CN104515535A - 一种槽型光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种槽型光栅传感器，具有U形壳体，在所述U形壳体的2个对称端部嵌装有至少2对可形成2路光路的光发射和接收管，该2对光发射和接收管的安装位置使得形成的2路光路沿着垂直于所述壳体的U形面方向排列。所述的传感器包括电源稳压模块，发射驱动模块，接收模块，指示灯显示模块、输出模块和MCU，MCU还包括运算放大模块、比较器判断模块、信号的检波和滤波算法处理模块。本发明可实现槽型光电开关的双通道检测，可检测物体方向，可准确限位定位，在电梯行业中，可替代原有使用两三个传感器才能实现的方案，降低了成本。

Description

一种槽型光栅传感器

技术领域

本发明属于光电传感技术领域，特别涉及一种槽型光栅传感器。

背景技术

槽型光栅传感器，或者称槽型光电传感器、槽型光电开关，U型光电开关。原理类似一种对射式光电开关，是一款红外线感应光电产品，由红外线发射管和红外线接收管组合而成，以光为媒体，由发光体与受光体间的红外光进行接收与转换。而槽宽就决定了感应接收信号的强弱与检测距离。

电梯设备中，检测电梯平层时，通常会使用这样的槽型光电传感器实现。现有技术中，这样的槽型光电传感器都是单通道的，需要两个或者三个这样的传感器才能满足要求，对客户来说安装麻烦且成本高。

而且常规槽型单通道光电传感器电路都以数字模拟电路搭建，其放大电路使用三极管放大，集成度低，抗电磁干扰能力差，且容易受到温度影响。电梯中环境复杂，电磁干扰多，单通道传感器容易产生误动作。其输出冗余在小于100％，这样使得产品滤光片上堆积灰尘时，灵敏度降低，更甚者产品无动作。在这样复杂的电梯环境中，槽型单通道光电传感器已经不能满足客户需求了。

以下对于现有的槽型单通道光电传感器的技术方案进行分析。

从功能上说，传统的槽型光电传感器实现是单通道检测方案，即单个发射管发射，单个接收管接收。如图1所示为单通道检测方案。

壳体1和安装在所述的壳体里面的红外线接收管2、红外线发射管3和控制电路4，电源指示灯和输出指示灯5，电缆线6，所述的壳体为U型结构，所述的红外线发射管和所述的红外线接收管分别安装在所述的U型结构的壳体两端。

单通道检测时，只检测是否有无物体遮挡光路，对于物体的移动方向不能检测，不能对物体限位定位。

从电路方案来讲，传统的槽型光电传感器使用数字模拟电路搭建，通过采用电容的充放电结合模拟电路实现发射管的调制信号，通过接收管接收后三极管放大，重要的实现方案是通过判断信号强度的方式来切换开关输出标准。

如图2所示，如果施密特触发器的5脚是高电平，那么6脚就是低电平，电容过电阻R3进行放电直至5脚电压为低电平，如果5脚是低电平，6脚就是高电平，那么电容通过电阻R4和二极管D4进行充电至5脚为高电平，电阻R3可以调节放电时间Tp，而R4可以调节充电时间Tc。如此反复地进行充放电，6脚就形成了一定频率的脉冲信号。振荡电路输出周期为260us，脉宽为6us的等脉宽脉冲信号。

如图3所示，电容C1是储能，去耦，虑低频噪声作用；三极管T2为接收管；电阻R2为T2提供一个偏置电流；三极管T1起吸收强光干扰作用；电容C3和电阻R5吸收高频信号；电阻R26衰减信号作用；电位器P1调节接收灵敏度和接收距离；电容C3，C4起到了耦合交流信号，隔直流噪声信号作用；电阻R6，R8为三极管T3提供偏置电流，三极管T3，T5是放大作用；电阻R9，R25为三极管T5提供偏置电流.TVS管D11消除瞬间浪涌大电压。

