根据sum的值综合判断检测结果，这样可以消除因为一次或两次误检测造成的不稳定现象。具体见图11所示。

总之，本发明省去了电位器，而且简化电路，选用了低价位的电路实现方案，应用于批量生产时成本节约效果显著，本发明技术首先应用于外形规格为31*20*11mm的方形漫反射式光电传感器，检测距离30cm,这是应用最为广泛的光电传感器规格之一。另外，本发明还消除了传感器的检测盲区，提高了传感器的使用可靠性，这是常规方案中一直很难解决的技术难点。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种零盲区漫反射式光电传感器，包括镜架，镜架内设有接收透镜腔以及发射透镜腔，所述接收透镜腔内设有支架、接收透镜、屏蔽遮光板以及接收管，所述接收透镜设于支架上，所述屏蔽遮光板以及接收管依次设于接收透镜的后侧，其特征在于：

所述接收透镜腔内还设有垂直移动机构，所述垂直移动机构与所述支架相连；

所述屏蔽遮光板的透光孔的开度与接收透镜的垂直移动范围相对应；

所述接收管采用大感光区域接收管；所述接收管的轴线位置与透光孔的上沿位置相对应。

2.根据权利要求1所述的零盲区漫反射式光电传感器，其特征在于：

所述垂直移动机构包括带有外螺纹的调节螺杆，所述支架的上端开设有通孔，通孔内设有内螺纹，所述调节螺杆与通孔通过螺纹相连。

3.根据权利要求2所述的零盲区漫反射式光电传感器，其特征在于：

所述支架的两侧分别设有圆柱形小凸台，所述接收透镜腔的内侧壁上设有数量与圆柱形小凸台相一致的长方形的导滑孔，所述圆柱形小凸台设于相对应的导滑孔内。

4.根据权利要求3所述的零盲区漫反射式光电传感器，其特征在于：

所述圆柱形小凸台的数量为4个。

5.根据权利要求1所述的零盲区漫反射式光电传感器，其特征在于：

所述垂直移动机构的移动范围是：以所述接收透镜腔以及发射透镜腔之间的隔板为起点向上移动0-2.5mm。

6.根据权利要求2所述的零盲区漫反射式光电传感器，其特征在于：

所述调节螺杆的外螺纹的数量为8个，所述调节螺杆的移动范围是：以所述接收透镜腔以及发射透镜腔之间的隔板为起点向上移动0-2.5mm。

7.根据权利要求1所述的零盲区漫反射式光电传感器，其特征在于：

还包括接收电路、放大电路、单片机以及发射电路，所述接收管依次通过接收电路以及放大电路与单片机相连；所述单片机通过发射电路与发射管相连。