光電傳感器應(yīng)用論文：淺談紅外光電傳感器的工作原理及應(yīng)用

1、本文由kanoy163貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 2010 年 第 23 期 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 機(jī) 械 與 電 子 科技信息 淺談紅外光電傳感器的工作原理及應(yīng)用 鄒麗娟 （濱州職業(yè)學(xué)院 【摘 山東 濱州 256603） 要】詳 細(xì) 介 紹 了 紅 外 光 電 傳 感 器 的 工 作 原 理 ，以 及 用 紅 外 光 電 傳 感 器 探 測 棉 花 的 位 置 ，實 現(xiàn) 對 靶 噴 霧 的 注 意 事 項 及 其 設(shè) 計 思 路 。 【關(guān) 鍵 詞】紅 外 光 電 傳 感 器 ；

2、工 作 原 理；應(yīng) 用 線 連 接 和 固 定 / 有 線 連 接 ，前 2 種 需 要 電 池 供 電 。 煙 霧 探 測 器 具 有 3 個 主 功 能 塊 ：傳 感 器 和 信 號 鏈 、處 理 器 和 通 信 接 口 。 最 基 本 的 獨 立 式 探 測 器通常不需要處理器和通信接口。 功 耗 是 無 線 煙 霧 探 測 器 的 一 個 重 要 方 面 ，因 為 它 們 需 要 能 夠 依 靠 一 個 電 池 長 時 間 運 行 。 這 使 得 微 控 制 器（例 如 MSP430 ）成 為 該 應(yīng) 用 的 理 想 選 擇 ；其 高 度 集 成 的 系 統(tǒng) 可 簡 化 設(shè) 計 并 降

3、 低 系 統(tǒng) 成 本 。 紅外 (IR 二極管和 IR 接 收 器 內(nèi) 置 于 煙 箱 內(nèi) ，用 于 檢 測 是 否 有 煙 霧 。 IR 二 極 管 會 定 期 發(fā) 出 脈 沖 ， 并 且系統(tǒng) 會檢 測 IR 接 收 器 信 號 以 確 定 煙 箱 內(nèi) 是 否 有 煙 霧 。 具有 互 阻抗 放 大器 功 能的 運算 放 大器 用 于將 IR 接 收 器 電 流 放 大，以 便 MSP430 中的 ADC 能 夠 對 進(jìn) 行 采 樣 。 在 采 樣 周 期 之 間 ，運 算放大器 和 IR 電 路 將 關(guān) 閉 ， 并 且 微 控 制 器 將 處 于 待 機(jī) 模 式 消 耗 不 足 在為應(yīng)用選

4、擇外部運算放大器時， 應(yīng)該使成本與 建立時間性能 達(dá) 到 平 衡 ，同 時 將 電 流 消 耗 降 至 最 低 。 建 立 時 間 對 于 允 許 探 測 器 在 短 時間 內(nèi) 提供 多 個煙 霧 事件 報 告 （這 樣 做 可 將 假 警 報 的 數(shù) 量 降 至 最 低 ） 至關(guān)重要。 為了進(jìn)一步減小外部組件的電流消耗， 某些器件直接從 MSP430 端 口 引 腳 獲 得 電 源 ，即 便 它 具 有 關(guān) 斷 功 能 。當(dāng) MSP430 處 于 待 機(jī) 狀 態(tài) 時 ，這 將 導(dǎo) 致 放 大 器 的 電 流 消 耗 降 為 零 ，從 而 顯 著 延 長 此 應(yīng) 用 的電池工作時間。 射 頻

5、收 發(fā) 器 在 選 擇 低 功 耗 無 線 (LPW 解 決 方 案 時 ， 范 圍 、 網(wǎng) 絡(luò) 配 置 和 功 耗 都 是 應(yīng) 該 考 慮 的 重 要 因 素 。 范 圍 受 輸 出 功 率 、敏 感 度 和 選 擇 性 的 影 響 ，它 反 過 來 影 響 其 它 信 號 源 的 堵 塞 和 將 所 需 信 號 與 本 地 干 擾 區(qū) 分 開 來 的 能 力 。 在 射 頻 設(shè) 計 中 ，選 擇 性 同 樣 很 重 要 ，在 設(shè) 計 2.4GHz 頻 帶 的 產(chǎn) 品 時 尤 其 如 此 （其 中 很 可 能 受 到 其 它 設(shè) 備 的 干 擾 ）。 在 選 擇 射 頻 無 線 電 時 ，了