接收管接收到发射信号，经过电阻R26衰减，电位器P1将电流信号转化成电压信号，经耦合电容C4进入三极管T3进行放大，再经过耦合电容C5，进三极管T5进行放大，得到一个合适的放大倍数的电压信号，再经过整流滤波，将交流信号变成开关信号输出，采用信号强度判别有无感应到物体。

通过对于现有技术的分析可以得出，

1)、从功能上说，第一，在检测物体方向性上，单通道槽型光电传感器不能辨别物体的的移动方向。第二，在物体的准确定位上，单通道槽型光电传感器只能检测有无物体。可实现方案为采用两个槽型光电传感器实现，这样对客户无疑增加成本。

2)、从电路上来说，常规槽型光电传感器采用数字模拟电路实现，集成度差，容易受到环境的影响。接收部分中放大电路不稳定，放大部分三极管，既受温度影响使其零点漂移，又由于三极管本身放大倍数范围较宽，使得产品在生产过程中一致性不好。

槽型光电传感器使用光敏三极管，光敏三极管的响应时间一般在5-30us，响应速度较慢。光敏三极管较易受周围温度影响，光电流波动较大，使系统出现不稳定现象。而且光敏三极管的放大倍数高的关系，其输入容易饱和，在强光下时，容易受干扰。光敏三极管的输出线性度差。

普通的槽型光电传感器通过信号强度判断实现。其技术缺点是对于强度较大的干扰信号不能判别，对信号的频率不能进行筛选，其抗干扰能力和抗环境光能力差。在产品使用在变频器，电机等设备旁边时，将产生误动作现象。

发明内容

本发明的目的是提供一款集成度高，双通道检测，性能稳定的槽型光栅传感器，使其能应用电梯等各个场合。

本发明的技术方案是，一种槽型光栅传感器，具有U形壳体，在所述U形壳体的2个对称端部嵌装有至少2对可形成2路光路的光发射和接收管，该2对光发射和接收管的安装位置使得形成的2路光路沿着垂直于所述壳体的U形面方向排列。

所述的传感器包括电源稳压模块，发射驱动模块，接收模块，指示灯显示模块、输出模块和MCU，MCU还包括运算放大模块、比较器判断模块、信号的检波和滤波算法处理模块。

本发明可实现槽型光电开关的双通道检测，可检测物体方向，可准确限位定位，在电梯行业中，可替代原有使用两三个传感器才能实现的方案，降低了成本。

本发明采用单片机实现，并且使用内部集成高精度运放进行放大，比较器进行信号强度判断，其采集信号时间可控，集成度高，抗干扰能力强，同时也提高了工艺生产效率。

本发明放弃了传统的响应时间慢，灵敏度较低的接收三极管，而采用接收二极管，其线性度好，灵敏度高，响应时间快。

本发明采用了硬件进行信号强度判断和软件选频的实现方案，其灵活，可控等特点使得产品性能稳定。软件中采用两种滑动滤波算法思路，同时使用了异步时分复用技术，解决了两通道之间的相互串扰问题，提高了时间利用率和产品响应时间。

附图说明

图1是现有技术中槽型光电传感器的结构图。

图2是现有技术中槽型光电传感器发射电路图。

图3是现有技术中槽型光电传感器中的放大电路图。

图4是本发明的双通道检测槽型光栅传感器的结构图。

图5是本发明实施例中检测物体移动方向模型。

图6是本发明实施例中物体限位定位模型。

图7是本发明实施例中发射驱动电路及接收放大电路图。

图8是本发明实施例中光敏二极管的Current和Ee的关系图。

图9是本发明实施例中异步时分复用框图。

图10是本发明实施例中滑动滤波流程图。

图11是本发明实施例中滤波流程图。

图12是本发明实施例中双通道检测槽型光栅传感器的结构框图。

图13是本发明实施例的完整的电路图。

图14是本发明实施例中传感器的外形图。

具体实施方式

如图4结构图所示，本发明采用单片机设计，包括了电源稳压模块，发射驱动模块，接收模块，单片机内部运算放大模块、比较器判断模块、信号的检波，滤波算法处理模块，指示灯显示模块以及输出模块。

