劉向榮（陜西重型汽車有限公司車身廠，陜西 西安 710200）

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現(xiàn)代工業(yè)光電傳感器性能分析及故障排除

劉向榮
（陜西重型汽車有限公司車身廠，陜西 西安 710200）

隨著現(xiàn)代化企業(yè)、工廠新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，光電傳感器的應(yīng)用與維修已經(jīng)成為當(dāng)今設(shè)備技術(shù)人員維護(hù)和保養(yǎng)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。文章介紹工業(yè)光電傳感器的性能、原理以及生產(chǎn)實(shí)際的應(yīng)用和故障解決。

光電傳感器；發(fā)光二極管；邏輯電路；幅值裕度

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.072

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-217-03

引言

在電子傳感設(shè)備和控制領(lǐng)域，自動(dòng)化發(fā)展創(chuàng)造了重要的二次創(chuàng)業(yè)。隨著人工操作向自動(dòng)化生產(chǎn)的過渡，傳感器能夠像人工控制中操作員所做的那樣，把他們所看到的、聽到的和感覺到的數(shù)據(jù)提供給自動(dòng)化系統(tǒng)。光電傳感器作為一種離散非接觸型自動(dòng)化傳感器，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中，與目標(biāo)不通過物理接觸就能實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)。

1、廣泛的應(yīng)用

光電傳感器的兩個(gè)組成部分是光源和檢測(cè)光線有無的接收器，在它的絕大部分樣式中，光電傳感器是類似行程開關(guān)的器件，只是用光束代替了行程開關(guān)的機(jī)械激勵(lì)。當(dāng)物體擋住光束或反射光束到接收器時(shí)，光電器件可以檢測(cè)到目標(biāo)。作者簡(jiǎn)介：劉向榮（1982-），男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事設(shè)備管理、維護(hù)、改造等工作。光的改變代表目標(biāo)存在或消失，或是目標(biāo)的大小、形狀、反射率、顏色等發(fā)生改變。光電傳感器的工作距離從5mm(0.2in)～250m(820ft),一些激光器件甚至能工作在304m（1000ft）的范圍[1]。

在陜西重型汽車有限公司車身廠沖壓車間里，光電傳感器的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，如沖床的光電保護(hù)裝置，以及檢測(cè)移動(dòng)工作臺(tái)位置的光電開關(guān)、廢料漏斗滿料檢測(cè)裝置等。

2、光電傳感器的組成

沖床作為一類危險(xiǎn)源設(shè)備，由于人員需要進(jìn)入危險(xiǎn)作業(yè)范圍，光電控制器檢測(cè)信號(hào)需要與PLC程序互鎖，要保證沖床行程開動(dòng)時(shí)人員不得進(jìn)入作業(yè)范圍，否則沖床將會(huì)緊急停止，所以光電保護(hù)裝置的可靠性、靈敏度、透光度、幅值裕度等參數(shù)顯得極為重要。

圖1為對(duì)射式光幕如下：

有效地使用光電傳感器以及正確解決光電傳感器故障的第一步就是掌握光電傳感器的工作原理。每個(gè)光電傳感器由五個(gè)基本部分組成：光源或發(fā)射器、光檢測(cè)器、鏡頭、邏輯電路、輸出開關(guān)器件。

2.1光源

很多光電傳感器都使用發(fā)光二極管（LEDs）作為光源。為了實(shí)現(xiàn)不同的檢測(cè)功能，在大部分光電傳感器中，使用紅外線、可見紅色光、綠光和藍(lán)光或彩色光作為光源（光線發(fā)射器）。紅外線在所有的發(fā)光二極管中，是效果最好的，產(chǎn)生的光線最強(qiáng)，散發(fā)的熱量卻最低，圖二為波長(zhǎng)與效率示意圖[2]。

2.2光線檢測(cè)器

接收器或者光線檢測(cè)器，用于檢測(cè)光線是否存在。接收器直接使電流產(chǎn)生變化，電流變化與接收到的光線強(qiáng)度成正比。光電二極管或光電晶體管是經(jīng)常用來檢測(cè)光線的電晶體原件。一般要求光源和接收器的波長(zhǎng)相互匹配，才能提高檢測(cè)能力[3]。

鏡頭：發(fā)光二極管發(fā)出的光線一般都覆蓋比較大的區(qū)域，光線檢測(cè)器具有相同范圍的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)檢測(cè)器可以檢測(cè)到光線。如圖3為帶鏡頭的LED探測(cè)器。

