基于带通滤波器的幅频特性调节光电开关灵敏度*

孟 欣， 邱召运， 方旭超， 张峻瑜， 蔡占秀

(潍坊医学院 生物科学与技术学院，山东 潍坊 261053)

基于带通滤波器的幅频特性调节光电开关灵敏度*

孟 欣， 邱召运， 方旭超， 张峻瑜， 蔡占秀

(潍坊医学院生物科学与技术学院，山东潍坊261053)

研究探讨了调制光频率与检测距离的相关性，旨在通过软件改变红外调制光频率，实现“一键式”智能调节检测距离。以连续周期矩形脉冲信号为例，选用二阶窄带带通放大电路对输入信号进行放大和滤波处理，使不同频率的脉冲信号经过窄带带通放大器自动调节其输出信号幅度，进而影响传感器的灵敏度。经理论推导、仿真设计、实验分析，结果表明：当设定脉冲幅值和占空比为常数时，改变脉冲信号频率可实现传感器灵敏度的调节，从而实现对检测距离的调节。即当ff0时，灵敏度随着f增大而减小。在红外光电开关传感器上应用该方法实现了利用软件调节频率来调节传感器的测量距离。

传感器; 光电开关; 灵敏度; 调制光; 频率; 带通滤波器

0 引 言

光电开关传感器具有结构简单、形式多样、感应精度高、传输速度快、非接触等优点，被广泛应用于工业控制、可穿戴式检测装备等领域[1～3]。其中，以红外光作为检测媒介的光电传感器称红外光电传感器。其在相同检测条件下灵敏度越高，传感器可以测量的距离越远。在某些应用场所，因受到设备尺寸和环境的限制，也需根据具体情况调整红外光电传感器的灵敏度。

调节光电传感器灵敏度的方法并不多，且以硬件调节为主：调节发射器发射光的强度和调节接收器的灵敏度。利用软件调整信号参数调节红外光电传感器灵敏度，文献[4]给出了一种创新方法，通过调节发射信号的占空比参数实现了灵敏度调节。文献[5]提出了一种通过调节脉冲信号频率调节灵敏度的技术方法，其基本原理是利用接收电路的幅频特性实现灵敏度调节。通常，光电开关传感器的信号处理电路由带通放大器和解调电路构成。当带通放大器的上限、下限截止频率等于信号处理电路的中心工作频率时，则放大器具有选频滤波作用，同时也具有较明显的幅频特性。本文在此基础上，讨论了红外调制光频率对红外光电传感器灵敏度的影响，为探索红外光电传感器调节灵敏度的方法提供了理论参考。

1 脉冲频率调节灵敏度原理

1.1 理论推导

以中心频率f0=38kHz的巴特沃斯二阶窄带带通放大电路处理传感器接收的脉冲信号，脉冲信号以模拟信号源代替。

设输入脉冲幅值E=10mV，占空比δ=50%。脉冲信号傅里叶分析得[6]，当占空比为50%时，连续周期脉冲信号的基波幅值最大，巴特沃斯二阶低通和二阶高通滤波器的传递函数分别为

(1)

(2)

根据式(1)、式(2)，窄带带通放大电路的传递函数为

(3)

根据式(3)，窄带带通放大电路的幅频特性关系为

(4)

式中A0为二阶低、高通放大电路的电路增益。式(4)为电路输出信号的电压幅值和脉冲频率的关系式，中心频率f0=38kHz，频率调节范围选择在32kHz≤f≤44kHz。图1为根据式(4)绘制的输出信号幅值与脉冲频率的关系曲线，当频率等于中心频率f0时，输出信号的电压幅值为最大值。根据式(4)和图1可知，改变矩形脉冲信号的频率，能够改变输出信号的电压幅值。

图1 电压幅值与频率的关系曲线

1.2 仿真分析与实验测量

利用软件Multisim对巴特沃斯二阶窄带带通放大电路进行电路的仿真分析，并在实验室环境下搭建实物电路，仅改变脉冲信号的频率f，保持输入信号的其他参数与理论推导时一致。记录不同频率下仿真与实验的输出信号幅值，分别记为Uo1和Uo2；当传感器灵敏度最大时输出电压幅值最大，分别记为Uom1和Uom2；S=Uo/Uom为传感器的相对灵敏度，分别记为S1，S2，仿真与实验数据如表1所示。

表1 不同脉冲频率下的输出电压幅值与相对灵敏度

根据表1中的数据，利用Matlab软件绘出频率—相对灵敏度的曲线对比，如图2所示。

图2 频率与相对灵敏度曲线对比

由图2可知，实验曲线与仿真曲线、理论曲线的变化趋势一致。当ff0时传感器的灵敏度随着频率增加而降低。

2 传感器应用

2.1 新型对射式红外光电开关传感器设计

在传统红外光电传感器的基础上增加了灵敏度调节按钮构成一键调节式红外光电传感器，包括发射器、接收器、信号处理电路、控制电路和灵敏度调节按钮。发射器选用红外发射二极管，本文选用中心频率f0=38 kHz的集成化的红外接收模(infrared receiver module,IRM)组作为接收器,包括接收电路、带通放大电路和比较电路，IRM对输入信号具有滤波、选频和放大等作用。

