光电传感器应用论文：浅谈红外光电传感器的工作原理及应用

1、本文由kanoy163贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2010 年 第 23 期 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 机 械 与 电 子 科技信息 浅谈红外光电传感器的工作原理及应用 邹丽娟 （滨州职业学院 【摘 山东 滨州 256603） 要】详 细 介 绍 了 红 外 光 电 传 感 器 的 工 作 原 理 ，以 及 用 红 外 光 电 传 感 器 探 测 棉 花 的 位 置 ，实 现 对 靶 喷 雾 的 注 意 事 项 及 其 设 计 思 路 。 【关 键 词】红 外 光 电 传 感 器 ；

2、工 作 原 理；应 用 线 连 接 和 固 定 / 有 线 连 接 ，前 2 种 需 要 电 池 供 电 。 烟 雾 探 测 器 具 有 3 个 主 功 能 块 ：传 感 器 和 信 号 链 、处 理 器 和 通 信 接 口 。 最 基 本 的 独 立 式 探 测 器通常不需要处理器和通信接口。 功 耗 是 无 线 烟 雾 探 测 器 的 一 个 重 要 方 面 ，因 为 它 们 需 要 能 够 依 靠 一 个 电 池 长 时 间 运 行 。 这 使 得 微 控 制 器（例 如 MSP430 ）成 为 该 应 用 的 理 想 选 择 ；其 高 度 集 成 的 系 统 可 简 化 设 计 并 降

3、 低 系 统 成 本 。 红外 (IR 二极管和 IR 接 收 器 内 置 于 烟 箱 内 ，用 于 检 测 是 否 有 烟 雾 。 IR 二 极 管 会 定 期 发 出 脉 冲 ， 并 且系统 会检 测 IR 接 收 器 信 号 以 确 定 烟 箱 内 是 否 有 烟 雾 。 具有 互 阻抗 放 大器 功 能的 运算 放 大器 用 于将 IR 接 收 器 电 流 放 大，以 便 MSP430 中的 ADC 能 够 对 进 行 采 样 。 在 采 样 周 期 之 间 ，运 算放大器 和 IR 电 路 将 关 闭 ， 并 且 微 控 制 器 将 处 于 待 机 模 式 消 耗 不 足 在为应用选

4、择外部运算放大器时， 应该使成本与 建立时间性能 达 到 平 衡 ，同 时 将 电 流 消 耗 降 至 最 低 。 建 立 时 间 对 于 允 许 探 测 器 在 短 时间 内 提供 多 个烟 雾 事件 报 告 （这 样 做 可 将 假 警 报 的 数 量 降 至 最 低 ） 至关重要。 为了进一步减小外部组件的电流消耗， 某些器件直接从 MSP430 端 口 引 脚 获 得 电 源 ，即 便 它 具 有 关 断 功 能 。当 MSP430 处 于 待 机 状 态 时 ，这 将 导 致 放 大 器 的 电 流 消 耗 降 为 零 ，从 而 显 著 延 长 此 应 用 的电池工作时间。 射 频

5、收 发 器 在 选 择 低 功 耗 无 线 (LPW 解 决 方 案 时 ， 范 围 、 网 络 配 置 和 功 耗 都 是 应 该 考 虑 的 重 要 因 素 。 范 围 受 输 出 功 率 、敏 感 度 和 选 择 性 的 影 响 ，它 反 过 来 影 响 其 它 信 号 源 的 堵 塞 和 将 所 需 信 号 与 本 地 干 扰 区 分 开 来 的 能 力 。 在 射 频 设 计 中 ，选 择 性 同 样 很 重 要 ，在 设 计 2.4GHz 频 带 的 产 品 时 尤 其 如 此 （其 中 很 可 能 受 到 其 它 设 备 的 干 扰 ）。 在 选 择 射 频 无 线 电 时 ，了

