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光电传感器的电磁兼容设计方法


目前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。
光电开关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)和激光二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。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,光电传感器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反射装置。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,经过反射后,还是从这根反射线返回。
以下就是我们所要注意的设计点。
1、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。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。
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。
2、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。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θ,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。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,印制板迹线长度宜短,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。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。
3、输出电路电磁兼容设计
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。
输出电路电磁兼容设计的另一种方法是屏蔽。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。
4、抗干扰编码设计方法
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。一个执行器-传感器-接口总线系统。总线系统最多可安装248个二进制传感器。芯片与光电传感器配合,可使传感器与总线相连。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。
5、电磁兼容试验设计
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15ms。
单个脉冲和一群脉冲中单个脉冲的宽度要小于15ms。规定的雷电模拟脉冲的宽度也要小于15ms。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。
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