孟 欣， 邱召運(yùn)， 方旭超， 張峻瑜， 蔡占秀

(濰坊醫(yī)學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濰坊 261053)

基于帶通濾波器的幅頻特性調(diào)節(jié)光電開(kāi)關(guān)靈敏度*

孟 欣， 邱召運(yùn)， 方旭超， 張峻瑜， 蔡占秀

(濰坊醫(yī)學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東濰坊261053)

研究探討了調(diào)制光頻率與檢測(cè)距離的相關(guān)性，旨在通過(guò)軟件改變紅外調(diào)制光頻率，實(shí)現(xiàn)“一鍵式”智能調(diào)節(jié)檢測(cè)距離。以連續(xù)周期矩形脈沖信號(hào)為例，選用二階窄帶帶通放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，使不同頻率的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)窄帶帶通放大器自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出信號(hào)幅度，進(jìn)而影響傳感器的靈敏度。經(jīng)理論推導(dǎo)、仿真設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明：當(dāng)設(shè)定脈沖幅值和占空比為常數(shù)時(shí)，改變脈沖信號(hào)頻率可實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)距離的調(diào)節(jié)。即當(dāng)ff0時(shí)，靈敏度隨著f增大而減小。在紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器上應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)了利用軟件調(diào)節(jié)頻率來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的測(cè)量距離。

傳感器; 光電開(kāi)關(guān); 靈敏度; 調(diào)制光; 頻率; 帶通濾波器

0 引 言

光電開(kāi)關(guān)傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、感應(yīng)精度高、傳輸速度快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、可穿戴式檢測(cè)裝備等領(lǐng)域[1～3]。其中，以紅外光作為檢測(cè)媒介的光電傳感器稱紅外光電傳感器。其在相同檢測(cè)條件下靈敏度越高，傳感器可以測(cè)量的距離越遠(yuǎn)。在某些應(yīng)用場(chǎng)所，因受到設(shè)備尺寸和環(huán)境的限制，也需根據(jù)具體情況調(diào)整紅外光電傳感器的靈敏度。

調(diào)節(jié)光電傳感器靈敏度的方法并不多，且以硬件調(diào)節(jié)為主：調(diào)節(jié)發(fā)射器發(fā)射光的強(qiáng)度和調(diào)節(jié)接收器的靈敏度。利用軟件調(diào)整信號(hào)參數(shù)調(diào)節(jié)紅外光電傳感器靈敏度，文獻(xiàn)[4]給出了一種創(chuàng)新方法，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)的占空比參數(shù)實(shí)現(xiàn)了靈敏度調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[5]提出了一種通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)頻率調(diào)節(jié)靈敏度的技術(shù)方法，其基本原理是利用接收電路的幅頻特性實(shí)現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)。通常，光電開(kāi)關(guān)傳感器的信號(hào)處理電路由帶通放大器和解調(diào)電路構(gòu)成。當(dāng)帶通放大器的上限、下限截止頻率等于信號(hào)處理電路的中心工作頻率時(shí)，則放大器具有選頻濾波作用，同時(shí)也具有較明顯的幅頻特性。本文在此基礎(chǔ)上，討論了紅外調(diào)制光頻率對(duì)紅外光電傳感器靈敏度的影響，為探索紅外光電傳感器調(diào)節(jié)靈敏度的方法提供了理論參考。

1 脈沖頻率調(diào)節(jié)靈敏度原理

1.1 理論推導(dǎo)

以中心頻率f0=38kHz的巴特沃斯二階窄帶帶通放大電路處理傳感器接收的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)以模擬信號(hào)源代替。

設(shè)輸入脈沖幅值E=10mV，占空比δ=50%。脈沖信號(hào)傅里葉分析得[6]，當(dāng)占空比為50%時(shí)，連續(xù)周期脈沖信號(hào)的基波幅值最大，巴特沃斯二階低通和二階高通濾波器的傳遞函數(shù)分別為

(1)

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)，窄帶帶通放大電路的傳遞函數(shù)為

(3)

根據(jù)式(3)，窄帶帶通放大電路的幅頻特性關(guān)系為

(4)

式中A0為二階低、高通放大電路的電路增益。式(4)為電路輸出信號(hào)的電壓幅值和脈沖頻率的關(guān)系式，中心頻率f0=38kHz，頻率調(diào)節(jié)范圍選擇在32kHz≤f≤44kHz。圖1為根據(jù)式(4)繪制的輸出信號(hào)幅值與脈沖頻率的關(guān)系曲線，當(dāng)頻率等于中心頻率f0時(shí)，輸出信號(hào)的電壓幅值為最大值。根據(jù)式(4)和圖1可知，改變矩形脈沖信號(hào)的頻率，能夠改變輸出信號(hào)的電壓幅值。

圖1 電壓幅值與頻率的關(guān)系曲線

1.2 仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量

利用軟件Multisim對(duì)巴特沃斯二階窄帶帶通放大電路進(jìn)行電路的仿真分析，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建實(shí)物電路，僅改變脈沖信號(hào)的頻率f，保持輸入信號(hào)的其他參數(shù)與理論推導(dǎo)時(shí)一致。記錄不同頻率下仿真與實(shí)驗(yàn)的輸出信號(hào)幅值，分別記為Uo1和Uo2；當(dāng)傳感器靈敏度最大時(shí)輸出電壓幅值最大，分別記為Uom1和Uom2；S=Uo/Uom為傳感器的相對(duì)靈敏度，分別記為S1，S2，仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同脈沖頻率下的輸出電壓幅值與相對(duì)靈敏度

