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

關(guān)鍵詞：工作原理問(wèn)題分析改善措施

1.光電檢測(cè)裝置工作原理

光電檢測(cè)裝置的電路可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類(lèi)，主動(dòng)式由發(fā)射和接收兩部分電路組成；被動(dòng)式電路無(wú)發(fā)射部分，僅由接收部分電路組成。主動(dòng)式的工作過(guò)程是：當(dāng)接收部分收到發(fā)射部分發(fā)射出的光信號(hào)時(shí)，電路不動(dòng)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(hào)時(shí)，電路動(dòng)作。被動(dòng)式的工作過(guò)程與主動(dòng)式電路的工作過(guò)程相同，只是它依靠被探測(cè)物體本身發(fā)射出的光信號(hào)而動(dòng)作。兩者相比，由于被動(dòng)式不需要發(fā)射電路，故電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)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(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1（a）所示；通過(guò)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(dòng)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(pán)上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線(xiàn)條，在圓盤(pán)兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量隨透光線(xiàn)條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過(guò)整形后變?yōu)槊}沖，碼盤(pán)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(pán)還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號(hào)，如圖1（b）所示。根據(jù)檢測(cè)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(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)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(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。

2）絕對(duì)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(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線(xiàn)條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)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(duì)值；

②沒(méi)有累積誤差；

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

3）混合式絕對(duì)值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)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(cè)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(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。

（2）光電式接近開(kāi)關(guān)

光電開(kāi)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(lái)反射物體；使光束發(fā)射經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離后瞬間返回。光電開(kāi)關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)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(guò)反射光變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(xiàn)脈沖調(diào)制信號(hào)，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(duì)穩(wěn)定的直流呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)調(diào)制脈沖呈現(xiàn)高阻抗，再經(jīng)過(guò)電容的隔離，就可以選出所需的調(diào)制脈沖信號(hào)，通過(guò)集成交流放大，其選通門(mén)而阻斷了雜散和燥聲干擾，選出信號(hào)再通過(guò)功率放大器輸出，實(shí)現(xiàn)開(kāi)、關(guān)控制。光電式接近開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)計(jì)數(shù)、安全保護(hù)、自動(dòng)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(guò)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(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。光電開(kāi)關(guān)可分為對(duì)射型、漫反射型、鏡面反射型：

1）對(duì)射型光電開(kāi)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變化，典型的方式是位于同一軸線(xiàn)上的光電開(kāi)關(guān)可以相互分開(kāi)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(kāi)關(guān)是當(dāng)開(kāi)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(kāi)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(kāi)支，當(dāng)開(kāi)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(cè)量距離；

④對(duì)目標(biāo)上的灰塵敏感和對(duì)目標(biāo)變化了的反射性能敏感。

3）鏡面反射型光電開(kāi)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(duì)面的反射鏡被反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)的變化。光的通過(guò)時(shí)間是兩倍的信號(hào)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(kāi)關(guān)的主要用途分類(lèi)見(jiàn)表1：

表1光電開(kāi)關(guān)的主要用途分類(lèi)

5）光電開(kāi)關(guān)通用技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2：

表2光電開(kāi)關(guān)通用技術(shù)參數(shù)

（3）紅外光電檢測(cè)裝置

紅外線(xiàn)是一種肉眼看不見(jiàn)的光線(xiàn)，凡是絕對(duì)零度以上的任何物體均向外輻射紅外線(xiàn)，只是不同溫度的物體輻射出的紅外線(xiàn)波長(zhǎng)不同而已。紅外線(xiàn)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(xiàn)傳感器，進(jìn)而利用紅外線(xiàn)傳感器構(gòu)成各種光電控制應(yīng)用電路。被動(dòng)式紅外線(xiàn)電路的一般性原理方框圖如圖2所示。紅外線(xiàn)傳感器把接收到的紅外線(xiàn)光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大及處理電路先對(duì)轉(zhuǎn)換后的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，然后按某種方式進(jìn)行處理。執(zhí)行電路對(duì)前面送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行指示、記錄、顯示或執(zhí)行一定的動(dòng)作。

2.應(yīng)用中問(wèn)題分析

光電檢測(cè)裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，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(dòng)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(hào)，而不能產(chǎn)生電信號(hào)。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(dòng)機(jī)的外殼上，光電編碼器的軸通過(guò)較硬的彈簧片和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，因電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，當(dāng)軋機(jī)過(guò)鋼時(shí)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動(dòng)。經(jīng)測(cè)定；過(guò)鋼時(shí)光電編碼器振動(dòng)速度為2.6mm/s，這樣的振動(dòng)速度會(huì)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(dòng)作，導(dǎo)致事故發(fā)生。

2）因光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)裝置誤發(fā)出信號(hào)或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。

3）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源，對(duì)光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動(dòng)或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)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(xiàn)電阻及線(xiàn)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(hào)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(dòng)機(jī)外殼上，而是在電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來(lái)獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)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(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對(duì)光電編碼器的機(jī)械沖擊。采用此方式后經(jīng)測(cè)振儀檢測(cè)，其振動(dòng)速度降至1.2mm/s。

2）合理選擇光電檢測(cè)裝置輸出信號(hào)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(duì)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(chǎng)在線(xiàn)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(xiàn)間距很小，兩線(xiàn)對(duì)干擾線(xiàn)路的距離基本相等，兩線(xiàn)對(duì)屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對(duì)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(guò)程要求光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生有時(shí)序性的電信號(hào)，同時(shí)，該信號(hào)與整個(gè)過(guò)程不同階段相對(duì)應(yīng)。如圖3設(shè)施。

在送引錠過(guò)程啟動(dòng)前，光電信號(hào)1為“1”。送引錠過(guò)程啟動(dòng)后，在A階段，輥道啟動(dòng)，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(hào)為“0”；當(dāng)紅外光透過(guò)引錠桿中部2個(gè)小圓孔時(shí)，光電裝置發(fā)出信號(hào)2和3，均為“1”。

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

送引錠過(guò)程在C階段，引錠桿上送，并不再擋住紅外光，光電信號(hào)4為“1”，啟動(dòng)“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(guò)程結(jié)束。

根據(jù)光檢測(cè)電裝置的工作過(guò)程，只要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定送引錠過(guò)程中各個(gè)光電信號(hào)發(fā)生的時(shí)間，結(jié)合送引錠過(guò)程與光電信號(hào)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(hào)輸入至PLC的輸入模塊，替代原光電信號(hào)的輸入信號(hào)。其程序框圖如圖4所示。

4.結(jié)語(yǔ)

光電檢測(cè)裝置本身是由電子元器件構(gòu)成，它對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)裝置在生產(chǎn)過(guò)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(cè)裝置的信號(hào)作為重要的控制信號(hào)，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(dòng)、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(guò)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。