CN203811189U - 一种高可靠性对射光电传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高可靠性对射光电传感器，包括发射器，所述发射器包括电源、发射管及其驱动电路和单片机，以及镜架、发射透镜、灯罩和滤光片，均密封在一个传感器外壳内。所述的滤光片是红外滤光片，所述的发射管是红外发射管，所述的镜架通过定位柱固定发射透镜、红外发射管以及驱动电路和单片机的PCB板，所述传感器外壳上嵌装有红外滤光片，所述红外发射管、发射透镜和红外滤光片形成小角度光束光路，通过发射透镜的焦距来定位PCB板上红外发射管的距离和位置，红外发射管发射出红外光，通过透镜形成一束近似平行光，再经过红外滤光片发射出去，形成发射器的光学系统。

Description

一种高可靠性对射光电传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，特别涉及一种高可靠性对射光电传感器。

背景技术

对射光电传感器由分离的发射器和接收器组成。发射器实现发射一定频率的脉冲信号，常规的方式大多采用如下两种方案：

1）采用电容的充放电结合模拟电路实现。

2）采用晶振的振荡特性结合模拟电路实现。

对于这两种方案，充分电时间收电容值的变换影响较为严重，一般都会出现温度漂移或一致性不好等问题。

接收器的稳定，也是对射产品性能的主要因素之一。现有对射式光电传感器，相对漫反射光电传感器，发射接收器的分离安装，使得信号无法实现理想的同步，接收器的设计在抗干扰和稳定性方面难度较大，很多产品都存在一定的缺陷，在现有的接收器中多采用光敏三极管来实现接收电路。所选接收管的自身特性会响应速率和抗强光干扰能力，由于放大电路的稳定，也成为接收器性能的弱点。

如图1所示，现有的发射器的电路原理图，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2所示，是现有技术中的接收放大电路，电容C1是滤波电容；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。

电位器P1在接收器中通过调节灵敏度来调节距离的作用。

在现有技术中，通过电容值可以计算Tp和Tc，发射器由于电容值容易受到温度影响而产生温度漂移。使得发射脉冲频率不稳定，影响着产品性能。电容的精度一般为5%或10%，其自身的误差致使发射频率一致性较差，其它模拟电路实现方案，有的会引入晶振，以提高脉冲频率的准确性，这样电路会更复杂。

同时，对于放大部分三极管，既受温度影响使其零点漂移使得接收器中放大电路不稳定，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。

常规的接收器大多使用光敏三极管，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。

如图2所示，由于电位器裸露外部，电位器来调节接收灵敏度的同时也引入了噪声信号。在近距离测试时灵敏度小，电位器滑动至P1最下端，相当于C4接到地上，如图2所示，地上的噪声极易通过C4耦合进入放大电路，使得电路系统不稳定。可见，现有的对射光电传感器存在很多缺点。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高可靠性对射光电传感器，解决温度影响，提高抗干扰能力。

本实用新型的技术方案是，一种高可靠性对射光电传感器，包括发射器，所述发射器包括电源、发射管及其驱动电路和单片机，以及镜架、发射透镜、灯罩和滤光片，均密封在一个传感器外壳内。

所述的滤光片是红外滤光片，所述的发射管是红外发射管，所述的镜架通过定位柱固定发射透镜、红外发射管以及驱动电路和单片机的PCB板，

所述传感器外壳上嵌装有红外滤光片，所述红外发射管、发射透镜和红外滤光片形成小角度光束光路，通过发射透镜的焦距来定位PCB板上红外发射管的距离和位置，红外发射管发射出红外光，通过透镜形成一束近似平行光，再经过红外滤光片发射出去，形成发射器的光学系统，

所述传感器外壳还嵌装有第一电位器和第二电位器，第一电位器用于所述发射器的切换亮通和暗通状态，所述第二电位器用于调节发射管的发射强度，所述传感器的外壳还装有指示灯，用于对电源和状态的指示。

一种高可靠性对射光电传感器，包括接收器，所述接收器包括，电源，接收管和接收驱动电路，NPN/PNP输出电路，单片机，运放放大电路，还包括，镜架，接收透镜，滤光片和灯罩，均密封安装于一个传感器密封外壳内。