6、 解 煙 霧 探 測 器 所 使 用 的 網(wǎng) 絡(luò) 配 置 也 很 重 要 ：點 對 點 、星 狀 或 網(wǎng) 狀 網(wǎng) 絡(luò) ，因 為 它 會 影 響 系 統(tǒng) 的 無 線 電 、處 理 器 、存 儲 器 和 電 源 要 求。 線 路 供 電 以 太 網(wǎng) 供 電 (IEEE 802.3af 通 過 標(biāo) 準(zhǔn) LAN 連 接 將 數(shù) 據(jù) 和 電 源 相 集 成 。 它 為 連 接 至 系 統(tǒng) 的 設(shè) 備 提 供 不 間 斷 的 最 大 15W （ 13W 負(fù) 載 ）、48V 的 額 定 電 源 。 煙 霧 探 測 器 的 電 源 要 求 遠(yuǎn) 低 于 有 源 器 件 的 12.5W 限 制 ，可 以 輕 松

7、從 PoE 獲 得 電 源 。 此 類 實 施 無 需 在 傳 感 器 位 置 運 行 AC 電 源 ，并 可 降 低 探 測 器 的 電 源 成 本 ，因 為 它 只 需 DC/DC 電 源 轉(zhuǎn)換。 按照噴霧器噴霧的原理分為四種： 第一種用的是伯努利原理。 伯努利原理說的是在同一流質(zhì)里，流速大，壓強(qiáng)?。涣魉傩?，壓強(qiáng) 大 。 流 體 會 自 動 從 高 壓 流 向 低 壓 。 在 通 過 三 叉 管 時 ，低 速 流 動 的 水 流 向 高 速 的 流 動 的 空 氣 。 水 被 高 速 空 氣 撕 成 一 小 滴 一 小 滴 （設(shè) 想 水 龍 頭 里 流 出 的 水 ，剛 開 始 速 度 慢

8、 ，是 水 柱 ；但 后 來 速 度 逐 漸 增 大 后 就 變 成 一 滴 一 滴 了 ）。 這 些 小 水 滴 噴 出 來 后 就 成 了 霧 。 第 二 種 用 的 是 把 水 壓 入 細(xì) 管 造 成 高 速 水 流 ，高 速 水 流 碰 到 障 礙 物 后裂成小水滴的原理。 情形像把水龍頭打開后用手指堵住。 家用的噴 霧 器 多 用 這 種 結(jié) 構(gòu) ，成 本 低 。 第 三 種 是 讓 水 帶 上 電 荷 （水 是 電 介 質(zhì) ），利 用 同 種 電 荷 互 相 排 斥 把 水分成微滴的原理。 這種方法的水滴顆粒很小。 同樣的原理也用于給汽車涂漆。 第 四 種 是 超 聲 霧 化 原

9、理 。 振 動 可 以 在 水 面 引 起 “ 浪 花 ” ，超 聲 波 的 振 動 頻 率 十 分 高 ，于 是 它 的 “浪 ”的 波 長 很 小 ，因 此 它 的 “浪 花 ” 小 水 滴 也 很 小 ，這 些 小 水 滴 就 成 了 霧 。 農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)， 先進(jìn)的植保技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)豐收的保 障 ，現(xiàn) 代 植 物 病 蟲 害 防 治 仍 然 以 化 學(xué) 藥 劑 防 治 為 主 ，我 國 常 規(guī) 施 藥 方 法 和 施 藥 器 械 落 后 ，大 量 農(nóng) 藥 流 失 到 水 體 、土 壤 和 大 氣 中 ，農(nóng) 藥 的 利 用 率 低 ，防 治 成 本 高 ，并 造 成 嚴(yán) 重 的 環(huán)