本发明的双通道检测实现的功能包括：

第一、实现了物体移动方向的检测功能。如图5所示，两通道可独立检测，当目标物穿过通道1时，LED1灯亮，黑线有输出；穿过通道2时，LED2灯亮，白色线有输出。可以根据通道1和通道2响应顺序就可以判断其移动方向；

第二、实现了物体限位和定位。如图6所示，当目标物左右移动时，感应了通道1，通道1响应输出使得目标物停留在通道1的感应区，此时通道2就成了目标物的限位线，当目标物越过通道2时，可以断电等紧急相应措施。

本发明的发射驱动电路和接收放大电路如图7所示，引脚2和引脚3借鉴采用异步时分复用技术，交叉式发射调制脉冲，调制信号通过发射管转变为调制光信号发射出去。接收管采集信号后，使用单片机内部集成运放进行信号放大，再通过单片机内部比较器对信号强度判断后，再由软件进行选频，滑动滤波等数据处理，判断两路通道各自检测情况，如果通道1检测到物体，引脚19输出高电平，点亮通道1状态指示灯，并完成输出切换；如果通道2检测到物体，引脚20点亮通道2指示灯，并完成输出切换。

在上述电路中，

第一、采用单片机内部高精度晶振实现发射脉冲，使用PIC16F527单片机，其内部8MHz的高精度振荡器，发射周期稳定可靠，几乎不受温度影响。

第二、本方案中采用单片机内部运放进行放大电路设计，相对三极管放大电路，本方案使得放大倍数的精确，使得此放大电路在整个电路系统中，有着稳定的放大功能，而且自身的低噪声也使系统抗干扰能力加强，使得产品的性能更加稳定。

本方案中，通道1和通道2参数一致，放大倍数均为A.

A＝-Uo/Ui≈-R10/R7＝-R14/R9＝-6.7

本方案从整体来看，其电路简单，集成度高，性能稳定可靠，降低了成本，增加了生产效率，提高了寿命，增强了抗干扰能力。

第三、如图7所示，本方案选择稳定可靠的光敏二极管，型号为PD15-22C/TR8。相对于光敏三极管的响应时间在5-30us，本方案选择的光敏二极管的响应时间10ns，响应速率更快。光敏三极管容易受到周围温度的影响，光电流波动大，光敏二极管则不会受到周围温度影响使其接收电路不稳定。在强光下，光敏三极管线性度差容易饱和，容易受到干扰，而光敏二极管输出线性度更好，不易在强光下受到干扰。如图8所示光电二极管输出特性曲线。

关于本发明的软件，本发明采用单片机发射且接收信号，保证了发射接收的同步性和选频的准确性。发射2us脉冲的下降沿时为接收信号的最大值，此时在下降沿的1us之内采集接收信号，采集时间之短，保证了发射和接收信号的频率一致，不易受到外来信号干扰，采集的信号通过滑动滤波后判断检测状况。

第一、异步时分复用，是把公共信道的时隙实行“按需分配”。为解决两通道之间串扰问题，在本方案中采用通信中的异步时分复用技术。

两路通道按照时分复用的方式，即如上图9所示，若D时隙为通道1，A时隙为通道2，那么在D1时隙中发射管1发射，接收管1接收，单片机信号处理；下一时隙A1时，发射管2发射，接收管2接收，单片机信号处理。如此反复通道1和通道2切换使用，使得两通道检测灵敏度，响应时间等参数达到一致，同时提高了时间利用率和设备利用率。