如图3所示，U1为单片机系统， P 3.3口发出脉冲驱动信号驱动二极管L1发出红外调制脉冲光，接收电路接收红外光并将其转换为电信号，经IRM内的窄带放大电路处理，比较后将输出结果发送至P 3.0进行临界抖动检测，由单片机判断监测范围内是否存在物体。P 3.4连接按键K1，通过软件调节频率实现“一键式”灵敏度控制。

图3 对射式红外开关传感器原理

2.2 频率对灵敏度影响的实验

对上述传感器进行了实际测量实验，令f=f0=38 kHz时的最大检测距离为Lm，取S=L/Lm为相对灵敏度。测量结果如表2所示。

表2 不同频率下的相对灵敏度

根据表2数据，画出脉冲频率和相对灵敏度关系曲线，如图4所示。由实验曲线可知，脉冲频率在ff0范围内逐渐增大时，传感器的检测距离逐渐减小，灵敏度降低。

图4 频率与相对灵敏度的实验曲线

2.3 实验结论讨论

1) 理论曲线、仿真曲线、实验曲线在f=f0左、右区域的变化不完全对称，比较可知f>f0时的灵敏度比较大，原因是:脉冲信号的倍频信号在实验中无法被完全消除，存在干扰信号的叠加，增大了输出信号的幅值。

2) 传感器设计中实验曲线与其余3条曲线虽然走势相同但曲线有差异，原因是：新型传感器设计中采用接收器的内部电路与其余3个不同，其次与反射光的强弱、发射管工作电流、检测距离、光信号发射角度、反射面材料、环境光照等因素相关。实验环境中的可见光对实验有一定的影响，一般选择在室内或有遮挡的环境下使用[7]。因此,实验在室内无日光灯条件下进行，为了减少环境光的影响，可以采用调制光进行测量[8]。

3 结 论

当ff0时，传感器的灵敏度随着频率的增大逐渐降低。 据此，可以通过调节脉冲频率来调整超声传感器的灵敏度。经过一系列理论推导、电路仿真和实验分析可知，f

[1] 靳 展,刘 铮,林玉池.光电传感器特性参数测试系统的设计[J].传感技术学报,2012,25(12)：1678-1683.

[2] 李新科，高 潮，郭永彩,等.基于语音识别和红外光电传感器的自循迹智能小车设计[J].传感器与微系统,2011,30(12):105-108.

[3] 杨永杰,张裕胜,杨赛程，等.一种PM2.5检测传感器设计[J].传感器与微系统,2014，33(3)：76-78，81.

[4] 陈 可,季 超,蔡占秀,等.基于脉冲占空比调节灵敏度的光电开关传感器[J].传感技术学报,2017(1):77-81.

[5] 邱召运.一种反射式红外光电传感器及该传感器的程控频率调距方法:中国，CN201510388684.1[P].2015—10—28.

[6] 董长虹,高 志,余啸海.Matlab-小波分析工具箱原理与应用[M].北京：国防工业出版社，2004.

[7] 黄石红,傅行军,袁建虎.自适应电平跟踪技术在光电传感器中的应用[J].传感器技术,2001,20(10)：48-49.

[8] 冯笑笑,胡佳娟.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)：11-14.

Sensitivityofphotoelectricswitchadjustablebasedonband-passfilter*

MENG Xin, QIU Zhao-yun, FANG Xu-chao, ZHANG Jun-yu, CAI Zhan-xiu

(SchoolofBioscienceandTechnology,WeifangMedicalUniversity,Weifang261053,China)

This study explores the correlation between the modulated optical frequency and the detection distance,and aims to change the infrared modulation optical frequency by software to realize "one-click" intelligent adjustment of distance detection.Taking the continuous cycle rectangular pulse signal as an example,the second order narrowband band-pass amplifier circuit is used to amplify and filter the input signal,and the pulse signal of different frequency is automatically adjusted by the narrowband band-pass amplifier to affect the sensitivity of the sensor.Through the theoretical derivation,simulation design,experimental analysis,the results show that when the pulse amplitude and duty cycle are set constant,changing frequency of pulse signal can realize adjustment of sensor sensitivity,so as to realize the adjustment of detecting distance.Whenff0,the sensitivity decreases with the increase off.In the infrared photoelectric switch sensor,the application of this method achieves the purpose that using software to adjust the frequency so as to adjust measurement distance of sensor.

sensor; photoelectric switch;sensitivity; modulation light; frequency; band-pass filter

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0020—03

2017—08—01

中华医学会医学教育分会和中国高等教育学会医学教育专业委员会教学研究项目(2016B—RC074)；潍坊医学院教学研究项目(2015Y008)

TP 212.1

A

1000—9787(2017)10—0020—03

孟 欣(1994-)，女，研究方向为生物医学信号采集处理。邱召运(1963-)，男，通讯作者，教授，从事生物医学工程专业的教学与研究工作，研究方向为传感器与测量技术、医用微控制系统，E—mail:wfqzy@sohu.com。