摘要：文中闡述了光電檢測裝置的基本工作原理，并對光電檢測裝置應(yīng)用中的問題作以分析，論述了提高光電檢測裝置工作可靠性的具體措施。

關(guān)鍵詞：工作原理問題分析改善措施

1.光電檢測裝置工作原理

光電檢測裝置的電路可分為主動式和被動式兩類，主動式由發(fā)射和接收兩部分電路組成；被動式電路無發(fā)射部分，僅由接收部分電路組成。主動式的工作過程是：當(dāng)接收部分收到發(fā)射部分發(fā)射出的光信號時(shí)，電路不動作；當(dāng)由于障礙物的遮擋使得接收部分收不到發(fā)射部分發(fā)射出的光信號時(shí)，電路動作。被動式的工作過程與主動式電路的工作過程相同，只是它依靠被探測物體本身發(fā)射出的光信號而動作。兩者相比，由于被動式不需要發(fā)射電路，故電路結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活方便，應(yīng)用的領(lǐng)域更為廣泛。

（1）光電編碼器

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1（a）所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器的工作原理如圖所示，在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖，碼盤上有相應(yīng)的標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號，如圖1（b）所示。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

1）增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。

2）絕對式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：

①可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；

②沒有累積誤差；

③電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。

3）混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。

（2）光電式接近開關(guān)

光電開關(guān)的重要功能是能夠處理光的強(qiáng)度變化：利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化；利用光束來反射物體；使光束發(fā)射經(jīng)過長距離后瞬間返回。光電開關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。其中控制器又由光電接收環(huán)節(jié)、抗干擾環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、功率輸出、工作指示和保護(hù)電路等幾部分組成。其工作原理是通過反射光變化轉(zhuǎn)化為電信號，發(fā)光器（發(fā)光頭）由集成電路構(gòu)成振蕩器，振蕩頻率被調(diào)制成紅外光，接收頭中的光敏三極管接收紅外線脈沖調(diào)制信號，當(dāng)光路遮斷或暢通時(shí)，光敏三極管呈截止或?qū)▋煞N狀態(tài)，用電感L和電容C作為并聯(lián)諧振回路，作為接收管的負(fù)載，由于L、C對穩(wěn)定的直流呈現(xiàn)低阻抗，對調(diào)制脈沖呈現(xiàn)高阻抗，再經(jīng)過電容的隔離，就可以選出所需的調(diào)制脈沖信號，通過集成交流放大，其選通門而阻斷了雜散和燥聲干擾，選出信號再通過功率放大器輸出，實(shí)現(xiàn)開、關(guān)控制。光電式接近開關(guān)廣泛應(yīng)用于自動計(jì)數(shù)、安全保護(hù)、自動報(bào)警和限位控制等方面。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強(qiáng)度在發(fā)射中經(jīng)過多次選擇，朝著目標(biāo)不間接地運(yùn)行。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。光電開關(guān)可分為對射型、漫反射型、鏡面反射型：

1）對射型光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，結(jié)構(gòu)上是兩者相互分離的，在光束被中斷的情況下會產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號變化，典型的方式是位于同一軸線上的光電開關(guān)可以相互分開達(dá)50米。特征：

①辨別不透明的反光物體；

②有效距離大，因?yàn)楣馐缭礁袘?yīng)距離的時(shí)間僅一次；

③不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中；

④裝置的消耗高，兩個(gè)單元都必須敷設(shè)電纜。

2）漫反射型光電開關(guān)是當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值可達(dá)到到3米。其特征有：

①有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和和顏色決定；

②較小的裝配開支，當(dāng)開關(guān)由單個(gè)元件組成時(shí)，通常是可以達(dá)到粗定位；

③采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測量距離；

④對目標(biāo)上的灰塵敏感和對目標(biāo)變化了的反射性能敏感。

3）鏡面反射型光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的情況是一種標(biāo)準(zhǔn)配置，從發(fā)射器發(fā)出的光束在對面的反射鏡被反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號的變化。光的通過時(shí)間是兩倍的信號持續(xù)時(shí)間，有效作用距離從0.1米至20米。其特征有：

①辨別不透明的物體；

②借助反射鏡部件，形成高的有效距離范圍；

③不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中。

4）光電開關(guān)的主要用途分類見表1：

表1光電開關(guān)的主要用途分類

5）光電開關(guān)通用技術(shù)參數(shù)見表2：

表2光電開關(guān)通用技術(shù)參數(shù)

