反射式光电传感器（精选六篇）
反射式光电传感器 篇1
本文所述的智能寻迹小车采用红外光电传感器来识别道路中央的黑色引导线,通过单片机来控制步进电机调节转向和转速,从而实现小车快速稳定的寻迹行驶。为保证小车在行驶的过程中具有良好的操纵稳定性和平顺性,本文针对道路特点对小车的方向控制和速度控制,以及传感器的安装都提出了较为理想的解决方案。
1 系统工作原理
1.1 智能小车寻迹原理[1]
在智能车系统中,寻迹电路采用红外光电传感器进行检测并且寻迹运动。红外发射管发射的红外线具有一定的方向性,当红外线照射到白色地面时会有较大的反射,如果距离取值合适,红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大;如果红外线照射到黑色标志线,黑色标志线会吸收大部分红外光,红外接收管接收到红外线强度就很弱。寻迹时,引导线是黑颜色,不宜反光,当红外发射管输出信号照射到黑色引导线上时输出一个非常微弱的低电平,这个过程是一个负跳变过程,通过对此信号高低电平的检测就可以知道小车是正在沿着引导线行驶,若不是沿着引导线行驶,单片机根据传感器送回的信号可以判断并驱动电机正确转向,从而使小车沿着正确的轨道行驶。本系统在小车的前部朝地面方向安装了3个红外对管,分别为左、中和右。本系统使用传感器的型号为RPR220。
1.2 系统整体原理框图
智能小车由车架、电源、光电传感器、驱动电机和主控制系统等组成,如图3 所示。智能车的工作过程是:3个光电传感器探测路径信息,并将这些信息输入到单片机控制系统,单片机进行分析,通过控制算法对驱动系统发出控制命令,驱动2个步进电机,使小车沿指定的黑线前进[2]。
智能车的主控制器采用美国ATMEL公司生产的AT89C52。系统I/O口的具体分配如下:P2.0-P2.2共3 位,用于小车前面路径识别的输入口;P1.0-P1.2 用于驱动电路L297的半步/整步、正转/反转和刹停控制信号输出;P3.1用于驱动电路的时钟信号输出。
2 路面黑线检测电路[3]
2.1 黑线检测电路
黑线检测电路共有3种方案,分别是图2的(a)、(b)、(c)3个图。图2(a)中:RPR220光电传感器应用时,理想的工作状态是输出部分处于饱和导通,查阅参数得到:UCES为0.1～0.3 V,此时IF=20 mA,IC=0.1 mA,二极管的导通电压大约为1 V,可以计算得到:
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测试数据如表1:
从表1可以看出,黑白相差的电压值最大时,离反射面的最佳距离为6 mm,距离的调节范围也比较大。然后将电路图2(a)的输出直接与单片机的P2.0口相连,此时,出现单片机接收码出错,分析得出:原因是单片机的P2.0口内部有自己的上拉电阻,所以出现低电平采不回去,为了克服此现象,改用图2(b)中,去掉电路原有的上拉电阻直接与单片机相连,但是出现距离局限的问题,即实验数据表明:只有距离为6 mm时,效果很好,但距离稍有波动,单片机就不能正常工作,因此,最后选用电路图2(c),在图2(a)的基础上输出端加一个非门再接到单片机。经过测试得到:此电路应用时,光电管距反射面的距离调节范围比较大,能够满足系统的要求。
3 步进电机的驱动电路
3.1 步进电机驱动电路[4]
步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。与其他驱动元件相比,有明显优点:通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制;输出的转角或位移精度高,误差不会积累,价格便宜。并且因为步进电机是根据脉冲个数决定旋转角度的,单片机只需记下脉冲个数就能计算出电机的旋转角度,从而计算出小车的行驶距离,省去了路程检测模块,简化了设计。本系统采用步进角为1.8°、两相步进电机制作小车,利用89C52单片机作为控制核心,动作相当精准,循迹时红外传感器与黑线只留相当小的裕度,小车可以基本沿弧线行走,不再是折线。用两个步进电机直接驱动两个前轮,作为主动轮;用一个万向轮作后轮,作为从动轮。将它们固定到一块大小合适的实验板上,车架就组装完毕,非常简单。分别对两个步进电机驱动,靠两个电机的速度差转向。系统的硬件设计利用89C52单片机定时器1口输出脉冲信号,为L297提供时钟信号,P1.0、P1.1、P1.2分别作为电机正反转、半步整步和刹停的控制信号连接到L297的17、19和20管脚;L297和L298作为驱动部分,输出格雷码来驱动步进电机工作。如图3。
在实际应用中,常用光耦把L297的输入与单片机的输出隔开,以免影响控制部分电源的品质。如图4。
3.2 智能循迹小车的软件流程
系统实现的软件流程图如图5。
4 结论
本文介绍了智能循迹小车系统的硬件和软件设计。通过多种传感器电路,进行比较、分析,最后采用较为精确的位置检测,为智能小车提供了可靠的方向控制策略,使整个系统的稳定性达到了较高的水平,整个模块可供自动寻迹小车直接使用。本文在黑色引导线的白板上制成的车道,对智能车进行了测试,数据表明:智能车在直道上可以达到很高的速度和稳定性,在弯道上只要控制好车速,智能车也能平稳地运行。
参考文献
[1]高月华.基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计[J].光电技术应用,2009,30(1):134-137.