10、 境 污 染 ，對 某 些 害 蟲 防 治 效 果 欠 佳， 先進(jìn) 的施 藥方 法和 施藥 器械 的 研究 與開 發(fā)對 我國 農(nóng)業(yè) 的持 續(xù)發(fā) 展, 降 低 生 產(chǎn) 成 本, 特 別 是 保 護(hù) 環(huán) 境 具 有 重 要 的 作 用 。 對 靶 噴 霧 是 新 近 發(fā) 展 起 來 的 高 效 低 污 染 施 藥 新 技 術(shù) ，AGTECH 公 司 研 制 的 “Tree sense ”智 能 噴 霧 器 采 用 了 “沙 漠 風(fēng) 暴 ”中 使 用 的 探 測 敵 人 坦 克 的 三 維 圖 像 傳 感 器 ， 它 能 夠 根 據(jù) 作 物 的 距 離 、 形 狀 進(jìn) 行 有 效 噴 ;DURAND

11、 WAYLAND 公 司 的 “Smart Spray ” 噴 霧 器 、 “Tree-see ” 噴 霧 器 使 用 了 先 1mA 的 電 流 。 進(jìn) 的 聲 納 系 統(tǒng) 來 進(jìn) 行 目 標(biāo) 的 準(zhǔn) 確 定 位 ，這 些 裝 置 精 度 高 ，但 價 格 昂 貴 。 根 據(jù) 我 國 國 情 ，我 們 設(shè) 計 了 紅 外 光 電 探 測 器 來 進(jìn) 行 目 標(biāo) 的 探 測 ，并 結(jié) 合 高 壓 靜 電 使 霧 滴 帶 電 ，帶 電 的 霧 滴 作 定 向 運 動 飛 向 植 株 ，最 后 吸 附 在 植 株 上 ，其 命 中 率 顯 著 提 高 。 這 種 紅 外 探 測 器 研 制 成 本

12、 低 、靈 敏 度 高、體 積 小 ，加 上 與 靜 電 結(jié) 合 ，就 會 達(dá) 到 與 上 述 系 統(tǒng) 基 本 相 同 的 效 果 。 1 工作原理 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn) 控 制 的 。 光 電 傳 感 器 在 一 般 情 況 下 ，有 三 部 分 構(gòu) 成 ，它 們 分 為 ：發(fā) 送 器 、 接收器和檢測電路。 發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束， 發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源， 發(fā) 光 二 極 管 (LED 、 激 光 二 極 管 及 紅 外 發(fā) 射 二 極 管 。 光 束 不 間 斷 地 發(fā) 射 ，或 者 改 變 脈 沖 寬 度 。 接 收 器 有 光 電 二 極

13、管 、 光 電 三 極 管 、 光 電 池 組 成 。 在 接 收 器 的 前 面 ，裝 有 光 學(xué) 元 件 如 透 鏡 和 光 圈 等 。 在 其 后 面 是 檢 測 電 路，它 能 濾 出 有 效 信 號 和 應(yīng) 用 該 信 號 。 此 外 ，光 電 開 關(guān) 的 結(jié) 構(gòu) 元 件 中 還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。 三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置 。 它由很小的三角錐體反射材 料 組 成 ，能 夠 使 光 束 準(zhǔn) 確 地 從 反 射 板 中 返 回 ，具 有 實 用 意 義 。 它 可 以 在 與光軸 0 到 25 的 范 圍 改 變 發(fā) 射 角 ，使 光 束 幾 乎 是 從 一 根 發(fā) 射 線 ，

14、經(jīng) 過 反 射 后 ，還 是 從 這 根 反 射 線 返 回 。 它 的 分 類 和 工 作 方 式 ： 1.1 槽 型 光 電 傳 感 器 把 一 個 光 發(fā) 射 器 和 一 個 接 收 器 面 對 面 地 裝 在 一 個 槽 的 兩 側(cè) 的 是 槽 形 光 電 。 發(fā) 光 器 能 發(fā) 出 紅 外 光 或 可 見 光 ，在 無 阻 情 況 下 光 接 收 器 能 收 到 光 。 但 當(dāng) 被 檢 測 物 體 從 槽 中 通 過 時 ，光 被 遮 擋 ， 光 電 開 關(guān) 便 動 作 。 輸 出 一 個 開 關(guān) 控 制 信 號 ，切 斷 或 接 通 負(fù) 載 電 流 ，從 而 完成一次控制動作。 槽

