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光電檢測裝置在工程應用中的問題分析

2019年09月12日 14:49:07 中國傳動網

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

關鍵詞:工作原理問題分析改善措施

1.光電檢測裝置工作原理

光電檢測裝置的電路可分為主動式和被動式兩類,主動式由發射和接收兩部分電路組成;被動式電路無發射部分,僅由接收部分電路組成。主動式的工作過程是:當接收部分收到發射部分發射出的光信號時,電路不動作;當由于障礙物的遮擋使得接收部分收不到發射部分發射出的光信號時,電路動作。被動式的工作過程與主動式電路的工作過程相同,只是它依靠被探測物體本身發射出的光信號而動作。兩者相比,由于被動式不需要發射電路,故電路結構簡單,使用靈活方便,應用的領域更為廣泛。

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(1)光電編碼器

光電編碼器,是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸,電動機旋轉時,光柵盤與電動機同速旋轉,經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號,其原理示意圖如圖1(a)所示;通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。這是目前應用最多的傳感器,光電編碼器的工作原理如圖所示,在圓盤上有規則地刻有透光和不透光的線條,在圓盤兩側,安放發光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時,光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,光敏元件輸出波形經過整形后變為脈沖,碼盤上有相應的標志,每轉一圈輸出一個脈沖。此外,為判斷旋轉方向,碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號,如圖1(b)所示。根據檢測原理,編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

1)增量式編碼器是直接利用光電轉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方向,而Z相為每轉一個脈沖,用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時以上,抗干擾能力強,可靠性高,適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。

2)絕對式編碼器是利用自然二進制或循環二進制(葛萊碼)方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形,絕對編碼器可有若干編碼,根據讀出碼盤上的編碼,檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是:

①可以直接讀出角度坐標的絕對值;

②沒有累積誤差;

③電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的,也就是說精度取決于位數,目前有10位、14位等多種。

3)混合式絕對值編碼器,它輸出兩組信息:一組信息用于檢測磁極位置,帶有絕對信息功能;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)檢測裝置,它將輸入軸的角度量,利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量,具有體積小,精度高,工作可靠,接口數字化等優點。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。

(2)光電式接近開關

光電開關的重要功能是能夠處理光的強度變化:利用光學元件,在傳播媒介中間使光束發生變化;利用光束來反射物體;使光束發射經過長距離后瞬間返回。光電開關是由發射器、接收器和檢測電路三部分組成。發射器對準目標發射光束,發射的光束一般來源于發光二極管(LED)和激光二極管。其中控制器又由光電接收環節、抗干擾環節、放大環節、功率輸出、工作指示和保護電路等幾部分組成。其工作原理是通過反射光變化轉化為電信號,發光器(發光頭)由集成電路構成振蕩器,振蕩頻率被調制成紅外光,接收頭中的光敏三極管接收紅外線脈沖調制信號,當光路遮斷或暢通時,光敏三極管呈截止或導通兩種狀態,用電感L和電容C作為并聯諧振回路,作為接收管的負載,由于L、C對穩定的直流呈現低阻抗,對調制脈沖呈現高阻抗,再經過電容的隔離,就可以選出所需的調制脈沖信號,通過集成交流放大,其選通門而阻斷了雜散和燥聲干擾,選出信號再通過功率放大器輸出,實現開、關控制。光電式接近開關廣泛應用于自動計數、安全保護、自動報警和限位控制等方面。光束不間斷地發射,或者改變脈沖寬度。受脈沖調制的光束輻射強度在發射中經過多次選擇,朝著目標不間接地運行。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面,裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測電路,它能濾出有效信號和應用該信號。光電開關可分為對射型、漫反射型、鏡面反射型:

1)對射型光電開關由發射器和接收器組成,結構上是兩者相互分離的,在光束被中斷的情況下會產生一個開關信號變化,典型的方式是位于同一軸線上的光電開關可以相互分開達50米。特征:

①辨別不透明的反光物體;

②有效距離大,因為光束跨越感應距離的時間僅一次;

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境中;

④裝置的消耗高,兩個單元都必須敷設電纜。

2)漫反射型光電開關是當開關發射光束時,目標產生漫反射,發射器和接收器構成單個的標準部件,當有足夠的組合光返回接收器時,開關狀態發生變化,作用距離的典型值可達到到3米。其特征有:

①有效作用距離是由目標的反射能力決定,由目標表面性質和和顏色決定;

②較小的裝配開支,當開關由單個元件組成時,通常是可以達到粗定位;

③采用背景抑制功能調節測量距離;

④對目標上的灰塵敏感和對目標變化了的反射性能敏感。

3)鏡面反射型光電開關由發射器和接收器構成的情況是一種標準配置,從發射器發出的光束在對面的反射鏡被反射,即返回接收器,當光束被中斷時會產生一個開關信號的變化。光的通過時間是兩倍的信號持續時間,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境中。

4)光電開關的主要用途分類見表1:

表1光電開關的主要用途分類

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5)光電開關通用技術參數見表2:

