技工院校教學中紅外非接觸傳感器的設計思路

文/呂曉春

一、紅外非接觸傳感器概述

（一）對射式紅外傳感器

如圖1所示，對射式紅外光電開關把一個紅外光發射器和一個紅外光接收器面對面地裝在一個槽的兩側，這類的對射式光電傳感器又叫槽型開關，發光器能發出紅外光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關電平切換，執行一個開關控制信號切換。槽形開關的檢測距離受整體結構的限制，不同的型號，槽寬也不相同，槽寬范圍大致為3mm～50mm。

（二）反射式紅外傳感器

圖2

如圖2所示，反射式光電傳感器是把發射器和接收器裝入同一個裝置內，工作時，紅外發射管發出紅外光，紅外光線遇上被檢測對象之后，紅外光有一部分被檢測對象吸收，穿透被檢測對象，另外一部分被被檢測對象反射回來。反射回來的光線有部分進入紅外接收管，受被檢測對象的材質和表面形狀影響，對于不同的被檢測對象，最終紅外接收管接收的光線比例不同。設計反射式非接觸開關的檢測電路，要考慮被接收狀態的最壞可能，并在留有適當余量的情形下，仍然能處理最終被返回的紅外光。

反射式光電傳感器與對射式光電傳感器對比，有一些便利之處。例如：如果檢測對象相對固定，在考慮環境光線變化影響之后，調整檢測電路的參數，相對容易找到一個合適的檢測距離；反射式紅外傳感器比槽型開關調整范圍更大，相對于對射式光電傳感器，節省安裝使用空間，但更容易受被檢物的形狀、顏色和材質影響；反射式光電傳感器與對射式光電傳感器，都可以廣泛應用于點鈔機、限位開關、計數器、電機測速、打印機、復印機、液位開關、金融設備、娛樂設備（自動麻將機）、舞臺燈光控制、監控云臺控制、運動方向判別、計數、電動繞線機計數、電能表轉數計量等，在個別的應用場合，只能選擇槽型對射式光電傳感器，個別場合又只能選擇反射式光電傳感器，具體選擇時，需要根據具體應用場合具體分析。

比如在需要套打的場合，使用套打紙時，這些被檢測的對象或物體表面必須有黑白相間的部位用于吸收和反射紅外光。電路設計中最關鍵的一點是接收管電流的變化能在邏輯電平翻轉，考慮到使用反射式光電傳感器的前端面與被檢測的對象或工件表面可能不完全平行的情況，反射式光電傳感器的轉換效率在這樣的極端情形下也要能識別出來。反射式光電傳感器的前端面被檢測對象反射面的檢測距離控制在規定的范圍內，設定過大或者過小，都有可能導致誤測。對于反射式光電傳感器和對射式光電傳感器，都必須安裝在沒有強光直接照射處，因強光中的紅外光將影響接收管的正常工作。相對而言，反射式光電傳感器受環境光影響更大，即便沒有強光直接照射，設備內部或者外部的裝飾燈光的暖光源，對傳感器的影響也需要被評估。反射式光電傳感器和對射式光電傳感器的紅外發射管的電流在2～10ma之間時發光強度與電流的線性最佳，這點需要參照不同型號的發光管廠家提供的對應資料選型與設計檢測電路的參數，所以在電流取值一般不超過這個范圍，若取值太大發射管的光衰也大長時間工作影響壽命；若在電池供電的情況下電流取值應小，此時抗干擾性下降，在結構設計時應考慮這點，盡量避免外界光干擾等不利因素。對于反射式光電傳感器和對射式光電傳感器安裝焊接時，引腳根部與焊盤的最小距離不得小于5mm，否則焊接時易損壞管芯。或引起管芯性能的變化。焊接時間應小于4秒。從這兩種傳感器的管腳上可以看到，距離引腳根部5mm左右的地方發射或者接收的兩個管腳都有一處約0.5mm的壓扁的最小距離印記，焊接的時候，需要在印記外焊接。電路板板厚一般都為2mm以內，對于直插的反射式光電傳感器或者對射式光電傳感器，如果引腳根部緊貼電路板焊接安裝，則除去PCB板的板厚，焊點就沒有辦法滿足焊盤與根部不小于5mm的要求，這個時候必須讓器件浮起，或者讓管腳上的最小印記貼緊PCB板的表面，這樣再加PCB板厚，焊盤就容易滿足不小于5mm的要求；在很多情況下，對射式或者反射式的紅外光電傳感器，如果不允許器件浮起焊接，為了滿足最小的5mm安全距離要求，焊盤必須特殊設計，以保證器件安全焊接。

