技工院校教学中红外非接触传感器的设计思路

时间：2024-06-05

文/吕晓春

一、红外非接触传感器概述

（一）对射式红外传感器

如图1所示，对射式红外光电开关把一个红外光发射器和一个红外光接收器面对面地装在一个槽的两侧，这类的对射式光电传感器又叫槽型开关，发光器能发出红外光，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，光电开关电平切换，执行一个开关控制信号切换。槽形开关的检测距离受整体结构的限制，不同的型号，槽宽也不相同，槽宽范围大致为3mm～50mm。

（二）反射式红外传感器

图2

如图2所示，反射式光电传感器是把发射器和接收器装入同一个装置内，工作时，红外发射管发出红外光，红外光线遇上被检测对象之后，红外光有一部分被检测对象吸收，穿透被检测对象，另外一部分被被检测对象反射回来。反射回来的光线有部分进入红外接收管，受被检测对象的材质和表面形状影响，对于不同的被检测对象，最终红外接收管接收的光线比例不同。设计反射式非接触开关的检测电路，要考虑被接收状态的最坏可能，并在留有适当余量的情形下，仍然能处理最终被返回的红外光。

反射式光电传感器与对射式光电传感器对比，有一些便利之处。例如：如果检测对象相对固定，在考虑环境光线变化影响之后，调整检测电路的参数，相对容易找到一个合适的检测距离；反射式红外传感器比槽型开关调整范围更大，相对于对射式光电传感器，节省安装使用空间，但更容易受被检物的形状、颜色和材质影响；反射式光电传感器与对射式光电传感器，都可以广泛应用于点钞机、限位开关、计数器、电机测速、打印机、复印机、液位开关、金融设备、娱乐设备（自动麻将机）、舞台灯光控制、监控云台控制、运动方向判别、计数、电动绕线机计数、电能表转数计量等，在个别的应用场合，只能选择槽型对射式光电传感器，个别场合又只能选择反射式光电传感器，具体选择时，需要根据具体应用场合具体分析。

比如在需要套打的场合，使用套打纸时，这些被检测的对象或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光。电路设计中最关键的一点是接收管电流的变化能在逻辑电平翻转，考虑到使用反射式光电传感器的前端面与被检测的对象或工件表面可能不完全平行的情况，反射式光电传感器的转换效率在这样的极端情形下也要能识别出来。反射式光电传感器的前端面被检测对象反射面的检测距离控制在规定的范围内，设定过大或者过小，都有可能导致误测。对于反射式光电传感器和对射式光电传感器，都必须安装在没有强光直接照射处，因强光中的红外光将影响接收管的正常工作。相对而言，反射式光电传感器受环境光影响更大，即便没有强光直接照射，设备内部或者外部的装饰灯光的暖光源，对传感器的影响也需要被评估。反射式光电传感器和对射式光电传感器的红外发射管的电流在2～10ma之间时发光强度与电流的线性最佳，这点需要参照不同型号的发光管厂家提供的对应资料选型与设计检测电路的参数，所以在电流取值一般不超过这个范围，若取值太大发射管的光衰也大长时间工作影响寿命；若在电池供电的情况下电流取值应小，此时抗干扰性下降，在结构设计时应考虑这点，尽量避免外界光干扰等不利因素。对于反射式光电传感器和对射式光电传感器安装焊接时，引脚根部与焊盘的最小距离不得小于5mm，否则焊接时易损坏管芯。或引起管芯性能的变化。焊接时间应小于4秒。从这两种传感器的管脚上可以看到，距离引脚根部5mm左右的地方发射或者接收的两个管脚都有一处约0.5mm的压扁的最小距离印记，焊接的时候，需要在印记外焊接。电路板板厚一般都为2mm以内，对于直插的反射式光电传感器或者对射式光电传感器，如果引脚根部紧贴电路板焊接安装，则除去PCB板的板厚，焊点就没有办法满足焊盘与根部不小于5mm的要求，这个时候必须让器件浮起，或者让管脚上的最小印记贴紧PCB板的表面，这样再加PCB板厚，焊盘就容易满足不小于5mm的要求；在很多情况下，对射式或者反射式的红外光电传感器，如果不允许器件浮起焊接，为了满足最小的5mm安全距离要求，焊盘必须特殊设计，以保证器件安全焊接。

二、红外非接触开关设计

（一）设计原理图

图3

如图3所示，由于红外反射式传感器与对射式传感器控制电路的原理很相近，图3只以反射式红外传感器为例来说明原理设计。

（二）原理解释

如图3所示，红外发射管的限流电阻R4，为470欧姆，VCC=5V时，发射电流约等于10Ma,光敏三极管集电极接电源，发射极接采样电阻R5，如图所示，采样电阻R5为10K,C1为防干扰电容，这个电容可以过滤掉大部分叠加到比较器反向输入端的瞬时干扰信号，比较器的同向输入端接经过R2与R6分压后的基准电压，如图所示，基准电压为2.5V；比较器的输出是OC输出，输出接一上拉电阻R3，以确保OC输出截止时输出端能被上拉到一个确定电平，也就逻辑高电平。

对于反射式红外光电传感器，上述电路在通电后，如果在传感器工作面检测距离内没有被测对象，则红外接收光敏三极管没有被反射回来的红外光，光敏三极管截止，比较器的反向输入端被采样电阻R5下拉到地，此时，比较器输入高电平，工作状态检测指示二极管关闭。反之，反射式传感器工作面前端在检测范围内如果有障碍物或者被检测对象，红外发光管发出的红外光的一部分，被检测对象反射回来，进入到光敏三极管。光敏三极管导通行程光敏电流，光敏电流流过采样电阻R5再到GND，比较器的同向输入端的电压就被抬升。抬升到超过基准电压后，比较器翻转输出，即输出逻辑低电平，比较器因为是集电极开路输出，这个输出基本上就把输出端下拉到非常接近GND电平，此时，工作状态指示灯的工作电流，通过比较器的OC端进入到GND，从而指示灯被点亮。这种指示灯的对接方式，符合“无灭有亮”原则，整个检测电路是OC输出，也方便后级电路输入。在红外发光二极管工作电流的允许范围内，调整限流电阻R4的大小，可以调整检测距离，另外调整采样电阻R5的阻值与基准电阻R2与R6的阻值调整基准电压，也可以调整调整检测距离与检测灵敏度，灵敏度的调整要兼顾到传感器工装环境的红外干扰源，并适当留有余量。

（三）设计分析

参照市面上现有的红外传感器的设计，一般都把红外发射管的限流电阻与光敏三极管的采样电阻，都设计在靠近GND的下端。从功能上来说，这种设计和本设计没有任何区别，但是从焊接调试的角度上，本设计的这种方式，对对射式红外传感器或者反射式红外传感器更有利于焊接。因为，绝大多数情况下，PCB的设计上，会把PCB图面上没有走线的区域铺设成铜皮，铜皮的网络，就是GND；也就是说，在PCB板上，接地的网络是面积是最大的，如果红外传感器的管脚焊盘直接在GND网络上的这种设计，相对于本设计，焊接的时候，烙铁的温度会被更快散发掉，要把焊盘加热到焊锡融化的温度的时间变得更长，同样，焊接完成之后温度回落到常温所需要的时间，就更长，无论是反射式红外传感器还是对射式红外传感器，都对焊盘的焊接的温度与焊接时间有要求，这样才不容易物理损伤或者损坏传感器以保证性能。