2.3邏輯電路

邏輯電路有三個(gè)功能：調(diào)整LED光源；放大光線檢測(cè)器發(fā)出的信號(hào)；決定輸出狀態(tài)的改變。LED發(fā)出的光與器件中的電流值有直接的正比關(guān)系。因?yàn)榘l(fā)光二極管的開關(guān)很快，用一個(gè)很短的開通周期（on-duty cycle）就可以對(duì)它們進(jìn)行調(diào)制，所以瞬時(shí)電流值很高但平均電流要低得多。調(diào)制減少了熱量，故允許更高的工作電流[4]。

2.4輸出器件

一旦通過接收器檢測(cè)到光線強(qiáng)度的足夠變化，光電傳感器邏輯電路就會(huì)控制傳感器中的一個(gè)輸出器件，給控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，告知工作環(huán)境發(fā)生變化。輸出是離散和模擬的結(jié)合，有很多不同的開關(guān)器件。

如圖4為包含邏輯電路和輸出器件的沖床光電控制器。

2.5幅值裕度

幅值裕度是光電傳感器中一個(gè)很重要的的一個(gè)概念。幅值裕度是檢測(cè)器實(shí)際檢測(cè)到的光線與使得輸出改變的最小幅度的光線的比率。

2.6光電傳感器檢測(cè)方式應(yīng)用

光電傳感器基本都工作于三種不同的檢測(cè)方式。分別為光束傳播、反光和散射方式。基于這三種典型方式中應(yīng)用與不同的環(huán)境可以具體分為光束傳播、反射、偏振反射、標(biāo)準(zhǔn)散射、銳截至散射、背景抑制散射、聚焦散射、寬角度散射、光纖等方式。

圖1中陜西重型汽車有限公司沖壓車間采用德國(guó)SICK-C2000的對(duì)射式光幕保護(hù)，1000mm*20mm*3500mm為形成的紅外線光幕的高度*厚度*長(zhǎng)度。光束密度為1發(fā)光點(diǎn)/mm。它的工作機(jī)理如同上述所提出的5部分組成，由邏輯電路中的震蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)發(fā)射電路后，由紅外發(fā)光管GL輻射出光脈沖。當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，受光器接受的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU；并在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，再經(jīng)放大器放大和同步選通整形，然后通過數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)輸出光電開關(guān)控制信號(hào)。

3、光電傳感器檢測(cè)方式

光電傳感器基本都工作于三種不同的檢測(cè)方式。分別為光束傳播、反光及散射。

3.1光束傳播方式

光束傳播方式下，光源和接收器是獨(dú)立包裝的。這兩個(gè)單元放置于正對(duì)的位置，這樣從光源出來的光線正好直接照射在接收器上。目標(biāo)必須在光源和接收器之間，從而能夠阻擋住光線。光束傳播傳感器提供的檢測(cè)距離最長(zhǎng)，工作幅值裕度最高。

3.2反射方式

使用最頻繁的檢測(cè)方式，稱為反射或反光，光源和接收器在同一包裝內(nèi)。光源發(fā)出的光束被一種特殊的反射器件所反射，返回到接收器，接收器，接收器輸出器件觸發(fā)跳變，此反射器件稱為基準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)待檢測(cè)的目標(biāo)物體阻擋了光束之后，輸出器件改變狀態(tài)，傳感器檢測(cè)到物體。這種檢測(cè)方式的最大有效檢測(cè)距離，部分取決于反射器或反射帶的效果。

3.3偏振反射方式

偏振反射傳感器在光源和接收器前面有偏振濾波器，兩者之間相差90°的相位。

可以發(fā)現(xiàn)從光源發(fā)出的光線為水平偏振方向，但是到達(dá)接收器的光線必須具有垂直偏振，高拋光的物體阻斷光束后，從發(fā)射器出來的水平偏振光線被反射回接收器。接收器的垂直濾波器阻擋光線到達(dá)接收器，所以不能觸發(fā)接收器。因此，傳感器的輸出器件是處于關(guān)斷狀態(tài)。

3.4散射方式

光束傳播和反射傳感器產(chǎn)生的光束，被經(jīng)過的物體阻隔，光線能夠到達(dá)目標(biāo)物體的兩側(cè)。但是，光線一般不可能到達(dá)一個(gè)目標(biāo)物體的兩側(cè)。在這些應(yīng)用中，散射方式傳感器是光電傳感器唯一的選擇。散射方式傳感器，有時(shí)稱光電接近傳感器，光源和接收器處于同一包裝內(nèi)，與反射方式一樣。待檢測(cè)的物體是作為靶子把光源發(fā)出的光束反射到接收器。檢測(cè)的目的是從表面反射的光源光線中得到盡可能高的幅值裕度。