表2光電開關通用技術參數

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(3)紅外光電檢測裝置

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紅外線是一種肉眼看不見的光線,凡是絕對零度以上的任何物體均向外輻射紅外線,只是不同溫度的物體輻射出的紅外線波長不同而已。紅外線的兩大特點是熱效應和隱蔽性。人們正是利用其熱效應這一特點制成了紅外線傳感器,進而利用紅外線傳感器構成各種光電控制應用電路。被動式紅外線電路的一般性原理方框圖如圖2所示。紅外線傳感器把接收到的紅外線光轉換成電信號,放大及處理電路先對轉換后的微弱信號進行放大,然后按某種方式進行處理。執行電路對前面送來的信號進行指示、記錄、顯示或執行一定的動作。

2.應用中問題分析

光電檢測裝置的發射和接收裝置都安裝在生產現場,在使用中暴露出許多缺陷,其有內在因素也有外在因素,主要表現在以下幾個方面:

1)發射裝置或接受裝置因機械震動等原因而引起的移位或偏移,導致接收裝置不能可靠的接收到光信號,而不能產生電信號。例如;光電編碼器應用在軋鋼調速系統中,因光電編碼器是直接用螺栓固定在電動機的外殼上,光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電動機轉軸相連接,因電動機所帶負載是沖擊性負載,當軋機過鋼時會引起電動機轉軸和外殼的振動。經測定;過鋼時光電編碼器振動速度為2.6mm/s,這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內部功能。造成誤發脈沖,從而導致控制系統不穩定或誤動作,導致事故發生。

2)因光電檢測裝置安裝在生產現場,受生產現場環境因素影響導致光電檢測裝置不能可靠的工作。如安裝部位溫度高、濕度大,導致光電檢測裝置內部的電子元件特性改變或損壞。例如在連鑄機送引錠跟蹤系統,由于光電檢測裝置安裝的位置靠近鑄坯,環境溫度高而導致光電檢測裝置誤發出信號或損壞,而引發生產或人身事故。

3)生產現場的各種電磁干擾源,對光電檢測裝置產生的干擾,導致光電檢測裝置輸出波形發生畸變失真,使系統誤動或引發生產事故。例如;光電檢測裝置安裝在生產設備本體,其信號經電纜傳輸至控制系統的距離一般在20—100米,傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜,但由于電纜的導線電阻及線間電容的影響再加上和其它電纜同在一起敷設,極易受到各種電磁干擾的影響,因此引起波形失真,從而使反饋到調速系統的信號與實際值的偏差,而導致系統精度下降。

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機外殼上,而是在電動機的基礎上制作一固定支架來獨立安裝光電編碼器,光電編碼器軸與電動機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,以減輕電動機沖擊負載對光電編碼器的機械沖擊。采用此方式后經測振儀檢測,其振動速度降至1.2mm/s。

2)合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質,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重要的技術特性,一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力,因為空間電磁場在線上產生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小,兩線對干擾線路的距離基本相等,兩線對屏蔽網的分布電容也基本相同,這對抑制共模干擾效果更加明顯。

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3)利用PLC軟件監控或干涉。在連鑄生產的送引錠過程要求光電檢測裝置產生有時序性的電信號,同時,該信號與整個過程不同階段相對應。如圖3設施。

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在送引錠過程啟動前,光電信號1為“1”。送引錠過程啟動后,在A階段,輥道啟動,引錠桿上送。當引錠桿擋住光電裝置發射出的紅外光時,光電信號為“0”;當紅外光透過引錠桿中部2個小圓孔時,光電裝置發出信號2和3,均為“1”。

送引錠過程在B階段,光電信號為“0”,輥道停下,引錠桿暫停上送,扇形10段壓下,啟動拉矯機和“同步1”,引錠桿繼續上送。

送引錠過程在C階段,引錠桿上送,并不再擋住紅外光,光電信號4為“1”,啟動“同步2”,停下“同步1”,引錠桿繼續上送。至此光電裝置工作過程結束。

根據光檢測電裝置的工作過程,只要現場測定送引錠過程中各個光電信號發生的時間,結合送引錠過程與光電信號的關系,利用PLC應用程序中的相關數據,編制符合要求的PLC程序,將PLC程序輸出信號輸入至PLC的輸入模塊,替代原光電信號的輸入信號。其程序框圖如圖4所示。

4.結語

光電檢測裝置本身是由電子元器件構成,它對安裝環境有一定的技術要求,特別是在較惡劣環境下使用,要采取相應的保護措施,以使光電檢測裝置工作在其產品要求的技術條件下,才能發揮裝置的技術性能。否則光電檢測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。結合光電檢測裝置在生產過程控制中的應用實踐,在控制系統設計中;不宜采用光電檢測裝置的信號作為重要的控制信號,以避免光電裝置突然損壞或工作不穩定(環境高溫、濕度大、機械振動、外力碰創等)引起其它設備事故。在控制系統中應用PLC程序實適進行過程控制的監控或干涉,以克服了因系統中采用光電裝置而存在的各種缺陷,是提高系統可靠性的有效途徑。

供稿:周志敏

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