中心議題：

• 光干擾的抑制
• 電路板電磁兼容
• 輸出電路電磁兼容
• 抗干擾編碼

廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的光電傳感器,一般是開(kāi)關(guān)型的,被稱(chēng)為光電開(kāi)關(guān)。光電傳感器由投光器、受光器、集成電路、輸出電路等組成,屬弱電檢測傳感器。它容易受到強電設備的電磁干擾。它工作時(shí),引起電磁輻射,形成電磁干擾。當動(dòng)作頻率較高、多個(gè)傳感器相距較近時(shí),儀器儀表、總線(xiàn)系統、計算機等弱電設備會(huì )受到強烈的干擾,傳感器本身也會(huì )受到強烈的干擾,此時(shí)電磁兼容問(wèn)題顯得更突出。電磁兼容設計的目的,一是使傳感器本身在電磁環(huán)境中能正常工作,避免出現誤動(dòng)作,二是避免傳感器成為電磁干擾源。

1　光干擾的抑制

光電傳感器以光為媒介進(jìn)行無(wú)接觸檢測。光是一種頻率很高的電磁波[1]。光干擾也算是一種電磁干擾,光干擾是傳感器誤動(dòng)作的主要因素之一。環(huán)境光、背景光和周?chē)渌怆妭鞲衅靼l(fā)出的光是光干擾源。以紅外線(xiàn)為媒介進(jìn)行檢測則可減小可見(jiàn)光的影響,紅外光也不影響可見(jiàn)光。紅外線(xiàn)光電傳感器可用濾光鏡濾去可見(jiàn)光。對于周?chē)h(huán)境其它光電傳感器的光干擾,可用外殼、套筒、夾縫來(lái)抑制[2]。圖1是一種受光器結構圖。



投光器外殼結構設計得當,可使發(fā)出的光成為規則光束,而非散射狀,使用時(shí)又安裝得當,則投光器難成為光干擾源。傳感器設計時(shí),采用偏振光及高頻調制的脈沖光,采用同步檢波方式,都有利于抑制光干擾?！　?br />
2　電路板電磁兼容

光電傳感器通過(guò)高頻調制產(chǎn)生高頻電信號。在高頻下,一根導線(xiàn)等效為一個(gè)電感。因此,須盡可能縮短傳感器內高頻線(xiàn)的長(cháng)度。印制板跡線(xiàn)設計時(shí)要考慮盡可能減小電磁輻射。跡線(xiàn)輻射比集成電路輻射要強。跡線(xiàn)如構成如圖2所示的大小相等、方向相反的電流環(huán)路,則會(huì )向空間輻射磁場(chǎng),也會(huì )接受空間的磁場(chǎng)。


圖中i為環(huán)路電流。設環(huán)路面積為S,電信號頻率為f,測量天線(xiàn)到輻射平面的距離為d,測量天線(xiàn)與印制板平面的夾角為θ,則測得電場(chǎng)強度為[3]


此時(shí)為差模輻射?？赏ㄟ^(guò)減小環(huán)路面積S和環(huán)路電流i來(lái)減小差模輻射。共模輻射可用對地電壓激勵的、長(cháng)度小于1/4波長(cháng)的短單極天線(xiàn)來(lái)模擬。共模輻射的電場(chǎng)強度為[3]


式中l為短單極天線(xiàn)長(cháng)度,共模電壓轉換成了差模電流i。減小地電壓和將差模電流旁路到地可減小共模輻射。

總的來(lái)說(shuō),印制板跡線(xiàn)長(cháng)度宜短,宜增加寬度,但不宜突然增寬,不宜突然拐彎。盡可能增大地線(xiàn)面積以減小地線(xiàn)阻抗。高頻信號線(xiàn)、電源線(xiàn)應盡可能平行地靠近地線(xiàn)。傳感器應選用低功耗器件,如CMOS集成電路。CMOS器件抗干擾能力強,CMOS邏輯電路抗擾度高達20%。低功耗器件發(fā)熱小,這有利于傳感器設計得更緊密,有利于傳感器穩定工作?！?br /> [page]
3　輸出電路電磁兼容

輸出電路是傳感器的末級電路,一般是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路。常用輸出元件有三極管和晶閘管。三極管狀態(tài)改變時(shí),引起電磁輻射。在三極管集電極與發(fā)射極之間并接RC吸收電路,用電感L來(lái)抑制di/dt,就可減小電磁輻射的能量[4],如圖3所示。


輸出電路電磁兼容設計的另一種方法是屏蔽。圖4中,晶閘管被屏蔽,LC濾波網(wǎng)絡(luò )用來(lái)抑制晶閘管動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的浪涌。濾波網(wǎng)絡(luò )與屏蔽罩均接地。

4　抗干擾編碼

現在,通信、接口、總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也促使二進(jìn)制傳感器的智能化。AS-Interface是一個(gè)執行器-傳感器-接口總線(xiàn)系統。AS-Interface總線(xiàn)系統最多可安裝248個(gè)二進(jìn)制傳感器。AS-Interface芯片與光電傳感器配合,可使傳感器與AS-Interface總線(xiàn)相連。同一總線(xiàn)上,多個(gè)傳感器相互干擾的問(wèn)題比較嚴重。這可在傳感器通信時(shí),在信息中加入監督碼元（冗余碼）進(jìn)行抗干擾。如用00000、11111代替0、1。當收到10111,那可認為錯了一位,并自動(dòng)糾正第二位?！　?　電磁兼容試驗

電磁兼容設計靠電磁兼容試驗來(lái)驗證與改進(jìn)?，F在,有了比較完善的電磁兼容試驗方法和專(zhuān)門(mén)的試驗設備。開(kāi)關(guān)電器動(dòng)作時(shí),形成強烈的干擾,產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖。IEC61000-4-4標準對電快速瞬變脈沖干擾作出規定,分為單個(gè)脈沖、一群脈沖、脈沖群。脈沖群波形如圖5所示,周期為300ms,脈沖束寬度為15ms。


單個(gè)脈沖和一群脈沖中單個(gè)脈沖的寬度要小于15ms。IEC1024規定的雷電模擬脈沖的寬度也要小于15ms。光電傳感器內部采用小電容對瞬變脈沖濾波比較適應。傳感器若受主機控制,則可在軟件中采用數字濾波、延時(shí)指令來(lái)抑制瞬變干擾。光電傳感器輻射敏感度試驗結果如表1所示。


采用以上設計后,光電傳感器既沒(méi)有干擾80C51單片機實(shí)驗系統,也沒(méi)有干擾F-40M型PLC。它在斷路器嚴酷環(huán)境中能穩定地工作。經(jīng)過(guò)電磁兼容設計,光電傳感器可靠性及質(zhì)量顯著(zhù)提高。