[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:航空航天大学出版社,1990.
[3]刘全盛.数字电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
光电传感器工作原理 篇2
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。
分类和工作方式
⑴槽型光电传感器
把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
⑵对射型光电传感器
若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。
⑶反光板型光电开关
把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。
⑷扩散反射型光电开关
反射式光电传感器 篇3
关键词：红外线；反射型；光电传感器件；电压值；测试电路；测试装置 文献标识码：A
中图分类号：O434 文章编号：1009-2374（2016）14-0063-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.032
反射型红外光电传感器件的检测效果，受反射光的强弱影响，也与发射管工作电流、检测距离、反射面材料、环境光照等因素相关。参考文献[1]采用控制变量法，给出对于同一传感器件，以上几种因素变化与检测结果之间的相互影响关系。在此基础上，本文采用相同的实验方法，检测RPR220、RPR359、TCRT5000、ST188、ITR20001五种常用反射型红外光电传感器件，在白色、黑色与亚光铝箔表面的反射特性。
1 实验方法
图1为检测装置实物照片，游标卡尺用于测量传感器离反射面的距离，被测传感器件固定在游标卡尺的外测量爪上，可以更换；被测传感器件的检测窗口端面与量爪测量面齐平，是反射面、平口钳作为底座，夹住游标卡尺的另一个外测量爪，使尺身与平口钳的台面垂直，且固定不动。装置检测电路，R2取20kΩ。检测电路中的各连接线，宜编织成对绞线，可减少外界电磁信号的干扰。
检测实验在室内、晴天晚上进行，室温为20℃，桌面照度为120Lx（日光灯）。测试各传感器件在白色、黑色与亚光铝箔表面的反射特性时，对应传感器件发射管的工作电流均取10mA。
2 实验结果分析
图2是RPR220、RPR359测试特性曲线。黑色表面，RPR220检测距离为6mm时，最低电压值为3.95V，RPR359在检测距离4mm时，最小电压值为3.68V；白色表面，RPR220距离处于3～13mm时，输出电压不超过0.8V，RPR359的距离范围则为1～12mm；亚光铝箔表面，RPR220的低电平检测距离范围增加为2～22mm，RPR359的距离范围为1～26mm。
图3是TCRT5000测试特性曲线，黑色表面，在检测距离为4mm，输出电压最小值为2.5V；白色表面，检测距离范围为1～19mm，输出电压小于0.8V；亚光铝箔表面，输出电压小于0.8V的检测范围为1～25mm。
图4是ST188测试特性曲线，黑色表面，在检测距离为9mm，输出电压最小值为2.99V；白色表面，检测距离范围为4～30mm，输出电压小于0.8V；亚光铝箔表面，输出电压小于0.8V的检测范围为3～63mm。
图5是ITR20001测试特性曲线，黑色表面，在检测距离为8mm，输出电压最小值为3.98V；白色表面，检测距离范围为4～16mm，输出电压小于0.8V；亚光铝箔表面，输出电压小于0.8V的检测范围为2～51mm。
