一種高可靠性對射光電傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種高可靠性對射光電傳感器，包括發(fā)射器，所述發(fā)射器包括電源、發(fā)射管及其驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)，以及鏡架、發(fā)射透鏡、燈罩和濾光片，均密封在一個(gè)傳感器外殼內(nèi)。所述的濾光片是紅外濾光片，所述的發(fā)射管是紅外發(fā)射管，所述的鏡架通過定位柱固定發(fā)射透鏡、紅外發(fā)射管以及驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)的PCB板，所述傳感器外殼上嵌裝有紅外濾光片，所述紅外發(fā)射管、發(fā)射透鏡和紅外濾光片形成小角度光束光路，通過發(fā)射透鏡的焦距來定位PCB板上紅外發(fā)射管的距離和位置，紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，通過透鏡形成一束近似平行光，再經(jīng)過紅外濾光片發(fā)射出去，形成發(fā)射器的光學(xué)系統(tǒng)。
【專利說明】一種高可靠性對射光電傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種高可靠性對射光電傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]對射光電傳感器由分離的發(fā)射器和接收器組成。發(fā)射器實(shí)現(xiàn)發(fā)射一定頻率的脈沖信號，常規(guī)的方式大多采用如下兩種方案:
[0003]I)采用電容的充放電結(jié)合模擬電路實(shí)現(xiàn)。
[0004]2)采用晶振的振蕩特性結(jié)合模擬電路實(shí)現(xiàn)。
[0005]對于這兩種方案，充分電時(shí)間收電容值的變換影響較為嚴(yán)重，一般都會(huì)出現(xiàn)溫度漂移或一致性不好等問題。
[0006]接收器的穩(wěn)定，也是對射產(chǎn)品性能的主要因素之一?，F(xiàn)有對射式光電傳感器，相對漫反射光電傳感器，發(fā)射接收器的分離安裝，使得信號無法實(shí)現(xiàn)理想的同步，接收器的設(shè)計(jì)在抗干擾和穩(wěn)定性方面難度較大，很多產(chǎn)品都存在一定的缺陷，在現(xiàn)有的接收器中多采用光敏三極管來實(shí)現(xiàn)接收電路。所選接收管的自身特性會(huì)響應(yīng)速率和抗強(qiáng)光干擾能力，由于放大電路的穩(wěn)定，也成為接收器性能的弱點(diǎn)。
[0007]如圖1所示，現(xiàn)有的發(fā)射器的電路原理圖，如果施密特觸發(fā)器的5腳是高電平，那么6腳就是低電平，電容過電阻R3進(jìn)行放電直至5腳電壓為低電平，如果5腳是低電平，6腳就是高電平，那么電容通過電阻R4和二極管D4進(jìn)行充電至5腳為高電平，電阻R3可以調(diào)節(jié)放電時(shí)間Tp，而R4可以調(diào)節(jié)充電時(shí)間Tc。如此反復(fù)地進(jìn)行充放電，6腳就形成了一定頻率的脈沖信號。振蕩電路輸出周期為260us，脈寬為6us的等脈寬脈沖信號。
[0008]如圖2所示，是現(xiàn)有技術(shù)中的接收放大電路，電容Cl是濾波電容；三極管T2為接收管；電阻R2為T2提供一個(gè)偏置電流；三極管Tl起吸收強(qiáng)光干擾作用；電容C3和電阻R5吸收高頻信號；電阻R26衰減信號作用；電位器Pl調(diào)節(jié)接收靈敏度和接收距離；電容C3，C4起到了耦合交流信號，隔直流噪聲信號作用；電阻R6，R8為三極管T3提供偏置電流，三極管T3，T5是放大作用；電阻R9，R25為三極管T5提供偏置電流.TVS管Dll消除瞬間大電壓。
[0009]接收管接收到發(fā)射信號，經(jīng)過電阻R26衰減，電位器Pl將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，經(jīng)耦合電容C4進(jìn)入三極管T3進(jìn)行放大，再經(jīng)過耦合電容C5，進(jìn)三極管T5進(jìn)行放大，得到一個(gè)合適的放大倍數(shù)的電壓信號。