6、 解 烟 雾 探 测 器 所 使 用 的 网 络 配 置 也 很 重 要 ：点 对 点 、星 状 或 网 状 网 络 ，因 为 它 会 影 响 系 统 的 无 线 电 、处 理 器 、存 储 器 和 电 源 要 求。 线 路 供 电 以 太 网 供 电 (IEEE 802.3af 通 过 标 准 LAN 连 接 将 数 据 和 电 源 相 集 成 。 它 为 连 接 至 系 统 的 设 备 提 供 不 间 断 的 最 大 15W （ 13W 负 载 ）、48V 的 额 定 电 源 。 烟 雾 探 测 器 的 电 源 要 求 远 低 于 有 源 器 件 的 12.5W 限 制 ，可 以 轻 松

7、从 PoE 获 得 电 源 。 此 类 实 施 无 需 在 传 感 器 位 置 运 行 AC 电 源 ，并 可 降 低 探 测 器 的 电 源 成 本 ，因 为 它 只 需 DC/DC 电 源 转换。 按照喷雾器喷雾的原理分为四种： 第一种用的是伯努利原理。 伯努利原理说的是在同一流质里，流速大，压强小；流速小，压强 大 。 流 体 会 自 动 从 高 压 流 向 低 压 。 在 通 过 三 叉 管 时 ，低 速 流 动 的 水 流 向 高 速 的 流 动 的 空 气 。 水 被 高 速 空 气 撕 成 一 小 滴 一 小 滴 （设 想 水 龙 头 里 流 出 的 水 ，刚 开 始 速 度 慢

8、 ，是 水 柱 ；但 后 来 速 度 逐 渐 增 大 后 就 变 成 一 滴 一 滴 了 ）。 这 些 小 水 滴 喷 出 来 后 就 成 了 雾 。 第 二 种 用 的 是 把 水 压 入 细 管 造 成 高 速 水 流 ，高 速 水 流 碰 到 障 碍 物 后裂成小水滴的原理。 情形像把水龙头打开后用手指堵住。 家用的喷 雾 器 多 用 这 种 结 构 ，成 本 低 。 第 三 种 是 让 水 带 上 电 荷 （水 是 电 介 质 ），利 用 同 种 电 荷 互 相 排 斥 把 水分成微滴的原理。 这种方法的水滴颗粒很小。 同样的原理也用于给汽车涂漆。 第 四 种 是 超 声 雾 化 原

9、理 。 振 动 可 以 在 水 面 引 起 “ 浪 花 ” ，超 声 波 的 振 动 频 率 十 分 高 ，于 是 它 的 “浪 ”的 波 长 很 小 ，因 此 它 的 “浪 花 ” 小 水 滴 也 很 小 ，这 些 小 水 滴 就 成 了 雾 。 农业是国民经济的基础， 先进的植保技术是农业生产丰收的保 障 ，现 代 植 物 病 虫 害 防 治 仍 然 以 化 学 药 剂 防 治 为 主 ，我 国 常 规 施 药 方 法 和 施 药 器 械 落 后 ，大 量 农 药 流 失 到 水 体 、土 壤 和 大 气 中 ，农 药 的 利 用 率 低 ，防 治 成 本 高 ，并 造 成 严 重 的 环

10、 境 污 染 ，对 某 些 害 虫 防 治 效 果 欠 佳， 先进 的施 药方 法和 施药 器械 的 研究 与开 发对 我国 农业 的持 续发 展, 降 低 生 产 成 本, 特 别 是 保 护 环 境 具 有 重 要 的 作 用 。 对 靶 喷 雾 是 新 近 发 展 起 来 的 高 效 低 污 染 施 药 新 技 术 ，AGTECH 公 司 研 制 的 “Tree sense ”智 能 喷 雾 器 采 用 了 “沙 漠 风 暴 ”中 使 用 的 探 测 敌 人 坦 克 的 三 维 图 像 传 感 器 ， 它 能 够 根 据 作 物 的 距 离 、 形 状 进 行 有 效 喷 ;DURAND