4、維護(hù)和保障

基于光電傳感器的原理和性能分析，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中的維護(hù)和故障檢測(cè)排除都會(huì)帶來強(qiáng)大的技術(shù)支持。

品牌：光電開關(guān)、光電傳感器的制造廠商相當(dāng)眾多，能從中選擇適合自身工況的，達(dá)到使用要求便于維護(hù)、保養(yǎng)的，同時(shí)性價(jià)比較高的才是用戶的最終選擇目標(biāo)。推薦制造廠商：德國(guó)SICK、日本RIKEN、美國(guó)Honeywell、日本OMRON電子有限公司、美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化有限公司。

國(guó)內(nèi)：科力光電 香港：KEYENCE 基恩士有限公司。

故障易發(fā)點(diǎn)及其排除：

（1）發(fā)射裝置異常，發(fā)光器或鏡頭污染導(dǎo)致幅值裕度極低，采用清潔發(fā)射鏡頭、受光器和發(fā)光二級(jí)管方法排除；

（2）發(fā)射裝置電源、信號(hào)線對(duì)接式插頭接觸不良導(dǎo)致輸出異常。可采用檢查接受裝置指示燈指示狀態(tài)判別，并同時(shí)檢查插接口是否氧化；

（3）輸出一直為常開狀態(tài)，檢查控制器的電源保險(xiǎn)以及微型控制繼電器的線圈；

（4）反射式光幕裝置一直異常，因?yàn)榉瓷涫焦怆婇_關(guān)原理不同于對(duì)射式，發(fā)射器和受光器均在發(fā)射端，主要靠反光器的反射板反射光束到發(fā)射端的受光器，這樣就容易造成光線反射誤差的累積。因而需要對(duì)發(fā)射端的固定位置和反射板的位置進(jìn)行調(diào)整以防止沒有物體進(jìn)入光幕范圍，而因?yàn)楣饩€傳播誤差造成的輸出信號(hào)錯(cuò)誤影響正常生產(chǎn)的問題；

（5）對(duì)于日常的檢查和保養(yǎng)，應(yīng)注重于對(duì)光敏元件的保護(hù)，盡量避免因?yàn)楣S工作情況加工人對(duì)光電設(shè)施的意外撞擊、碰撞造成的損壞。出現(xiàn)異常時(shí)無法排除，應(yīng)當(dāng)停止設(shè)備的工作，聯(lián)系光電制造廠商進(jìn)行故障分析，強(qiáng)烈禁止隨意更改、屏蔽光電控制線路，因?yàn)楣怆妭鞲衅鞯目刂菩盘?hào)與設(shè)備控制PLC系統(tǒng)或控制線路互鎖，隨意更改易發(fā)生意外事故；

（6）檢測(cè)所有的放大器的設(shè)置是否正確，很多傳感器放大器的靈敏度可以調(diào)整，保證保護(hù)選擇開關(guān)在適當(dāng)?shù)奈恢茫?/p>

（7）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，確定物體通過傳感器的速度不超過檢測(cè)單元的上升和下降時(shí)間；

（8）確定外部溫度或供電電壓改變時(shí)，檢測(cè)距離不減小。

5、小結(jié)

通過對(duì)現(xiàn)代工業(yè)光電傳感器性能分析及故障排除方法的介紹，希望能同廣大的工廠設(shè)備維護(hù)技術(shù)人員一起分享光電控制技術(shù)，使得在日常維護(hù)保養(yǎng)過程中更加科學(xué)化、理性的判斷故障問題和對(duì)新設(shè)備的器件采購提供新的思路和理念！

[1]美James A.Rehg Glenn J.Sartori 工業(yè)電子技術(shù)[J].

[2]Http:www.ab.com艾倫.布拉德利有限公司的接近和光電傳感器

[3]杰 林均淳.電器檢測(cè)技術(shù)[J].機(jī)械工業(yè)出版社.1996年

[4]測(cè)量技術(shù)與儀表[J].清華大學(xué)出版社.2004年.

Performance Analysis And Trouble Shooting Of Modern Industrial Photoelectric Sensor

Liu Xiangrong
(Shaanxi Heavy-duty Motor Company Limited body factory,Shaanxi Xian 710200)

with the extensive application of modern enterprise,factory new technology,the application and maintenance of photoelectric sensor has become the focus and difficulty of maintenance and maintenance of equipment and technical personnel.This paper introduces the performance and principle of industrial photoelectric sensor and its application in production practice.

photoelectric sensor; led; logic circui; amplitude margin

U463.6識(shí)碼：A

1671-7988（2016）08-217-03