[0010]電位器Pl在接收器中通過調(diào)節(jié)靈敏度來調(diào)節(jié)距離的作用。
[0011]在現(xiàn)有技術(shù)中，通過電容值可以計(jì)算Tp和Tc，發(fā)射器由于電容值容易受到溫度影響而產(chǎn)生溫度漂移。使得發(fā)射脈沖頻率不穩(wěn)定，影響著產(chǎn)品性能。電容的精度一般為5%或10%，其自身的誤差致使發(fā)射頻率一致性較差，其它模擬電路實(shí)現(xiàn)方案，有的會(huì)引入晶振，以提高脈沖頻率的準(zhǔn)確性，這樣電路會(huì)更復(fù)雜。
[0012]同時(shí)，對于放大部分三極管，既受溫度影響使其零點(diǎn)漂移使得接收器中放大電路不穩(wěn)定，又由于三極管本身放大倍數(shù)范圍較寬，使得產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中一致性不好。
[0013]常規(guī)的接收器大多使用光敏三極管，光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間一般在5-30US，響應(yīng)速度較慢。光敏三極管較易受周圍溫度影響，光電流波動(dòng)較大，使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。而且光敏三極管的放大倍數(shù)高的關(guān)系，其輸入容易飽和，在強(qiáng)光下時(shí)，容易受干擾。光敏三極管的輸出線性度差。
[0014]如圖2所示，由于電位器裸露外部，電位器來調(diào)節(jié)接收靈敏度的同時(shí)也引入了噪聲信號。在近距離測試時(shí)靈敏度小，電位器滑動(dòng)至Pl最下端，相當(dāng)于C4接到地上，如圖2所示，地上的噪聲極易通過C4耦合進(jìn)入放大電路，使得電路系統(tǒng)不穩(wěn)定?？梢?，現(xiàn)有的對射光電傳感器存在很多缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本實(shí)用新型的目的是提供一種高可靠性對射光電傳感器，解決溫度影響，提高抗干擾能力。
[0016]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種高可靠性對射光電傳感器，包括發(fā)射器，所述發(fā)射器包括電源、發(fā)射管及其驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)，以及鏡架、發(fā)射透鏡、燈罩和濾光片，均密封在一個(gè)傳感器外殼內(nèi)。
[0017]所述的濾光片是紅外濾光片，所述的發(fā)射管是紅外發(fā)射管，所述的鏡架通過定位柱固定發(fā)射透鏡、紅外發(fā)射管以及驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)的PCB板，
[0018]所述傳感器外殼上嵌裝有紅外濾光片，所述紅外發(fā)射管、發(fā)射透鏡和紅外濾光片形成小角度光束光路，通過發(fā)射透鏡的焦距來定位PCB板上紅外發(fā)射管的距離和位置，紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，通過透鏡形成一束近似平行光，再經(jīng)過紅外濾光片發(fā)射出去，形成發(fā)射器的光學(xué)系統(tǒng)，
[0019]所述傳感器外殼還嵌裝有第一電位器和第二電位器，第一電位器用于所述發(fā)射器的切換亮通和暗通狀態(tài)，所述第二電位器用于調(diào)節(jié)發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度，所述傳感器的外殼還裝有指示燈，用于對電源和狀態(tài)的指示。
[0020]一種高可靠性對射光電傳感器，包括接收器，所述接收器包括，電源，接收管和接收驅(qū)動(dòng)電路，NPN/PNP輸出電路，單片機(jī)，運(yùn)放放大電路，還包括，鏡架，接收透鏡，濾光片和燈罩，均密封安裝于一個(gè)傳感器密封外殼內(nèi)。
[0021 ] 所述的接收器采用的濾光片是紅外濾光片，接收管是紅外接收管。