15、形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般 只有幾厘米。 對射型光電傳感器 若把發(fā)光器和收光器分離開， 就可使檢測 距離加大。 由一個發(fā)光器和一個收光器組 成的光電開關(guān)就稱為對射分 離 式 光 電 開 關(guān) ，簡 稱 對 射 式 光 電 開 關(guān) 。 它 的 檢 測 距 離 可 達(dá) 幾 米 乃 至 幾 十 米。 使 用 時 把 發(fā) 光 器 和 收 光器 分 別 裝 在 檢 測 物 通 過 路 徑 的 兩 側(cè) ，檢 測 物 通 過 時 阻 擋 光 路 ，收 光 器 就 動 作 輸 出 一 個 開 關(guān) 控 制 信 號 。 1.3 反 光 板 型 光 電 開 關(guān) 把 發(fā) 光 器 和 收 光 器 裝 入 同

16、 一 個 裝 置 內(nèi) ， 在 它 的 前 方 裝 一 塊 反 光 板 ，利 用 反 射 原 理 完 成 光 電 控 制 作 用 的 稱 為 反 光 板 反 射 式 ( 或 反 射 鏡 反 射 式 光 電 開 關(guān) 。 正 常 情 況 下 ，發(fā) 光 器 發(fā) 出 的 光 被 反 光 板 反 射 回 來 被 收 光 器 收 到 ；一 旦 光 路 被 檢 測 物 擋 住 ，收 光 器 收 不 到 光 時 ，光 電 開 關(guān) 就 動 作 ，輸 出 一 個 開 關(guān) 控 制 信 號 。 1.4 擴(kuò) 散 反 射 型 光 電 開 關(guān) 它 的 檢 測 頭 里 也 裝 有 一 個 發(fā) 光 器 和 一 個 收 光 器 ，

17、但 前 方 沒 有 反 光 板 。 正 常 情 況 下 發(fā) 光 器 發(fā) 出 的 光 收 光 器 是 找 不 到的。 當(dāng)檢測物通過 時擋住了 光，并把光部分反射回 來，收光器就收 到 光 信 號 ，輸 出 一 個 開 關(guān) 信 號 。 1.2 3 設(shè)計思路 2 設(shè)計注意事項 煙 霧 探 測 器 是 為 3 種 基 本 類 型 的 系 統(tǒng) 實 施 而 設(shè) 計 的 ：獨 立 式 、無 紅外線是一種不可見光，采用專用的紅外發(fā)射管和接收管，可以 有 效 地 防 止 周 圍 可 見 光 的 干 擾 ，進(jìn) 行 無 接 觸 探 測 ，不 損 傷 被 測 物 體 。 該 探 測 器 安 裝 在 電 動 小 車 上

18、 。紅 外 對 靶 噴 霧 主 要 用 在 棉 （下 轉(zhuǎn) 第 123 頁 ） 110 科技信息 機(jī) 械 與 電 子 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2010 年 第 23 期 在 生 產(chǎn) 過 程 中，一 些 簡 單 的 故 障 ，諸 如 電 容 或 者 二 極 管 正 負(fù) 反 接 ， 虛焊，誤焊 短 路 等可 通 過觀 察 發(fā) 現(xiàn) 并予 以 糾正 。 經(jīng) 過 一 段 時 間 使 用 后 發(fā) 生 的 常 見 問 題 ，一 般 有 兩 種 ， 無 輸 出 電 壓 ， 輸 出 電 壓 數(shù) 值 偏 差 大 ， 故 障 的 維 修 遵 照 電 路 的 組 成 ，

19、可 以 按 流 程 檢 測 如 下 。 46 穩(wěn) 壓 控 制 電 路 檢 修 ：常 見 故 障 為 輸 出 電 壓 不 符 合 要 求 。 光 電 耦 合 器 PC817 光 敏 管 或 者 發(fā) 光 管 異 常 、精 密 穩(wěn) 壓 管 TL431 導(dǎo) 通 不 正 常 、取 樣 電 路 中 電 阻 R9 或 者 R10 阻 值 出 現(xiàn) 偏 差 、剩 余 的 C7 、R7 、R8 出 現(xiàn) 問 題，都 有 可 能 導(dǎo) 致 輸 出 電 壓 偏 差 。 如 電 容 電 阻 ，可 以 上 述 的 電 阻 法 進(jìn) 行 測 量 。 如 光 電 耦 合 器 和 穩(wěn) 壓 二 極 管 等 特 殊 元 器 件 ，可 遵