各器件在黑色表面，检测输出电压的最小值，均大于TTL逻辑高电平输入最小限值（2V），符合TTL逻辑高电平匹配要求。通过各器件的有效检测距离对比可以得到，ST188与ITR20001传感器件，亚光表面有效检测距离范围相对较大。ST188在白色表面，小于4mm的距离范围为其无效检测区域，RPR359与TCRT5000白色表面无效检测距离均小于1mm。表1是RPR220、RPR359、TCRT5000、ST188、ITR20001五种传感器件，在本实验条件下，测得黑色表面的最小输出电压，与白色、亚光铝箔表面的有效检测距离范围，为选用上述传感器件提供参考。
3 结语
以上测试结果表明，不同种类的红外反射型光电传感器件，其有效检测距离各不相同，其中RPR220与RPR359两种传感器件检测结果相比较，白色表面的测试特性曲线，在实验误差范围内基本重合，黑色与亚光铝箔表面测试特性曲线相似。从两者的测试特性曲线推断，RPR220与RPR359应是采用相同类型的红外检测器件，只是封装型式不同，使两者的检测范围有所差异，即同一类型的红外反射型光电传感器件，采用不同的封装形式，其有效检测范围亦不相同。
参考文献
[1] 吴天强，叶敏，朱剑，等.RPR220反射式光电传感器的性能测试与分析[J].科技与企业，2015，（7）.
[2] 冯笑笑，胡佳娟，等.红外光电传感器的性能分析与应用[J].苏州大学学报（工科版），2012，32（1）.
[3] 张文娜，叶湘滨.传感器接口电路的抗干扰技术及其应用[J].计算机自动测量与控制，2001，9（3）.
基金项目：本文为2015年浙江省教育厅一般科研项目，项目编号：Y201533061。
作者简介：吴天强（1977-），男，浙江天台人，台州科技职业学院讲师，硕士，研究方向：电子电路教学。
反射式光电传感器 篇4
槽型与反射型光电传感器广泛应用于工业自动化、办公自动化设备、医疗器械、电子玩具等行业中。槽型与反射型光电传感器一般由发射器、接收器以及外壳三部分组成, 但也有一些光电传感器从使用角度考虑还装配了导线、连接器、PCB板等。外壳是槽型与反射型光电传感器中十分重要的部件。光电传感器中的发射器与接收器固定于外壳中, 两者保持适当的距离或成一定的角度。光电传感器输出电流的变化可以用来判断发射器与接收器之间是否存在遮挡物, 或传感器前是否存在反射物。外壳上的一些尺寸如槽道缝隙的宽度、安装孔之间的距离以及发射器与接收器安装孔轴线之间的角度等直接与光电传感器输出电流相关。
除特殊用途外, 槽型与反射型光电传感器外壳一般由工程塑料通过注射模工艺制造而成。与其它塑料制品相比, 光电传感器外壳尺寸小, 精度高, 除满足功能要求外, 还要满足装配、可靠性等方面的要求。光电传感器外壳的设计包括材料选取、结构设计、发射器与接收器在外壳中的固定方式等内容。本文从上述几个方面对光电传感器外壳设计进行了探讨, 并对注塑过程中的常见缺陷进行了讨论。
2 外壳材料的选取
常用外壳材料一般有PC、ABS、PBT等, 材料选取的考虑因素包括功能要求、可靠性试验、装配工艺、使用环境、成本因素等。一般情况下要求外壳材料对可见光及红外光不透明, 少数情况如为避免灰尘对发射器与接收器透镜的磨损, 外壳材料选用可见光或红外光可透射的材料。塑料是良好的绝缘体, 在一些使用场合, 要求光电传感器具有防静电功能, 这种情况下外壳材料应有一定的导电性, 这可通过在塑料材料中添加一定百分比的碳纤来实现。再如槽型光电传感器装配时常采用热压 (heat staking) 工艺, 选用的外壳材料应满足热压工艺的要求, 否则在产品装配时会遇到问题。另外, 电子产品批量生产前要经过可靠性试验, 通常可靠性试验包括80℃高温试验, -20℃低温试验, 85℃/85%相对湿度的高温高湿试验, -40℃/100℃的高低温交变试验等。不同塑料材料、同一种塑料材料但型号不同或添加不同比例的玻纤, 材料性质都会不同。表1为几种塑料某一型号在两种载荷下的热变形温度, 若选用材料的热变形温度偏低, 则产品就无法通过可靠性试验。