（3）紅外光電檢測裝置

紅外線是一種肉眼看不見的光線，凡是絕對零度以上的任何物體均向外輻射紅外線，只是不同溫度的物體輻射出的紅外線波長不同而已。紅外線的兩大特點(diǎn)是熱效應(yīng)和隱蔽性。人們正是利用其熱效應(yīng)這一特點(diǎn)制成了紅外線傳感器，進(jìn)而利用紅外線傳感器構(gòu)成各種光電控制應(yīng)用電路。被動式紅外線電路的一般性原理方框圖如圖2所示。紅外線傳感器把接收到的紅外線光轉(zhuǎn)換成電信號，放大及處理電路先對轉(zhuǎn)換后的微弱信號進(jìn)行放大，然后按某種方式進(jìn)行處理。執(zhí)行電路對前面送來的信號進(jìn)行指示、記錄、顯示或執(zhí)行一定的動作。

2.應(yīng)用中問題分析

光電檢測裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，在使用中暴露出許多缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）發(fā)射裝置或接受裝置因機(jī)械震動等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號，而不能產(chǎn)生電信號。例如；光電編碼器應(yīng)用在軋鋼調(diào)速系統(tǒng)中，因光電編碼器是直接用螺栓固定在電動機(jī)的外殼上，光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，因電動機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，當(dāng)軋機(jī)過鋼時(shí)會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動。經(jīng)測定；過鋼時(shí)光電編碼器振動速度為2.6mm/s，這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內(nèi)部功能。造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動作，導(dǎo)致事故發(fā)生。

2）因光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，受生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測裝置不能可靠的工作。如安裝部位溫度高、濕度大，導(dǎo)致光電檢測裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如在連鑄機(jī)送引錠跟蹤系統(tǒng)，由于光電檢測裝置安裝的位置靠近鑄坯，環(huán)境溫度高而導(dǎo)致光電檢測裝置誤發(fā)出信號或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。

3）生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾源，對光電檢測裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20—100米，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容的影響再加上和其它電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波形失真，從而使反饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號與實(shí)際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。

3.改善措施

1）改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動機(jī)外殼上，而是在電動機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動機(jī)沖擊負(fù)載對光電編碼器的機(jī)械沖擊。采用此方式后經(jīng)測振儀檢測，其振動速度降至1.2mm/s。

2）合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。

3）利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。在連鑄生產(chǎn)的送引錠過程要求光電檢測裝置產(chǎn)生有時(shí)序性的電信號，同時(shí)，該信號與整個(gè)過程不同階段相對應(yīng)。如圖3設(shè)施。

在送引錠過程啟動前，光電信號1為“1”。送引錠過程啟動后，在A階段，輥道啟動，引錠桿上送。當(dāng)引錠桿擋住光電裝置發(fā)射出的紅外光時(shí)，光電信號為“0”；當(dāng)紅外光透過引錠桿中部2個(gè)小圓孔時(shí)，光電裝置發(fā)出信號2和3，均為“1”。

送引錠過程在B階段，光電信號為“0”，輥道停下，引錠桿暫停上送，扇形10段壓下，啟動拉矯機(jī)和“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。

送引錠過程在C階段，引錠桿上送，并不再擋住紅外光，光電信號4為“1”，啟動“同步2”，停下“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。至此光電裝置工作過程結(jié)束。

根據(jù)光檢測電裝置的工作過程，只要現(xiàn)場測定送引錠過程中各個(gè)光電信號發(fā)生的時(shí)間，結(jié)合送引錠過程與光電信號的關(guān)系，利用PLC應(yīng)用程序中的相關(guān)數(shù)據(jù)，編制符合要求的PLC程序，將PLC程序輸出信號輸入至PLC的輸入模塊，替代原光電信號的輸入信號。其程序框圖如圖4所示。

4.結(jié)語

光電檢測裝置本身是由電子元器件構(gòu)成，它對安裝環(huán)境有一定的技術(shù)要求，特別是在較惡劣環(huán)境下使用，要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以使光電檢測裝置工作在其產(chǎn)品要求的技術(shù)條件下，才能發(fā)揮裝置的技術(shù)性能。否則光電檢測裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。結(jié)合光電檢測裝置在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用實(shí)踐，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中；不宜采用光電檢測裝置的信號作為重要的控制信號，以避免光電裝置突然損壞或工作不穩(wěn)定（環(huán)境高溫、濕度大、機(jī)械振動、外力碰創(chuàng)等）引起其它設(shè)備事故。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC程序?qū)嵾m進(jìn)行過程控制的監(jiān)控或干涉，以克服了因系統(tǒng)中采用光電裝置而存在的各種缺陷，是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。