11、 WAYLAND 公 司 的 “Smart Spray ” 喷 雾 器 、 “Tree-see ” 喷 雾 器 使 用 了 先 1mA 的 电 流 。 进 的 声 纳 系 统 来 进 行 目 标 的 准 确 定 位 ，这 些 装 置 精 度 高 ，但 价 格 昂 贵 。 根 据 我 国 国 情 ，我 们 设 计 了 红 外 光 电 探 测 器 来 进 行 目 标 的 探 测 ，并 结 合 高 压 静 电 使 雾 滴 带 电 ，带 电 的 雾 滴 作 定 向 运 动 飞 向 植 株 ，最 后 吸 附 在 植 株 上 ，其 命 中 率 显 著 提 高 。 这 种 红 外 探 测 器 研 制 成 本

12、 低 、灵 敏 度 高、体 积 小 ，加 上 与 静 电 结 合 ，就 会 达 到 与 上 述 系 统 基 本 相 同 的 效 果 。 1 工作原理 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

13、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 ，

14、经 过 反 射 后 ，还 是 从 这 根 反 射 线 返 回 。 它 的 分 类 和 工 作 方 式 ： 1.1 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

15、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。 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 。 1.3 反 光 板 型 光 电 开 关 把 发 光 器 和 收 光 器 装 入 同

16、 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 。 1.4 扩 散 反 射 型 光 电 开 关 它 的 检 测 头 里 也 装 有 一 个 发 光 器 和 一 个 收 光 器 ，

17、但 前 方 没 有 反 光 板 。 正 常 情 况 下 发 光 器 发 出 的 光 收 光 器 是 找 不 到的。 当检测物通过 时挡住了 光，并把光部分反射回 来，收光器就收 到 光 信 号 ，输 出 一 个 开 关 信 号 。 1.2 3 设计思路 2 设计注意事项 烟 雾 探 测 器 是 为 3 种 基 本 类 型 的 系 统 实 施 而 设 计 的 ：独 立 式 、无 红外线是一种不可见光，采用专用的红外发射管和接收管，可以 有 效 地 防 止 周 围 可 见 光 的 干 扰 ，进 行 无 接 触 探 测 ，不 损 伤 被 测 物 体 。 该 探 测 器 安 装 在 电 动 小 车 上

18、 。红 外 对 靶 喷 雾 主 要 用 在 棉 （下 转 第 123 页 ） 110 科技信息 机 械 与 电 子 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2010 年 第 23 期 在 生 产 过 程 中，一 些 简 单 的 故 障 ，诸 如 电 容 或 者 二 极 管 正 负 反 接 ， 虚焊，误焊 短 路 等可 通 过观 察 发 现 并予 以 纠正 。 经 过 一 段 时 间 使 用 后 发 生 的 常 见 问 题 ，一 般 有 两 种 ， 无 输 出 电 压 ， 输 出 电 压 数 值 偏 差 大 ， 故 障 的 维 修 遵 照 电 路 的 组 成 ，

19、可 以 按 流 程 检 测 如 下 。 46 稳 压 控 制 电 路 检 修 ：常 见 故 障 为 输 出 电 压 不 符 合 要 求 。 光 电 耦 合 器 PC817 光 敏 管 或 者 发 光 管 异 常 、精 密 稳 压 管 TL431 导 通 不 正 常 、取 样 电 路 中 电 阻 R9 或 者 R10 阻 值 出 现 偏 差 、剩 余 的 C7 、R7 、R8 出 现 问 题，都 有 可 能 导 致 输 出 电 压 偏 差 。 如 电 容 电 阻 ，可 以 上 述 的 电 阻 法 进 行 测 量 。 如 光 电 耦 合 器 和 稳 压 二 极 管 等 特 殊 元 器 件 ，可 遵

