光电传感器的电磁兼容设计

光电传感器的电磁兼容设计广泛应用于工业自动化领域的光电传感器,一般是开关型的,被称为光电开关。光电传感器由投光器、受光器、集成电路、输出电路等组成,属弱电检测传感器。它容易受到强电设备的电磁干扰。它工作时，引起电磁辐射，形成电磁干扰。当动作频率较高、多个传感器相距较近时，仪器仪表、总线系统、计算机等弱电设备会受到强烈的干扰，传感器本身也会受到强烈的干扰，此时电磁兼容问题显得更突出。电磁兼容设计的目的,一是使传感器本身在电磁环境中能正常工作,避免出现误动作,二是避免传感器成为电磁干扰源。光干扰的抑制光电传感器以光为媒介进行无接触检测。光是一种频率很高的电磁波[1]O光干扰也算是一种电磁干扰，光干扰是传感器误动作的主要因素之一。环境光、背景光和周围其它光电传感器发出的光是光干扰源。以红外线为媒介进行检测则可减小可见光的影响，红外光也不影响可见光。红外线光电传感器可用滤光镜滤去可见光。对于周围环境其它光电传感器的光干扰，可用外壳、套筒、夹缝来抑制[2]。图1是一种受光器结构图。图1受光翳簿图Fig1SnucnneofthertsninMk乎住投光器外壳结构设计得当,可使发出的光成为规则光束,而非散射状,使用时又安装得当，则投光器难成为光干扰源。传感器设计时,采用偏振光及高频调制的脉冲光,采用同步检波方式，都有利于抑制光干扰。电路板电磁兼容光电传感器通过高频调制产生高频电信号。在高频下,一根导线等效为一个电感。因此，须尽可能缩短传感器内高频线的长度。印制板迹线设计时要考虑尽可能减小电磁辐射。迹线辐射比集成电路辐射要强。迹线如构成如图2所示的大小相等、方向相反的电流环路,则会向空间辐射磁场,也会接受空间的磁场。图2印制板差膜辐射示意图Fig2Radiationprinciplediagramof图中i为环路电流。设环路面积为S，电信号频率为f,测量天线到辐射平面的距离为d,测量天线与印制板平面的夹角为0,则测得电场强度为EE=131.6X10SfYin夕此时为差模辐射。可通过减小环路面积S和环路电流i来减小差模辐射。共模辐射可用对地电压激励的、长度小于1/4波长的短单极天线来模拟。共模辐射的电场强度为£=4%X1CT ,er 、 z式中1为短单极天线长度，共模电压转换成了差模电流i。减小地电压和将差模电流旁路到地可减小共模辐射。总的来说，E|J制板迹线长度宜短,宜增加宽度，但不宜突然增宽,不宜突然拐弯。尽可能增大地线面积以减小地线阻抗。高频信号线、电源线应尽可能平行地靠近地线。传感器应选用低功耗器件，如CMOS集成电路。CMOS器件抗干扰能力强,CMOS逻辑电路抗扰度高达20%o低功耗器件发热小，这有利于传感器设计得更紧密,有利于传感器稳定工作。输出电路电磁兼容输出电路是传感器的末级电路,一般是无触点开关电路。常用输出元件有三极管和晶闸管。三极管状态改变时，引起电磁辐射。在三极管集电极与发射极之间并接RC吸收电路,用电感L来抑制di/dt,就可减小电磁辐射的能量[4],如图3所示。图3三极管输出电路设计Fig3Designoftransntor-outputchciiit输出电路电磁兼容设计的另一种方法是屏蔽。图4中，晶闸管被屏蔽,LC滤波网络用来抑制晶闸管动作时产生的浪涌。滤波网络与屏蔽罩均接地。图4晶闸管输出电路设计Fig4Designof*owpirtCircuit抗干扰编码现在,通信、接口、总线技术的发展也促使二进制传感器的智能化。AS-Interface是一个执行器-传感器-接口总线系统。AS-Interface总线系统最多可安装248个二进制传感器。AS-Interface芯片与光电传感器配合,可使传感器与AS-Interface总线相连。同一总线上，多个传感器相互干扰的问题比较严重。这可在传感器通信时，在信息中加入监督码元（冗余码）进行抗干扰。如用00000.11111代替0、1。当收到10111,那可认为错了一位,并自动纠正第二位。电磁兼容试验电磁兼容设计靠电磁兼容试验来验证与改进。现在,有了比较完善的电磁兼容试验方法和专门的试验设备。开关电器动作时,形成强烈的干扰,产生瞬态脉冲。IEC61000-4-4标准对电快速瞬变脉冲干扰作出规定，分为单个脉冲、一群脉冲、脉冲群。脉冲群波形如图5所示,周期为300ms,脉冲束宽度为15mso图5标准的脉冲群波形Fig5Stancbrdpuke*raus)Eve单个脉冲和一群脉冲中单个脉冲的宽度要小于15ms。IEC1024规定的雷电模拟脉冲的宽度也要小于15mso光电传感器内部采用小电容对瞬变脉冲滤波比较适应。传感器若受主机控制，则可在软件中采用数字滤波、延时指令来抑制瞬变干扰。光电传感器辐射敏感度试验结果如表1所示。表1幅射敏感度试验Tab1Ridiationsensitivitytest.频率(MHz)标准极限场强(V，mm)试睑结果(V)50300.99970300.999100300.999150300.999200301.000250300.999300301.000350300.99