20、 照 方 法 如 下 ： 41 檢查 有 無 交 流 電 輸入 ，如 無 輸 入 ，檢 查 進(jìn) 線 是 否 斷 路 ，進(jìn) 線 線 路 是否磨 損 ，觀 察 熔 斷 絲 是 否 異 常 ，是 否 有 明 顯 損 壞 元 件 ，電 容 是 否 鼓 包 、發(fā) 黑 異 常 ，如 是 此 類 問 題 ，更 換 恢 復(fù) ，檢 測 是 否 有 輸 出 電 壓 。 如 不 能 解 決，進(jìn) 入 下 一 環(huán) 節(jié) 。 461 PC817 光 電 耦 合 器 的 檢 測，可 以 用 電 阻 法 估 測 。 正 常 情 況 下 ，正 向測量 1-2 腳，即 發(fā) 光 管 兩 端 ，電 阻 約 為 1.1K 左 右 ，反

21、向 為 無 窮 大 ；34 腳，即 光 敏 管 兩 端 ，正 反 向 均 為 無 窮 大 ，若 測 得 1-2 腳 和 3-4 腳 有 短 路，表 明 已 壞 ，需 更 換 。 42 整 流 濾 波 電 路 檢 修 ：是 否 有 310V 的 直 流 電 壓 輸 出 ，如 無 輸 出 ，用 電 阻 法 檢 查 熔 斷 絲 是 否 開 路 ，開 路 則 更 換 ；用 電 阻 法 檢 測 濾 波 電 容 C1 462 是 否 損 壞 ，接 近 無 窮 大 正 常，如 較 小 或 斷 路 ，則 說 明 損 壞 需 更 換 。 同 樣 以 電 阻 法 檢 測 整 流 橋 中 二 極 管 是 否 正 常

22、 ， 異 常 則 更 換 。 有 310V 電 壓 輸 出，進(jìn) 入 下 一 環(huán) 節(jié) 。 TL431 內(nèi) 部 為 集 成 電 路 ， 用 萬 用 表 不 能 直 接 測 出 其 好 壞 ， 只 能 對 其 進(jìn) 行 大 致 判 斷 。 只 要 任 兩 腳 間 沒 有 短 路 ，便 可 在 電 路 中 試 用 ，然 后 47 通 過 電 壓 法 進(jìn) 行 確 證 ，其 穩(wěn) 壓 值 在 2.5V-36V 之間 可 變 。 保 護(hù) 電 路 的 檢 修 ：R3 、C2 、D5 、C6 ，常 規(guī) 元 件，檢 測 方 法 遵 前 文 。 綜 上 所 述 ，PCB 板 檢 測 的 方 法 主 要 有 ：靜 態(tài) 觀

23、 察 、測 電 阻 法 、測 電 壓法 。 維 修 工 作 必 須 在 吃 透 原 理 和 電 路 功 能 的 基 礎(chǔ) 上 ，這 些 并 不 是 一 蹴 而 就 的 ，需 要 時 間 學(xué) 習(xí) 理 論 知 識 ，練 就 較 強(qiáng) 的 動 手 能 力 。 總 之 ，熟 方 能 生 巧 ，與 各 路 技 術(shù) 人 員 共 勉 。 43 節(jié)。 啟動 電 路 檢修 ：檢測 啟 動 電 阻 是 否 開 路 ，開 路 更 換 ，進(jìn) 入 下 一 環(huán) 44 反 饋 與 振 蕩 電 路 檢 修 ：常 見 故 障 為 電 路 不 起 振 。 在 斷 電 情 況 下 ， 對 濾 波 電 容 進(jìn) 行 放 電 ，用 電 阻 法 檢 查 反 饋 繞 組 電 阻 ，反 饋 繞 組 工 作 電 流 小，一 般 不 會 開 路 ，常 見 的 是 開 關(guān) 變 壓 器 反 饋 繞 組 脫 焊 。 檢 查 反 饋 電 阻 R4 、R11 、二 極 管 D6 是 否 開 路 ， 對 反 饋 電 容 C3 先 觀 察 其 外 形 是 否 正 常，開 路 測 量 電 阻 ，損 壞 或 不 能 確 定 時 更 換 。 開關(guān)芯 片 CR6229 是 否 正 常 檢 測 比 較 麻 煩 ，而 芯 片 價 格 低 廉，一 般 采 取 代 換 法 較 簡 便 。 有 開 關(guān) 電 源 使 用 芯 片 比 較 高 價 ， 定