光電傳感器的電磁兼容設(shè)計

引　言

　　廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的光電傳感器,一般是開關(guān)型的,被稱為光電開關(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(shè)備的電磁干擾。它工作時,引起電磁輻射,形成電磁干擾。當動作頻率較高、多個傳感器相距較近時,儀器儀表、總線系統(tǒng)、計算機等弱電設(shè)備會受到強烈的干擾,傳感器本身也會受到強烈的干擾,此時電磁兼容問題顯得更突出。電磁兼容設(shè)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(xiàn)誤動作,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行無接觸檢測。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作的主要因素之一。環(huán)境光、背景光和周圍其它光電傳感器發(fā)出的光是光干擾源。以紅外線為媒介進行檢測則可減小可見光的影響,紅外光也不影響可見光。紅外線光電傳感器可用濾光鏡濾去可見光。對于周圍環(huán)境其它光電傳感器的光干擾, 可用外殼、套筒、夾縫來抑制[2 ] 。圖1 是一種受光器結(jié)構(gòu)圖。

　　投光器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計得當,可使發(fā)出的光成為規(guī)則光束,而非散射狀,使用時又安裝得當,則投光器難成為光干擾源。傳感器設(shè)計時,采用偏振光及高頻調(diào)制的脈沖光,采用同步檢波方式,都有利于抑制光干擾。
　　
2　電路板電磁兼容

　　光電傳感器通過高頻調(diào)制產(chǎn)生高頻電信號。在高頻下,一根導線等效為一個電感。因此,須盡可能縮短傳感器內(nèi)高頻線的長度。印制板跡線設(shè)計時要考慮盡可能減小電磁輻射。跡線輻射比集成電路輻射要強。跡線如構(gòu)成如圖2 所示的大小相等、方向相反的電流環(huán)路,則會向空間輻射磁場,也會接受空間的磁場。

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

　　此時為差模輻射?？赏ㄟ^減小環(huán)路面積S 和環(huán)路電流i 來減小差模輻射。共模輻射可用對地電壓激勵的、長度小于1/ 4 波長的短單極天線來模擬。共模輻射的電場強度為[3 ]

　　式中l(wèi)為短單極天線長度, 共模電壓轉(zhuǎn)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。

　　總的來說,印制板跡線長度宜短,宜增加寬度,但不宜突然增寬,不宜突然拐彎。盡可能增大地線面積以減小地線阻抗。高頻信號線、電源線應(yīng)盡可能平行地靠近地線。傳感器應(yīng)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(shè)計得更緊密,有利于傳感器穩(wěn)定工作。
　　
3　輸出電路電磁兼容

　　輸出電路是傳感器的末級電路,一般是無觸點開關(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,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 來抑制d i/ d t , 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(shè)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)用來抑制晶閘管動作時產(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(xiàn)在,通信、接口、總線技術(shù)的發(fā)展也促使二進制傳感器的智能化。AS-Interface 是一個執(zhí)行器-傳感器- 接口總線系統(tǒng)。AS-Interface 總線系統(tǒng)最多可安裝248 個二進制傳感器。AS-Interface 芯片與光電傳感器配合,可使傳感器與AS-Interface 總線相連。同一總線上,多個傳感器相互干擾的問題比較嚴重。這可在傳感器通信時,在信息中加入監(jiān)督碼元（冗余碼） 進行抗干擾。如用00000 、11111 代替0 、1 。當收到10111 ,那可認為錯了一位,并自動糾正第二位。
　　
5　電磁兼容試驗

　　電磁兼容設(shè)計靠電磁兼容試驗來驗證與改進。現(xiàn)在,有了比較完善的電磁兼容試驗方法和專門的試驗設(shè)備。開關(guān)電器動作時,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(guī)定,分為單個脈沖、一群脈沖、脈沖群。脈沖群波形如圖5 所示,周期為300 ms , 脈沖束寬度為15 ms。

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

6 　結(jié)束語

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