研究一体化高可靠性光电传感器的设计及研制

薛阳　亓奉昆

【摘  要】随着科学技术的不断发展，光电传感技术被广泛应用于工业自动化控制和感应类机器中，特别是起重机智能夹钳发面，主要涉及了精密测量以及定位传感，基于光电器件，主要实现了夹钳的夹紧、松开、吊具升降和旋转等自动功能。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，并且可测参数之多。本文进一步研究了一种新研制的适用冶金行业起重机智能夹钳的一体化高可靠性光电传感器。

【关键词】一体化;高可靠性;光电传感器

一、一体化高可靠性光电传感器的设计

（一）工作原理

一体化高可靠性光电传感器是一种能通过光强度的变化进而转换成电信号的集成化小型电子设备，它能快速有效地甄别外部介质的状态，以及对不同介质状态迅速输出相应的通断信号，其一般由光源、光学通路以及光电元件三个部件组成[1]。在合适的电路配上发光器和受光器便能组成一组红外光电开关，而基于以上原理，一体化高可靠性光电传感器则是由红外发光二极管、光学通路、光电三极管和变换电路等组成。首先，被测量的外部介质状态变化在其作用下转换成光信号，而后借助光电元件和变换电器进一步将光信号转换成开关量信号，最后发送给远端的推进剂加注测控系统。光电传感器在应用原理上通常分为对射式、反射式和槽型三种，一体化高可靠性光电传感器则是采用较为常用的光学全反射原理，以此来控制光电元件的输出光电流，进而实现判别介质状态[2]。

（二）结构设计

一体化高可靠性光电传感器的组成部件主要有：外罩、保护套、棱镜、螺帽、O形圈、壳体以及光电组件等[3]。

在组件构成中，棱镜与光电组件中的光电器件应平面接触，这样可以保证反射光通路的合理形成。一体化高可靠性光电传感器在装配和使用前都必须先要检查棱镜的安裝位置是否准确，以及其与光电组件中的光电器件的相对位置是否正确，但如果安装位置稍有不当，不仅难以保证光电参数的一致性，还会给起重机夹钳自动控制带来不必要的麻烦。基于此，如果将定位槽结构设计于棱镜与壳体结构中，那么设计改进后的产品装配中，光电器件与棱镜的角度不仅能一次到位无需调整，减少了在装配时因为调整所带来的麻烦，并且，由于棱镜和光电器件的角度得到了固定，在使用中也能避免了对于棱镜旋动的担忧，确保了光电参数一致性及产品的可靠性。

（三）整体电路设计

一体化高可靠性光电传感器的整体电路部分主要由三端固定式集成稳压器、红外发光二极管、光电三极管等器件以及部分阻容元件组成。首先，当其棱镜处于气相状态下时，棱镜玻璃与空气分界面上会接收到来自红外发光二极管发出的红外光线，该红外光线在照射后会反射到光电三极管上，而光电三极管在受到光照后的光电流较大，故电路便会处于导通状态。比较器正端输入管脚上的电压值与其负端输入管脚上的电压值不一致，即前者远远大于后者时，比较器输出端管脚为高电平，其比较器输出所控制的固体继电器输出为断开信号。

当一体化高可靠性光电传感器的棱镜处于液相状态下时，棱镜玻璃与空气分界面上会接收到来自红外发光二极管发出的红外光线，这时候光电三极管会由于大部分红外光线折射至的是液体而受到少量光照，这样一来其暗电流相对较小，电路处于截止状态，比较器正端输入管脚上的电压值与其负端输入管脚上的电压值不一致，即前者远远小于后者时，比较器输出端管脚为低电平，其比较器输出所控制的固体继电器输出为导通信号。

二、一体化高可靠性光电传感器的研制

（一）试验项目

光电传感器在使用前首先对其进行检查，内、外漏皆进行气密性检查（内漏采取气泡法，外漏采取保压法），以防因其不合格导致的棱镜与光电器件之间的间隙存在外部介质，影响了推进剂液位信号的发射。检查方法：将清洁空气从试验工装通气口中供入形成一定压力，取无水乙醇浸没光电传感器下端口，各自观察5分钟，如果没有气泡冒出以及无压降，则说明内、外漏检查合格。电气性能试验的合格是开展下一步试验的基本，如都合格后可依次对电源适应性、高低温、常温老炼以及电磁兼比对等进行试验。

（二）结果和分析

如下图1所示为基本电气性能试验结果：

表1：基本电气性能试验结果

其试验合格标准为：当置于空气中，光电压应>11.22V，液位灯灭;当置于无水乙醇时，光电压应<1.0V，液位灯亮。以上测试结果表明，新研制的一体化高可靠性光电传感器的基本性能指标满足产品的设计要求。

如下图2所示为电磁兼容比对试验结果：

图2：电磁兼容比对实验结果（试验环境：温度22℃;湿度32%RH）

在通过上述试验比对后可得出：光电传感器&光电变换器组合仅通过了“电源线传导发射”项目测试，其他几项试验项目均发生了敏感。该试验结果表明了一体化高可靠性光电传感器较光电传感器&光电变换器组合来说，其电磁兼容性更为优良。

三、结束语

由于光电变换器是放置于夹钳钳脚钳臂和中，在应用于冶金行业时容易受到周围频繁的电磁干扰，为更好地适应周围复杂的电磁环境，提高卷边检测准确度，研制一种适用冶金行业起重机智能夹钳的一体化高可靠性光电传感器已经成为迫切之事。而通过上述设计思路及对性能优化设计和适应性改进的试验，表明了在光电传感器&光电变换器组合的技术基础上所研制的一体化高可靠性光电传感器，较传统的光电传感器而言具有更高的可靠性和更好的电磁兼容性，更优于应用于冶金行业起重机夹钳对钢卷内径、卷边检测的测量中。

参考文献：

[1]千承辉，王超，曹曦元，凌振宝，万云霞.多传感器数据处理的人流量监测系统[J].实验室研究与探索，2013年02期

[2]陈涤乾.高可靠性一体化光电控制器：CN92218526.3[P].1993-05-05.

[3]张晓霞.谈光电传感器的原理及应用[J].电子测试，2017，（8）：79-80.

（作者单位：山东力山特智能科技有限公司）