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3 外壳结构设计
(1) 发射器与接收器的固定方式。槽型光电传感器的发射器与接收器多为侧面发光或受光, 外形为长方体, 发射器与接收器在塑料外壳内的固定可采用热压方式, 如图1所示。采用这种固定方式的外壳结构简单, 且由于发射器或接收器与安装孔之间存在间隙, 不易因材料收缩率的不同造成塑料外壳对发射器或接收器挤压, 在发射器或接收器内产生应力。另一种固定方式是在安装孔内加筋, 筋的形状可采用三角形, 如图2所示。这种方式的优点是发射器或接收器不能在安装孔内活动, 光电传感器输出电流稳定性比较好。必要时也可将上述两种固定方式结合起来使用。
反射式光电传感器的发射器与接收器外形多为圆柱体, 一种固定方式为紧固配合, 即发射器或接收器与安装孔之间采用过盈配合。这种固定方式的外壳设计为一个部件, 缺点是发射器或接收器内易产生应力。另一种固定方式是将外壳设计成两个部件, 其中一个部件为芯体, 发射器与接收器固定于芯体部件, 而另一部件为壳体, 芯体与壳体则采用卡夹 (snap fit) 进行连接[1,2]。
(2) 主要尺寸的确定。槽型光电传感器的输出电流不仅和发射器辐射强度以及接收器集电极电流有关, 还和发射器与接收器的距离以及发射器与接收器前槽缝的宽度有关[3]。因此, 发射器与接收器安装孔外表面间距 (见图3) 、发射器与接收器前槽缝的宽度是外壳结构设计中两个十分关键的尺寸。其次, 光电传感器外壳结构的壁厚应合理选取, 且尽可能均匀一致[4], 以避免产生表面缩印和翘曲。槽型光电传感器外壳的主要尺寸应根据应用场合及具体要求加以确定。表2为槽型光电传感器外壳主要尺寸的参考范围。对反射型光电传感器外壳结构设计, 发射器与接收器安装孔轴线之间的角度是一个关键尺寸, 它和光电传感器与反射物之间的距离、发射器与接收器之间的相对位置有关, 一般可在30°~90°之间选取。
无论是槽型还是反射型光电传感器, 安装孔尺寸都需要根据发射器及接收器的尺寸及其变差来确定。尤其在发射器或接收器与安装孔之间采用紧固配合时, 获得发射器及接收器的尺寸及其变差的准确数据十分重要。侧面发光的长方形发射器或侧面受光的长方形接收器一般通过传递模成型而成, 尺寸精度较高, 而顶部发光的圆柱形发射器或顶面受光的圆柱形接收器则通过在模杯中注入环氧树脂 (epoxy) , 在一定温度下固化成型, 其尺寸变差取决于模杯尺寸的精度, 尤其底部圆柱体的高度与模杯中环氧树脂的注入量有关, 尺寸变化较大。
光电传感器外壳的尺寸精度取决于该尺寸的变化对产品功能、装配及安装的影响程度。槽型光电传感器外壳槽道缝隙的宽度、安装孔之间的距离, 反射型光电传感器外壳发射器与接收器安装孔轴线之间的角度, 这些尺寸直接影响产品的性能, 应取较高精度的公差值。而对产品功能、装配及安装的影响程度较小的尺寸, 考虑到成本因素, 宜选取适度宽松的尺寸精度。
(3) 其它。光电传感器外壳设计的细节方面也十分重要, 如分模线不应设置在产品安装表面;外壳应有发射器或接收器各自的安装标识, 以免装配时出错;设置一定的脱模斜度[5]等等。