20、 照 方 法 如 下 ： 41 检查 有 无 交 流 电 输入 ，如 无 输 入 ，检 查 进 线 是 否 断 路 ，进 线 线 路 是否磨 损 ，观 察 熔 断 丝 是 否 异 常 ，是 否 有 明 显 损 坏 元 件 ，电 容 是 否 鼓 包 、发 黑 异 常 ，如 是 此 类 问 题 ，更 换 恢 复 ，检 测 是 否 有 输 出 电 压 。 如 不 能 解 决，进 入 下 一 环 节 。 461 PC817 光 电 耦 合 器 的 检 测，可 以 用 电 阻 法 估 测 。 正 常 情 况 下 ，正 向测量 1-2 脚，即 发 光 管 两 端 ，电 阻 约 为 1.1K 左 右 ，反

21、向 为 无 穷 大 ；34 脚，即 光 敏 管 两 端 ，正 反 向 均 为 无 穷 大 ，若 测 得 1-2 脚 和 3-4 脚 有 短 路，表 明 已 坏 ，需 更 换 。 42 整 流 滤 波 电 路 检 修 ：是 否 有 310V 的 直 流 电 压 输 出 ，如 无 输 出 ，用 电 阻 法 检 查 熔 断 丝 是 否 开 路 ，开 路 则 更 换 ；用 电 阻 法 检 测 滤 波 电 容 C1 462 是 否 损 坏 ，接 近 无 穷 大 正 常，如 较 小 或 断 路 ，则 说 明 损 坏 需 更 换 。 同 样 以 电 阻 法 检 测 整 流 桥 中 二 极 管 是 否 正 常

22、 ， 异 常 则 更 换 。 有 310V 电 压 输 出，进 入 下 一 环 节 。 TL431 内 部 为 集 成 电 路 ， 用 万 用 表 不 能 直 接 测 出 其 好 坏 ， 只 能 对 其 进 行 大 致 判 断 。 只 要 任 两 脚 间 没 有 短 路 ，便 可 在 电 路 中 试 用 ，然 后 47 通 过 电 压 法 进 行 确 证 ，其 稳 压 值 在 2.5V-36V 之间 可 变 。 保 护 电 路 的 检 修 ：R3 、C2 、D5 、C6 ，常 规 元 件，检 测 方 法 遵 前 文 。 综 上 所 述 ，PCB 板 检 测 的 方 法 主 要 有 ：静 态 观

23、 察 、测 电 阻 法 、测 电 压法 。 维 修 工 作 必 须 在 吃 透 原 理 和 电 路 功 能 的 基 础 上 ，这 些 并 不 是 一 蹴 而 就 的 ，需 要 时 间 学 习 理 论 知 识 ，练 就 较 强 的 动 手 能 力 。 总 之 ，熟 方 能 生 巧 ，与 各 路 技 术 人 员 共 勉 。 43 节。 启动 电 路 检修 ：检测 启 动 电 阻 是 否 开 路 ，开 路 更 换 ，进 入 下 一 环 44 反 馈 与 振 荡 电 路 检 修 ：常 见 故 障 为 电 路 不 起 振 。 在 断 电 情 况 下 ， 对 滤 波 电 容 进 行 放 电 ，用 电 阻 法 检 查 反 馈 绕 组 电 阻 ，反 馈 绕 组 工 作 电 流 小，一 般 不 会 开 路 ，常 见 的 是 开 关 变 压 器 反 馈 绕 组 脱 焊 。 检 查 反 馈 电 阻 R4 、R11 、二 极 管 D6 是 否 开 路 ， 对 反 馈 电 容 C3 先 观 察 其 外 形 是 否 正 常，开 路 测 量 电 阻 ，损 坏 或 不 能 确 定 时 更 换 。 开关芯 片 CR6229 是 否 正 常 检 测 比 较 麻 烦 ，而 芯 片 价 格 低 廉，一 般 采 取 代 换 法 较 简 便 。 有 开 关 电 源 使 用 芯 片 比 较 高 价 ， 定