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件繪出頻率—相對(duì)靈敏度的曲線對(duì)比，如圖2所示。

圖2 頻率與相對(duì)靈敏度曲線對(duì)比

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線、理論曲線的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)ff0時(shí)傳感器的靈敏度隨著頻率增加而降低。

2 傳感器應(yīng)用

2.1 新型對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)紅外光電傳感器的基礎(chǔ)上增加了靈敏度調(diào)節(jié)按鈕構(gòu)成一鍵調(diào)節(jié)式紅外光電傳感器，包括發(fā)射器、接收器、信號(hào)處理電路、控制電路和靈敏度調(diào)節(jié)按鈕。發(fā)射器選用紅外發(fā)射二極管，本文選用中心頻率f0=38 kHz的集成化的紅外接收模(infrared receiver module,IRM)組作為接收器,包括接收電路、帶通放大電路和比較電路，IRM對(duì)輸入信號(hào)具有濾波、選頻和放大等作用。

如圖3所示，U1為單片機(jī)系統(tǒng)， P 3.3口發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)二極管L1發(fā)出紅外調(diào)制脈沖光，接收電路接收紅外光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)IRM內(nèi)的窄帶放大電路處理，比較后將輸出結(jié)果發(fā)送至P 3.0進(jìn)行臨界抖動(dòng)檢測(cè)，由單片機(jī)判斷監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)是否存在物體。P 3.4連接按鍵K1，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)“一鍵式”靈敏度控制。

圖3 對(duì)射式紅外開(kāi)關(guān)傳感器原理

2.2 頻率對(duì)靈敏度影響的實(shí)驗(yàn)

對(duì)上述傳感器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，令f=f0=38 kHz時(shí)的最大檢測(cè)距離為L(zhǎng)m，取S=L/Lm為相對(duì)靈敏度。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 不同頻率下的相對(duì)靈敏度

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，畫(huà)出脈沖頻率和相對(duì)靈敏度關(guān)系曲線，如圖4所示。由實(shí)驗(yàn)曲線可知，脈沖頻率在ff0范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，傳感器的檢測(cè)距離逐漸減小，靈敏度降低。

圖4 頻率與相對(duì)靈敏度的實(shí)驗(yàn)曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論討論

1) 理論曲線、仿真曲線、實(shí)驗(yàn)曲線在f=f0左、右區(qū)域的變化不完全對(duì)稱，比較可知f>f0時(shí)的靈敏度比較大，原因是:脈沖信號(hào)的倍頻信號(hào)在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法被完全消除，存在干擾信號(hào)的疊加，增大了輸出信號(hào)的幅值。

2) 傳感器設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)曲線與其余3條曲線雖然走勢(shì)相同但曲線有差異，原因是：新型傳感器設(shè)計(jì)中采用接收器的內(nèi)部電路與其余3個(gè)不同，其次與反射光的強(qiáng)弱、發(fā)射管工作電流、檢測(cè)距離、光信號(hào)發(fā)射角度、反射面材料、環(huán)境光照等因素相關(guān)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的可見(jiàn)光對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的影響，一般選擇在室內(nèi)或有遮擋的環(huán)境下使用[7]。因此,實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)無(wú)日光燈條件下進(jìn)行，為了減少環(huán)境光的影響，可以采用調(diào)制光進(jìn)行測(cè)量[8]。

3 結(jié) 論

當(dāng)ff0時(shí)，傳感器的靈敏度隨著頻率的增大逐漸降低。 據(jù)此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率來(lái)調(diào)整超聲傳感器的靈敏度。經(jīng)過(guò)一系列理論推導(dǎo)、電路仿真和實(shí)驗(yàn)分析可知，f

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Sensitivityofphotoelectricswitchadjustablebasedonband-passfilter*

MENG Xin, QIU Zhao-yun, FANG Xu-chao, ZHANG Jun-yu, CAI Zhan-xiu

(SchoolofBioscienceandTechnology,WeifangMedicalUniversity,Weifang261053,China)

This study explores the correlation between the modulated optical frequency and the detection distance,and aims to change the infrared modulation optical frequency by software to realize "one-click" intelligent adjustment of distance detection.Taking the continuous cycle rectangular pulse signal as an example,the second order narrowband band-pass amplifier circuit is used to amplify and filter the input signal,and the pulse signal of different frequency is automatically adjusted by the narrowband band-pass amplifier to affect the sensitivity of the sensor.Through the theoretical derivation,simulation design,experimental analysis,the results show that when the pulse amplitude and duty cycle are set constant,changing frequency of pulse signal can realize adjustment of sensor sensitivity,so as to realize the adjustment of detecting distance.Whenff0,the sensitivity decreases with the increase off.In the infrared photoelectric switch sensor,the application of this method achieves the purpose that using software to adjust the frequency so as to adjust measurement distance of sensor.

sensor; photoelectric switch;sensitivity; modulation light; frequency; band-pass filter

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0020—03

2017—08—01

中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)教育分會(huì)和中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)教育專業(yè)委員會(huì)教學(xué)研究項(xiàng)目(2016B—RC074)；濰坊醫(yī)學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(2015Y008)

TP 212.1

A

1000—9787(2017)10—0020—03

孟 欣(1994-)，女，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)采集處理。邱召運(yùn)(1963-)，男，通訊作者，教授，從事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作，研究方向?yàn)閭鞲衅髋c測(cè)量技術(shù)、醫(yī)用微控制系統(tǒng)，E—mail:wfqzy@sohu.com。