所述的接收器采用的滤光片是红外滤光片，接收管是红外接收管。

本实用新型的技术方案，发射器采用一款性能稳定的单片机，采用软件实现发射的脉冲信号。降低了温度漂移，解决了脉冲频率不稳定导致的产品一致性不好的问题。本方案使用两级运算放大电路设计，放大倍数精确，温度漂移稳定，使产品的一致性问题得到了很好的解决。

本方案选用响应速度更快的光敏二极管，解决了产品易受周围温度影响，响应速度慢，光电流波动较大，系统不稳定的现象，也解决了输出线性度差，在强光干扰问题。

在本方案中，将接收器中调节距离的电位器，设计在发射器中。发射电流中的数字信号不易受到干扰，在近距离检测时，可以大程度的降低发射器的功耗。解决了电位器在现有接收器中近距离灵敏度低时，容易引入噪声的问题。

对于常规的超小型对射光电传感器，发射角度大，一般在±3°。本方案优化了发射部分光学结构设计，发射角度小于±1°，由于发射光束较为集中，使得检测距离得到较大提升，可检测更为细小的物体。

附图说明

图1现有技术中的发射电路原理图

图2现有技术的接收器中放大电路原理图

图3本实用新型的发射器的实现原理示意图

图4本实用新型的接收器实现原理示意图

图5本实用新型实施例的发射结构图

其中，1——红外发射管，2——密封外壳，3——第一电位器，4——第二电位器，5——指示灯，6——镜架，7——发射透镜，8——红外滤光片，9——光路，10——定位柱，11——PCB板。

具体实施方式

本实用新型的发射器结构部分，如图3：传感器密封外壳，镜架结构，发射透镜，滤光片，灯罩结构，2块PCB板。在本方案中，外壳上嵌装滤光片和灯罩，镜架上固定接收透镜和PCB板。电路板1和电路板2围绕镜架由定位柱固定，垂直焊接。电路板1主要发射脉宽为5us，周期为230us的脉冲光束。主要分布电源模块，单片机处理模块，发射LED及其驱动电路。电路板2主要是调节发射强度和指示灯的显示。主要分布距离调节电位器和电源和状态指示灯。

接收器结构部分，如图4：传感器密封外壳，镜架结构，接收透镜，滤光片，灯罩结构，3块PCB板。在本方案中，外壳上嵌装滤光片和灯罩，镜架上固定接收透镜和PCB板。3块电路板围绕镜架由定位柱固定，相互垂直焊接。电路板1主要是处理接收信号，主要分布接收驱动电路，运放放大电路，单片机处理模块，电源电路，NPN/PNP输出电路。电路板2主要用于NO/NC切换电位器和指示灯显示，主要分布距离调节电位器和电源和状态指示灯。电路板3主要是NPN或PNP输出和短路保护等作用，主要分布输出电路，电源接口。

发射及驱动电路，单片机的软件编程，使得单片机3脚输出一个周期为230us，脉宽为5us的等脉宽脉冲信号。当单片机3脚处于高电平时，场效应管T2导通,将三极管T1的基极电压拉低，此时，三极管T1截止，D1发射管不导通。当3脚处于低电平时，场效应管T2截止，三极管T1基极电流由电位器调节产生，此时三极管导通，发射管D1点亮。发射管如此反复暗亮，将周期为230us，脉宽为5us的等脉宽电信号转化成同样具有此特性的光信号发射出去。

电位器调节，改变了三极管T1的基极电流，经三极管T1放大后，发射管D1的发射电流也随之改变，发射电流影响着检测距离。从而调节电位器可以调节对射产品的检测距离。

采用单片机设计，消除了温度漂移的影响，整个发射电路性能稳定，可靠性强，提高工艺生产效率，而且提高了原有模拟电路的抗干扰能力。

接收管的选择，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。如下图所示光电二极管输出特性曲线

接收电路及放大电路，本方案采用高增益双运放集成块进行放大电路的设计。接收管将光信号转化成电信号，进入耦合电容C3隔直通交的特性，可以滤除直流噪声信号，经过一级运算放大后，经过耦合电容C9，进入第二级运算放大输出稳定的放大信号。集成块内部的三极管对称使用，使其在温度漂移大大减弱。该运放是低噪声16nV/√Hz，低功耗180uA,具有较高增益，其抗外界干扰能力强，同时也使得产品性能稳定。在工艺生产中一致性好。