4 外壳常见缺陷
因设计或注塑方面的原因, 光电传感器外壳在注塑成型后常见的缺陷包括尺寸不合要求、翘曲变形、表面有缩印、飞边等。
(1) 尺寸不合要求。影响外壳尺寸的因素很多, 材料的收缩率、外壳的结构设计、模具设计及注塑工艺对最终注塑件的尺寸都有影响。成型后的外壳一般都会有几个或多个尺寸与设计不符, 是否需要修改模具取决于这些尺寸对产品功能的影响程度、是否会影响装配、对光电传感器产品的安装是否有影响。
(2) 翘曲变形。由于材料在不同方向收缩率的不同, 以及外壳结构设计、模具设计、注塑工艺参数方面的原因, 光电传感器外壳在成型冷却过程中有时会发生翘曲变形, 影响光电传感器的功能。图4为发生翘曲变形后的槽型光电传感器外壳, 翘曲使传感器安装底面不再是一平面, 也改变了发射器与接收器安装孔之间的相对位置。有些在常温环境下能正常工作的产品, 经高温高湿等可靠性试验, 外壳发生翘曲变形而导致无法正常工作。在外壳设计时, 应尽可能使壁面厚度保持一致以防止翘曲的发生。不仅要保证常温环境下外壳不发生翘曲, 还要保证在可靠性试验条件下外壳也不发生翘曲变形。而一旦发生翘曲, 可采取的补救措施有:调整注塑工艺参数;改变模具顶针位置或增加模具顶针数量;修改外壳结构设计;改变外壳材料等。对一些复杂情况, 也可运用分析软件对外壳注塑成型过程进行模拟与分析, 为外壳的结构设计以及模具设计提供参考, 以解决翘曲变形问题[6]。
(3) 缩印与飞边。外壳表面的缩印与飞边不禁影响外壳的外观, 甚至有可能影响外壳的功能。外壳壁面过厚、壁厚不均、注塑工艺参数控制不当都易在外壳表面产生缩印[7]。飞边的产生则主要是由于注塑过程中的合模力不足、注塑工艺参数控制不当所造成。
5 结语
外壳是槽型与反射型光电传感器中十分重要的部件, 其中的一些尺寸直接影响到传感器的性能。光电传感器的可靠性等也与外壳的材料、结构直接相关。外壳结构设计的优劣还直接关系到光电传感器的成本、模具的复杂程度、注塑工艺以及产品装配的难易程度。因此, 外壳的设计在进行功能及外形设计的同时, 还需要考虑注塑成型的可行性和难易程度, 以及产品装配的可操作性。一个好的外壳设计需要设计工程师与材料供应商、模具设计师、产品工艺工程师之间良好的沟通。
摘要：槽型与反射型光电传感器外壳与其它塑料制品相比, 具有尺寸小、精度高等特点。槽型与反射型光电传感器外壳的设计不仅需要满足功能、可靠性方面的要求, 还需考虑模具设计与制造、注塑成型、产品装配等方面的要求。文中从材料选取、发射器与接收器的固定方式、一些主要尺寸的确定以及注塑成型过程中的常见缺陷等方面, 探讨了光电传感器外壳的结构设计与制造。
关键词：光电传感器,塑料制品,结构设计,外壳,注塑
参考文献
[1]MALLOY R A.Plastic Part Design for Injection Molding:An Introduction[M].Munich:Hanser, 1994:341-362.
[2]徐佩弦.塑料制品设计指南[M].北京:化学工业出版社, 2006:164-179.
[3]翁建华.外壳设计参数对光电开关辐射强度影响的计算[J].光电技术应用, 2010 (5) :20-23.
[4]钱志屏.塑料制品设计与制造[M].上海:同济大学出版社, 1993:61-65.
[5]张伟国, 李世国, 郦洪源.注塑件缺陷分析及结构设计解决方案[J].工程塑料应用, 2007 (1) :73-77.
[6]秦贞明, 王晓瑾, 郭建芬, 等.厚壁塑料制品的注射成型流动模拟分析及模具结构优化[J].工程塑料应用, 2011 (7) :41-43.