[0022]本實(shí)用新型的技術(shù)方案，發(fā)射器采用一款性能穩(wěn)定的單片機(jī)，采用軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)射的脈沖信號。降低了溫度漂移，解決了脈沖頻率不穩(wěn)定導(dǎo)致的產(chǎn)品一致性不好的問題。本方案使用兩級運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)，放大倍數(shù)精確，溫度漂移穩(wěn)定，使產(chǎn)品的一致性問題得到了很好的解決。
[0023]本方案選用響應(yīng)速度更快的光敏二極管，解決了產(chǎn)品易受周圍溫度影響，響應(yīng)速度慢，光電流波動(dòng)較大，系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，也解決了輸出線性度差，在強(qiáng)光干擾問題。
[0024]在本方案中，將接收器中調(diào)節(jié)距離的電位器，設(shè)計(jì)在發(fā)射器中。發(fā)射電流中的數(shù)字信號不易受到干擾，在近距離檢測時(shí)，可以大程度的降低發(fā)射器的功耗。解決了電位器在現(xiàn)有接收器中近距離靈敏度低時(shí)，容易引入噪聲的問題。
[0025]對于常規(guī)的超小型對射光電傳感器，發(fā)射角度大，一般在±3°。本方案優(yōu)化了發(fā)射部分光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)射角度小于±1°，由于發(fā)射光束較為集中，使得檢測距離得到較大提升，可檢測更為細(xì)小的物體。【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)射電路原理圖
[0027]圖2現(xiàn)有技術(shù)的接收器中放大電路原理圖
[0028]圖3本實(shí)用新型的發(fā)射器的實(shí)現(xiàn)原理示意圖
[0029]圖4本實(shí)用新型的接收器實(shí)現(xiàn)原理示意圖
[0030]圖5本實(shí)用新型實(shí)施例的發(fā)射結(jié)構(gòu)圖
[0031]其中，I—紅外發(fā)射管，2—密封外殼，3—第一電位器，4—第二電位器，5——指示燈，6——鏡架，7——發(fā)射透鏡，8——紅外濾光片，9——光路，IO——定位柱，11——PCB板。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本實(shí)用新型的發(fā)射器結(jié)構(gòu)部分，如圖3:傳感器密封外殼，鏡架結(jié)構(gòu)，發(fā)射透鏡，濾光片，燈罩結(jié)構(gòu)，2塊PCB板。在本方案中，外殼上嵌裝濾光片和燈罩，鏡架上固定接收透鏡和PCB板。電路板I和電路板2圍繞鏡架由定位柱固定，垂直焊接。電路板I主要發(fā)射脈寬為5us，周期為230us的脈沖光束。主要分布電源模塊，單片機(jī)處理模塊，發(fā)射LED及其驅(qū)動(dòng)電路。電路板2主要是調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度和指示燈的顯示。主要分布距離調(diào)節(jié)電位器和電源和狀態(tài)指示燈。
[0033]接收器結(jié)構(gòu)部分，如圖4:傳感器密封外殼，鏡架結(jié)構(gòu)，接收透鏡，濾光片，燈罩結(jié)構(gòu)，3塊PCB板。在本方案中，外殼上嵌裝濾光片和燈罩，鏡架上固定接收透鏡和PCB板。3塊電路板圍繞鏡架由定位柱固定，相互垂直焊接。電路板I主要是處理接收信號，主要分布接收驅(qū)動(dòng)電路，運(yùn)放放大電路，單片機(jī)處理模塊，電源電路，NPN/PNP輸出電路。電路板2主要用于N0/NC切換電位器和指示燈顯示，主要分布距離調(diào)節(jié)電位器和電源和狀態(tài)指示燈。電路板3主要是NPN或PNP輸出和短路保護(hù)等作用，主要分布輸出電路，電源接口。
[0034]發(fā)射及驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)的軟件編程，使得單片機(jī)3腳輸出一個(gè)周期為230us，脈寬為5us的等脈寬脈沖信號。當(dāng)單片機(jī)3腳處于高電平時(shí)，場效應(yīng)管T2導(dǎo)通，將三極管Tl的基極電壓拉低，此時(shí)，三極管Tl截止，Dl發(fā)射管不導(dǎo)通。當(dāng)3腳處于低電平時(shí)，場效應(yīng)管T2截止，三極管Tl基極電流由電位器調(diào)節(jié)產(chǎn)生，此時(shí)三極管導(dǎo)通，發(fā)射管Dl點(diǎn)亮。發(fā)射管如此反復(fù)暗亮，將周期為230us，脈寬為5us的等脈寬電信號轉(zhuǎn)化成同樣具有此特性的光信號發(fā)射出去。