在本方案中，其放大倍数为A=Aa*Ab；

Uo1≈-R8*Ui1/R3;

Aa=-Uo1/Ui1≈-R8/R3=-8.25

Uo2≈-R16*Ui2/R12;

Ab=-Uo2/Ui2≈-R16/R12=-9.17

A=Aa*Ab=(-8.25)*(-9.17)=75.6525

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。

对于单片机处理模块，利用单片机内部集成的比较器，完成信号与固定阈值的比较，再通过软件滤波和信号分析，判断是否有接收到发射信号，完成输出控制信号和指示灯的显示，单片机通过对电位器电平检查，判断传感器的亮通/暗通的输出状态。

发射器电路整改效果：在本新型的对射光电传感器中，发射器电路简单，性能稳定可靠，降低了成本，增加了生产效率。同时单片机软件的使用也使得频率可调，抗干扰能力大大增强。

接收器电路整改效果：在本新型的对射光电传感器产品中，通放大电路的改进，使得产品抗强电磁干扰能力增强，使得温度漂移稳定，在温度变换的环境中具有稳定的检测距离。经检测：可以安全通过射频干扰，工频强磁场干扰，群脉冲实验，电机干扰实验。接收器使用单片机进行滤波和处理，使得接收器接收到的发射信号判断准确度提高，提高了产品稳定度和可靠性。

在光敏二极管的选择，极大改善了环境光的干扰，测试显示：抗强光干扰：>100000Lx。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。通过稳定的放大电路放大，抑制了温漂，增加了抗电磁干扰能力，再通过接受单片机的软件检波，选频，判断，输出稳定可靠的控制信号。而且角度小也使得距离可以做得更远，消除了检测盲区的现象，可以检测更小的物体。

发射器的光学系统：如图5所示，1.发射管：使用红外发射管；2.外壳：密封；3.电位器：可以调节亮通和暗通状态；4.电位器：调节发射强度；5.指示灯：电源指示灯和状态指示灯；6.镜架：固定透镜和PCB板；7.发射透镜；8.滤光片：使用红外滤光片；9.光路，发射出小角度光束；10.定位柱；11.PCB板。

本方案中，如图5所示，使用镜架上定位柱定位和固定PCB板，通过透镜的焦距来定位PCB上发射管的距离和位置，外壳上嵌装有红外滤光片。红外发射管发射出红外光，通过透镜形成一束近视平行光，再经过红外滤光片发射出去，这样组成了发射器的光学系统。

Claims (1)

1.一种高可靠性对射光电传感器，包括发射器和接收器，所述接收器是包括电源、接收管和接收驱动电路、NPN/PNP输出电路、单片机、运放放大电路、镜架、接收透镜、滤光片和灯罩且均密封安装于一个传感器密封外壳内的接收器， 

其特征在于，所述发射器包括电源、发射管及其驱动电路和单片机，以及镜架、发射透镜、灯罩和滤光片，均密封在一个传感器外壳内， 

所述的滤光片是红外滤光片，所述的发射管是红外发射管，所述的镜架通过定位柱固定发射透镜、红外发射管以及驱动电路和单片机的PCB板， 

所述传感器外壳上嵌装有红外滤光片，所述红外发射管、发射透镜和红外滤光片形成小角度光束光路，通过发射透镜的焦距来定位PCB板上红外发射管的距离和位置，红外发射管发射出红外光，通过透镜形成一束近似平行光，再经过红外滤光片发射出去，形成发射器的光学系统， 

所述传感器外壳还嵌装有第一电位器和第二电位器，第一电位器用于所述发射器的切换亮通和暗通状态，所述第二电位器用于调节发射管的发射强度，所述传感器的外壳还装有指示灯，用于对电源和状态的指示， 

所述的接收器采用的滤光片是红外滤光片，接收管是红外接收管。