反射式光电传感器 篇5
平行光束反射式强度调制型光纤位移传感器是反射式强度调制型光纤位移传感器的一种典型结构[1],由于此种传感器的输出光强和被测位移量不是一一对应关系,给信号检测工作带来了困难。已有的采用限制传感器工作范围的方法,虽然可以解决双值问题,但也减小了传感器的量程[1]。本文在对传感器的输出光强与被测位移量关系进行理论分析和模拟仿真研究的基础上,提出一种在试件表面的特殊位置放置光敏元件指示试件移动范围的方法来解决双值问题。并提出了可以消除光源波动等因素影响的双光路传感器设计方案,设计了基于C8051F410/2单片机的信号检测硬件电路。仿真结果显示此方案既可解决双值问题又扩大了传感器的工作范围。
1 平行光束反射式强度调制型光纤位移传感器的双值问题
平行光束反射式强度调制型光纤位移传感器的光路示意图如图1[1]所示。图中,1为入射光在试件表面形成的椭圆形光斑,2为接收光纤接收光的区域,1、2交叠区直径为s。考虑到光源功率波动等因素对测量结果的影响,我们对同一光源输出的测量光路与参考光路的输出光强之比F与试件距传感头距离D的关系进行了研究[2,3],F的表达式为
式中,P1为测量光路接收光强;P2为参考光路接收光强;θ为光线入射角;2a为光纤直径。
取光纤直径2a=2 mm,入射光纤与接收光纤间距d=12 mm,光线入射角θ=30°,对此类传感器的F与D的关系进行仿真,结果如图2所示。
可以看出此类传感器的位移特性曲线是一条以Dm处光强为峰值的对称曲线,当试件在{Dmin,Dm}和{Dm,Dmax}(Dmin和Dmax分别为D的最小值和最大值)两个范围内移动时,会出现同一接收光强对应两个不同位移量的情况,也就是双值问题,此范围可根据公式求出[1]。双值问题会导致检测装置无法根据反射光强信号来判断物体的位移量,从而限制了该类传感器的实现。
2 解决方案
参照图1,光斑1的位置随着试件的移动而移动。设试件位于Dm时光斑的中心记为O,上顶点记为A,下顶点记为B。当试件在{Dmin,Dm}范围内移动时,椭圆形光斑1的下顶点在O与B点之间移动,光斑1一直覆盖A点,反之则不覆盖。
本文提出在试件表面的特殊点A处放置一个微型光敏元件来指示试件移动范围的方法来解决双值问题。由于光敏元件受激发产生电流,根据A点有无电流来判断试件移动范围。这样,测量区域就被分成两部分,每一部分中反射光强信号的大小都是被测位移量的单调函数,解决了接收光强是被测位移量的双值函数的问题。
本文设计的双光路传感器结构如图3所示,光源发出的光经过一个1×2耦合器分别发送到两个相同的位移传感器的入射光纤中。其中,一路传感器作为参考光路,试件固定在Dm处不变化,另一路作为测量光路。两路传感器的测量信号经过光电探测器、滤波放大器处理后经除法器相除即可消除一些因素对测量结果的影响。
这里要求参考光路和测量光路的相同元件采用同一型号的器件,以减少额外的误差。测量结果送入单片机进行处理,光敏元件可选择体积小、灵敏度高的硅光敏三极管。
对设计的传感器进行模拟仿真得到如图4所示的仿真结果(以入射角30°为例)。从图4可以看出,F与D成单调的近线性函数关系,解决了此类传感器中的双值问题。
3 硬件的实现
我们采用C8051F410/2单片机对传感器输出信号进行检测。此种单片机内部带有比较器和模/数(A/D)转换器,软件设定单片机的P2.1口和P2.0口作为比较器的两个输入端,P2.1口输入为“0”,P2.0口接收光敏三极管信号。令A点有电流时比较器输出为“1”,反之为“0”。双光路结构两路的检测信号经过滤波、放大、相除处理后输出到单片机的P0.7口,经过内置A/D转换器最后存储到寄存器中,然后从P0.2口、P0.3口输出,经74LS164与显示器相连。当检测到比较器的输出为“1”时,显示器上显示的是{Dmin,Dm}范围内的位移量。反之,显示在{Dm,Dmax}范围内的位移量,部分硬件电路如图5所示。
4 结束语
平行光束反射式强度调制型光纤位移传感器是一种很有应用前景的光纤位移传感器,具有其他类型位移传感器无法比拟的优点[4],以往的平行光束反射式强度调制型光纤位移传感器不可避免地要受到双值问题的影响。本文对此种光纤位移传感器所存在的双值问题进行了分析研究,并提出了利用光敏元件指示被测物体移动范围的方案,解决了反射光强是被测位移量的双值函数的问题,扩大了传感器的检测范围,也为被测位移量的实时显示提供了可靠的保证。
参考文献
[1]马惠萍,刘丽华,杨乐民,等.平行光束反射光强调制型光纤位移传感器研究[J].光学学报,2003,23(2):176-180.