[0035]電位器調(diào)節(jié)，改變了三極管Tl的基極電流，經(jīng)三極管Tl放大后，發(fā)射管Dl的發(fā)射電流也隨之改變，發(fā)射電流影響著檢測距離。從而調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)對射產(chǎn)品的檢測距離。
[0036]采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，消除了溫度漂移的影響，整個(gè)發(fā)射電路性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，提聞工藝生廣效率，而且提聞了原有|旲擬電路的抗干擾能力。
[0037]接收管的選擇，本方案選擇穩(wěn)定可靠的光敏二極管，型號為Η)15_22(νΤΚ8。相對于光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間在5-30US，本方案選擇的光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間10ns，響應(yīng)速率更快。光敏三極管容易受到周圍溫度的影響，光電流波動(dòng)大，光敏二極管則不會(huì)受到周圍溫度影響使其接收電路不穩(wěn)定。在強(qiáng)光下，光敏三極管線性度差容易飽和，容易受到干擾，而光敏二極管輸出線性度更好，不易在強(qiáng)光下受到干擾。如下圖所示光電二極管輸出特性曲線
[0038]接收電路及放大電路，本方案采用高增益雙運(yùn)放集成塊進(jìn)行放大電路的設(shè)計(jì)。接收管將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，進(jìn)入耦合電容C3隔直通交的特性，可以濾除直流噪聲信號，經(jīng)過一級運(yùn)算放大后，經(jīng)過耦合電容C9，進(jìn)入第二級運(yùn)算放大輸出穩(wěn)定的放大信號。集成塊內(nèi)部的三極管對稱使用，使其在溫度漂移大大減弱。該運(yùn)放是低噪聲16nV/ VHz，低功耗180uA，具有較高增益，其抗外界干擾能力強(qiáng)，同時(shí)也使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定。在工藝生產(chǎn)中一致性好。
[0039]在本方案中，其放大倍數(shù)為A=Aa*Ab ；
[0040]Uol ^ -R8*Uil/R3;
[0041]Aa=-UoI/Ui I 義—R8/R3=—8.25
[0042]Uo2 ^ -R16*Ui2/R12;
[0043]Ab=-Uo2/Ui2 ^ -R16/R12=_9.17
[0044]A=Aa*Ab= (_8.25) * (~9.17) =75.6525
[0045]相對三極管放大電路，本方案使得放大倍數(shù)的精確，使得此放大電路在整個(gè)電路系統(tǒng)中，有著穩(wěn)定的放大功能，而且自身的低噪聲也使系統(tǒng)抗干擾能力加強(qiáng)，使得產(chǎn)品的性能更加穩(wěn)定。
[0046]對于單片機(jī) 處理模塊，利用單片機(jī)內(nèi)部集成的比較器，完成信號與固定閾值的比較，再通過軟件濾波和信號分析，判斷是否有接收到發(fā)射信號，完成輸出控制信號和指示燈的顯示，單片機(jī)通過對電位器電平檢查，判斷傳感器的亮通/暗通的輸出狀態(tài)。
[0047]發(fā)射器電路整改效果:在本新型的對射光電傳感器中，發(fā)射器電路簡單，性能穩(wěn)定可靠，降低了成本，增加了生產(chǎn)效率。同時(shí)單片機(jī)軟件的使用也使得頻率可調(diào)，抗干擾能力大大增強(qiáng)。