二、紅外非接觸開關設計

（一）設計原理圖

圖3

如圖3所示，由于紅外反射式傳感器與對射式傳感器控制電路的原理很相近，圖3只以反射式紅外傳感器為例來說明原理設計。

（二）原理解釋

如圖3所示，紅外發射管的限流電阻R4，為470歐姆，VCC=5V時，發射電流約等于10Ma,光敏三極管集電極接電源，發射極接采樣電阻R5，如圖所示，采樣電阻R5為10K,C1為防干擾電容，這個電容可以過濾掉大部分疊加到比較器反向輸入端的瞬時干擾信號，比較器的同向輸入端接經過R2與R6分壓后的基準電壓，如圖所示，基準電壓為2.5V；比較器的輸出是OC輸出，輸出接一上拉電阻R3，以確保OC輸出截止時輸出端能被上拉到一個確定電平，也就邏輯高電平。

對于反射式紅外光電傳感器，上述電路在通電后，如果在傳感器工作面檢測距離內沒有被測對象，則紅外接收光敏三極管沒有被反射回來的紅外光，光敏三極管截止，比較器的反向輸入端被采樣電阻R5下拉到地，此時，比較器輸入高電平，工作狀態檢測指示二極管關閉。反之，反射式傳感器工作面前端在檢測范圍內如果有障礙物或者被檢測對象，紅外發光管發出的紅外光的一部分，被檢測對象反射回來，進入到光敏三極管。光敏三極管導通行程光敏電流，光敏電流流過采樣電阻R5再到GND，比較器的同向輸入端的電壓就被抬升。抬升到超過基準電壓后，比較器翻轉輸出，即輸出邏輯低電平，比較器因為是集電極開路輸出，這個輸出基本上就把輸出端下拉到非常接近GND電平，此時，工作狀態指示燈的工作電流，通過比較器的OC端進入到GND，從而指示燈被點亮。這種指示燈的對接方式，符合“無滅有亮”原則，整個檢測電路是OC輸出，也方便后級電路輸入。在紅外發光二極管工作電流的允許范圍內，調整限流電阻R4的大小，可以調整檢測距離，另外調整采樣電阻R5的阻值與基準電阻R2與R6的阻值調整基準電壓，也可以調整調整檢測距離與檢測靈敏度，靈敏度的調整要兼顧到傳感器工裝環境的紅外干擾源，并適當留有余量。

（三）設計分析

參照市面上現有的紅外傳感器的設計，一般都把紅外發射管的限流電阻與光敏三極管的采樣電阻，都設計在靠近GND的下端。從功能上來說，這種設計和本設計沒有任何區別，但是從焊接調試的角度上，本設計的這種方式，對對射式紅外傳感器或者反射式紅外傳感器更有利于焊接。因為，絕大多數情況下，PCB的設計上，會把PCB圖面上沒有走線的區域鋪設成銅皮，銅皮的網絡，就是GND；也就是說，在PCB板上，接地的網絡是面積是最大的，如果紅外傳感器的管腳焊盤直接在GND網絡上的這種設計，相對于本設計，焊接的時候，烙鐵的溫度會被更快散發掉，要把焊盤加熱到焊錫融化的溫度的時間變得更長，同樣，焊接完成之后溫度回落到常溫所需要的時間，就更長，無論是反射式紅外傳感器還是對射式紅外傳感器，都對焊盤的焊接的溫度與焊接時間有要求，這樣才不容易物理損傷或者損壞傳感器以保證性能。

三、傳感器的PCB設計

本設計的PCB設計為雙面板，可以把反射式紅外傳感器LTH1550-01與對射式紅外傳感器LTH301設計在同一塊板上，在同一塊PCB同時支持兩款不同類型的紅外傳感器。這兩個傳感器表面插入后，需要90度彎折管腳，焊盤設計在距離過孔5mm的位置，這種設計可以更好地滿足紅外管的焊接要求。

四、結語

本設計的紅外傳感器把反射式與對射式合二為一，既考慮到了可靠性，又考慮到了通用性，而且兼顧了靈活性；本設計已經經過了長時間的實際檢驗論證，可以長時間可靠運行。