第二、滑动滤波算法，通过滑动方式实时检测通道信息，通过滤波方式，增强了开关的抗干扰能力。

如流程图10所示，四个变量RecDat1，RecDat2，RecDat3，RecDat4记录当前及前三个周期采样的数据信号。当四个变量同时为1或者为0时，输出切换，则说明没有物体遮挡住光路或者有物体遮挡住光路。但是当四个变量不同时为1或者0时，保持上一个状态不变，反映了产品的回差，即60％的干扰信号的容错能力。当干扰信号的频率和发射频率不为整数倍时，四个变量的值将不会同时为1，这样就滤除了此频率的干扰信号。针对发射周期的整数倍的干扰信号，通过如下方法滤除。

如流程图11所示，在发射脉冲时，先检测当前是否有干扰信号，如果有干扰信号，则延时处理，等滤除干扰信号后再进行发射脉冲和采集信号。

当发射频率和干扰信号为整数倍，并且与发射脉冲同步时，在采集时，如果出现干扰信号，将会通过延时处理将干扰信号滤除后，再进行发射和信号采集，这样在下一个周期发射和采集信号时将会错开整数倍的干扰信号，同样也不可能使得四个变量同时为1，这样也就滤除了是发射周期整数倍的干扰信号。

关于结构，如图12，本方案使用U型壳体，控制电路模块，控制两路检测通道，通道1：发射管1和接收管1；通道2：发射管2和接收管2，通道1状态指示灯LED1，通道2状态指示灯LED2，电源指示灯PL,电缆线。

本发明技术方案带来的有益效果包括，

产品功能效果：在双通道检测型槽型光栅传感器中，实现双路检测功能，可以实现检测物体的移动方向，可以对物体限位定位等功能。在电梯行业，检测电梯平层中，本方案可以替代原有使用了两三个单通道槽型光电传感器实现的技术方案，这样对客户来说，本产品稳定性高，安装简单，节省空间，成本低。

电路整改效果：传统的模拟放大电路，使用了大量的三极管等由温度影响较大的元器件，在温度影响下，产品的稳定性差。如今本方案采用单片机实现方案，其一、使用内部高精度振荡器，通过定时器实现脉冲发射，频率准确且不受干扰。其二、放大电路使用单片机内部运放，使得温度漂移稳定，在温度变换的环境中具有稳定的性能。其三、接收管的选择使用了接收二极管，其线性度好，暗电流小，响应速率快，使得产品性能稳定同时也提高了响应速度。总上所述，本方案电路简单，集成度更高，性能稳定可靠，降低了成本，增加了生产效率。同时单片机软件的选频滤波等处理判断，抗干扰能力大大增强。

抗干扰的效果：在双通道检测型槽型光栅传感器产品中，通过接收管的合理选择，使得本新型对射光电传感器的抗强光干扰能力强了数倍，软件上，异步时分复用技术的使用，解决了两通道之间的串扰问题，两种滑动滤波算法的处理对干扰信号的滤除起到了决定性作用。如今本产品无论对手电筒照射，甚至正对太阳光的照射都正常工作，不会出现错误的输出控制信号。测试显示：抗强光干扰：>50000Lx。这样稳定的输出使得新型对射光电传感器更加适合工业生产等应用领域。

输出冗余度的效果：通过改进光学结构，电路上的调整，使得输出冗余度为2000％，透光率>5％的物体不能感应，对于产品使用时间长后，滤光片上堆积灰尘，为信号衰减做足余量，使得产品仍然可以稳定检测。

如表1：传统槽型光电传感器与本方案的双通道检测槽型光栅传感器区别。

表1

Claims (2)

1.一种槽型光栅传感器，具有U形壳体，其特征在于，在所述U形壳体的2个对称端部嵌装有至少2对可形成2路光路的光发射和接收管，该2对光发射和接收管的安装位置使得形成的2路光路沿着垂直于所述壳体的U形面方向排列。

2.如权利要求1所述的槽型光栅传感器，其特征在于，所述的传感器包括电源稳压模块，发射驱动模块，接收模块，指示灯显示模块、输出模块和MCU，MCU还包括运算放大模块、比较器判断模块、信号的检波和滤波算法处理模块。