[0048]接收器電路整改效果:在本新型的對射光電傳感器產(chǎn)品中，通放大電路的改進(jìn)，使得產(chǎn)品抗強(qiáng)電磁干擾能力增強(qiáng)，使得溫度漂移穩(wěn)定，在溫度變換的環(huán)境中具有穩(wěn)定的檢測距離。經(jīng)檢測:可以安全通過射頻干擾，工頻強(qiáng)磁場干擾，群脈沖實(shí)驗(yàn)，電機(jī)干擾實(shí)驗(yàn)。接收器使用單片機(jī)進(jìn)行濾波和處理，使得接收器接收到的發(fā)射信號判斷準(zhǔn)確度提高，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定度和可靠性。
[0049]在光敏二極管的選擇，極大改善了環(huán)境光的干擾，測試顯示:抗強(qiáng)光干擾:>100000Lxo這樣穩(wěn)定的輸出使得新型對射光電傳感器更加適合工業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域。通過穩(wěn)定的放大電路放大，抑制了溫漂，增加了抗電磁干擾能力，再通過接受單片機(jī)的軟件檢波，選頻，判斷，輸出穩(wěn)定可靠的控制信號。而且角度小也使得距離可以做得更遠(yuǎn)，消除了檢測盲區(qū)的現(xiàn)象，可以檢測更小的物體。
[0050]發(fā)射器的光學(xué)系統(tǒng):如圖5所示，1.發(fā)射管:使用紅外發(fā)射管；2.外殼:密封；
3.電位器:可以調(diào)節(jié)亮通和暗通狀態(tài)；4.電位器:調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度；5.指示燈:電源指示燈和狀態(tài)指示燈；6.鏡架:固定透鏡和PCB板；7.發(fā)射透鏡；8.濾光片:使用紅外濾光片；9.光路，發(fā)射出小角度光束；10.定位柱；11.PCB板。
[0051]本方案中，如圖5所示，使用鏡架上定位柱定位和固定PCB板，通過透鏡的焦距來定位PCB上發(fā)射管的距離和位置，外殼上嵌裝有紅外濾光片。紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，通過透鏡形成一束近視平行光，再經(jīng)過紅外濾光片發(fā)射出去，這樣組成了發(fā)射器的光學(xué)系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.一種高可靠性對射光電傳感器，包括發(fā)射器和接收器，所述接收器是包括電源、接收管和接收驅(qū)動(dòng)電路、NPN/PNP輸出電路、單片機(jī)、運(yùn)放放大電路、鏡架、接收透鏡、濾光片和燈罩且均密封安裝于一個(gè)傳感器密封外殼內(nèi)的接收器， 其特征在于，所述發(fā)射器包括電源、發(fā)射管及其驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)，以及鏡架、發(fā)射透鏡、燈罩和濾光片，均密封在一個(gè)傳感器外殼內(nèi)， 所述的濾光片是紅外濾光片，所述的發(fā)射管是紅外發(fā)射管，所述的鏡架通過定位柱固定發(fā)射透鏡、紅外發(fā)射管以及驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)的PCB板， 所述傳感器外殼上嵌裝有紅外濾光片，所述紅外發(fā)射管、發(fā)射透鏡和紅外濾光片形成小角度光束光路，通過發(fā)射透鏡的焦距來定位PCB板上紅外發(fā)射管的距離和位置，紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，通過透鏡形成一束近似平行光，再經(jīng)過紅外濾光片發(fā)射出去，形成發(fā)射器的光學(xué)系統(tǒng)， 所述傳感器外殼還嵌裝有第一電位器和第二電位器，第一電位器用于所述發(fā)射器的切換亮通和暗通狀態(tài)，所述第二電位器用于調(diào)節(jié)發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度，所述傳感器的外殼還裝有指示燈，用于對電源和狀態(tài)的指示， 所述的接收器采用的濾光片是紅外濾光片，接收管是紅外接收管。
【文檔編號】G01D5/26GK203811189SQ201320861298
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】祁偉光, 許永童, 甘海苗 申請人:上海蘭寶傳感科技股份有限公司