[2]胡光辉,刘晔,张国林,等.双光路光纤位移传感器的研究[J].传感器技术,2005,24(1):30-32.
[3]Xiao S R.Investigation on the properties of the two-way optical fiber sensor for displacement[J].光子学报,1998,27(1):126-129.
反射式光电传感器 篇6
测量范围小是限制反射式光纤位移传感器使用的一个重要因素。为了提高位移测量范围、减小光源发光强度变化和被测量物表面粗糙度变化的影响,本文提出一种新的两路输出的反射式光纤位移传感器。
一、工作原理
一般反射式光纤位移传感器的基本原理如图1(a)所示。
由入射光纤和输出光纤组成传感光纤束,它们的端面平齐,作为探头,用来探测它到被测平面距离。光源发出的光经过入射光纤传输后投射到被测物表面上,被被测平面反射,输出光纤接收反射光,并将其传输至光电器件,光电器件将感受到的光转换成电信号,经信号处理后得到输出信号。当光纤头与被测表面距离不同时,光纤所接受的反射光强不同,输出信号的大小也就不同。一般输出信号U与被测距离之间关系曲线如图1(b)所示,曲线随位移增加,先升后降。曲线上升段长度较短,灵敏度高;曲线下降段长度较长,灵敏度低。通常只使用曲线上升段,因此测量范围较小。
二、探头设计
在反射式光纤位移传感器中,最关键的部位是探头,探头的好坏直接决定了传感器的性能。通常入射光纤和输出光纤都由许多根光纤组成,探头端面由所有光纤的端面组成,探头端面中入射光纤和输出光纤的排列可有不同的形式,不同形式的排列对输出信号与被测距离之间关系曲线有显著的影响。常见的排列形式有随机排列、对分排列和同心圆排列。其中入射光纤和输出光纤对分排列的探头对应的输出信号的上升段最长,而随机排列对应的输出信号的上升段最短。
为了进一步提高测量范围,可采用双光路输出,一路采用随机排列,一路采用对分排列。整个探头端面大体为圆形,用一直径把圆形分成两半,一半为一路输出光纤,另一半由另一路输出光纤和入射光纤的随机排列,如图2(a)所示。图中白色小圈代表一路输出光纤,灰色小圈代表另一路输出光纤,黑色小圈代表入射光纤。
三、理论分析
由两路输出光纤得到的输出信号如图2(b)所示。曲线1是由随机排列的输出光纤得到的信号U1,曲线2是由对分排列的输出光纤得到的信号U2,
式中A1和A2为各自转换系数,E为入射光强度,R为被测平面的反射率,F1(d)和F2(d)为d的函数。定义,
可见,F与入射光强度E,被测平面的反射率R无关,A为转换系数,F(d)为d的函数。
下面定性分析F与d关系曲线的形状。A为转换系数,它不影响F与d之间曲线的形状。在U2和U1的直线上升段,F基本为常数;当U1上升速率逐渐减小时,U2还在直线上升段,F上升速率逐渐增大;当U1按与位移平方大体成反比下降时,F上升速率最大;当U2上升速率逐渐减小时,F上升速率逐渐减小;往后F还会保持一段上升趋势。F与d关系曲线大体形状如图3所示。显然曲线的上升段加长,将F作为输出信号,可提高测量范围。
四、结论
将探头处光纤的随机排列和对分排列相结合,形成双光路输出,把两路信号的比值作为输出信号,既可提高测量范围,又可减小入射光强度波动和被测平面的反射率变化的影响。
摘要：将探头处光纤的随机排列和对分排列相结合,设计了一种双光路输出的反射式光纤位移传感器。利用两路信号的比值,既可提高测量范围、又可减小光源发光强度波动和被测量物表面反射率变化的影响。
关键词：光纤,位移,传感器
参考文献
[1]栾桂冬等.传感器技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社.2002.