寬光束光電傳感器

1、第4期儀表技術(shù)與傳感器9寬光束光電傳感器徐振高楊曙年華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院儀器系武漢市430074【摘要】本文介紹了一種寬光束光電傳感器的測量原理。這種傳感器由光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理電路所組成,可用來檢測運(yùn)動(dòng)帶材的邊界位置。試驗(yàn)表明,該傳感器具有很大的測量范圍和較好的靈敏度。敘詞:位置測量光電傳感器光束APhotoelectricSensorwithWideLightBeamXuZhengaoYangShunianKeyWords:Position,Measurement,PhotoelectricSensor,LightBeam.一、引言在軋鋼、造紙、紡織、印染及印刷等工業(yè)生產(chǎn)中,常常需要對(duì)帶材的

2、邊界或中心位置進(jìn)行連續(xù)檢測與控制,以保證卷帶、裁邊以及套印等工序的順利進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)上述檢測的方法很多,如各種機(jī)械式觸點(diǎn)開關(guān)、光電開關(guān)、位移傳感器以及電荷耦合器件(CCD)等。從使用情況看,機(jī)械式觸點(diǎn)開關(guān)和大多數(shù)位移傳感器均屬接觸式測量。當(dāng)被測對(duì)象高速運(yùn)動(dòng)時(shí),其響應(yīng)速度慢,易損傷被測件。目前已商品化的各種光電開關(guān)雖然能實(shí)現(xiàn)非接觸測量,但其測量范圍小,對(duì)光源的質(zhì)量要求高,給現(xiàn)場的使用和維護(hù)帶來了諸多不便。因此,目前國內(nèi)外對(duì)帶材邊種傳感器的測量精度高(可達(dá)微米級(jí)),測量范圍大,且有較高的響應(yīng)速度。但其價(jià)格較一般傳感器要高得多,當(dāng)被測對(duì)象無自發(fā)光時(shí),也需附加較高質(zhì)量的光源。為適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)帶材邊界或中心位

3、置的連續(xù)檢測,降低設(shè)備成本,我們研制了一種寬光束光電傳感器。二、傳感器的工作原理寬光束光電傳感器的工作原理如圖1所示。由普通日光燈光源1發(fā)出的光線,一部分通過物鏡2聚集在光電池3上,形成光電流i 1,以此作為參考信號(hào)。另一部分光線 2經(jīng)柱面鏡11,聚集在光電池10上,形成光電流i 2,以此作為測量信號(hào)。將帶材12的邊界置于測,10儀表技術(shù)與傳感器1998年必將引起i 2大小的變化。由此即可獲得反映帶材邊界位置的測量信號(hào)。管老化以及環(huán)境污染等,均會(huì)使光源的亮度發(fā)生變化。因此,將V 1和V 2同時(shí)送入除法器作比值運(yùn)算,以保證U=kV 2/V 1基本不變,從而獲得僅反映帶材邊界位置的有用信號(hào)。當(dāng)然,

4、光源亮度不允許無限減小,當(dāng)其減至一定程度時(shí),V 1經(jīng)污染報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào),要求進(jìn)行污染清除或更換燈管。圖1傳感器的工作原理1.日光燈管2.物鏡3、10.光電池4.參考信號(hào)變換電路5.污染報(bào)警電路6.反相器7.加法器8.除法器9.測量信號(hào)變換電路11.柱面鏡12.帶材三、傳感器的電路設(shè)計(jì)傳感器的電路如圖2所示。由于測量信號(hào)與參考信號(hào)兩變換電路基本相同,故省略了測量信號(hào)的變換電路。圖中所有運(yùn)算放大器均由±15V電源供電。A4為除法器(AD533),省略了其外接電路。i 1與i 2經(jīng)過各自的信號(hào)變換電路,可將光電流變換并放大成電壓信號(hào)V 1、在使V 2。用過程中,由于光源供電電壓的變化

5、、燈圖2傳感器電路圖利用光電池S1的短路電流i 1與光照近似成正比的關(guān)系,將其接入放大器A1的兩輸入端。根據(jù)兩端電位差接近于零的特點(diǎn),可得放大器的輸出電壓為V1=i 1(R1+R2)。調(diào)節(jié)R2可改變V1的大小。通過電容C1,V1中的直流分量被隔離,僅有隨燈管亮度變化的交流分量V1被送后級(jí)電路處理。放大器A2與二極管D1、D2以及電阻R3、當(dāng)R3=R4,且輸R4構(gòu)成一線性半波整流器。入電壓為負(fù)極性時(shí),其輸出電壓與輸入電壓大小相等,符號(hào)相反。放大器A3和電阻R7以及電容C2構(gòu)成一積分電路。當(dāng)R5=2R6,R7>R5時(shí),A3的輸出電壓V 1與V1全波整流后的平均值成比例。換句話說,A2與A3所

6、構(gòu)成的電路能對(duì)V1進(jìn)行全波整流,取平均值以及將V 1與測量信號(hào)處理電路輸出的V 2同時(shí)送入除法器A4作除法運(yùn)算,可使光源供電電壓變化、燈管老化以及環(huán)境污染等對(duì)輸出電壓U的影響減至最小。除法器的輸出U與某一定值負(fù)電壓U通過加法器A5求和,即可輸出0-10V的檢測信號(hào)。通過反相器調(diào)整U的A6,也可輸出010V的檢測信號(hào)。大小,可改變測量光為全暗時(shí)的輸出電壓。調(diào)節(jié)R10可改變測量光為全亮?xí)r的輸出電壓。另外,V 1還需與一恒定電壓U進(jìn)行比較,以控制繼電器J1的開啟,從而實(shí)現(xiàn)光源污染或燈管損壞時(shí)的報(bào)警。四、傳感器的特性試驗(yàn)用40W普通日光燈管作光源,使光源與()34儀表技術(shù)與傳感器1998年的上、下限標(biāo)

7、定后測試了整機(jī)的線性度。結(jié)果表明,在整個(gè)量程范圍中,整機(jī)的線性誤差<0.2(相當(dāng)于0.4,含A/D的誤差);之后我們?cè)诹砍讨芯鶆虻剡x擇了5個(gè)點(diǎn),做了1065的溫度漂移測試(限于當(dāng)時(shí)的測試條件),發(fā)現(xiàn)最大溫漂僅為0.2(即±3.5ppm/,現(xiàn)場使用情況表明該電路可以在-1865的使用溫度范圍內(nèi)保證良好的精度),可見電路具有相當(dāng)高的線性度和溫度穩(wěn)定性,很適合于對(duì)溫度測量要求精密的場合。該電路曾在國家“八五”科技攻關(guān)課題“大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械熱力參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的研(上接第10頁)傳感器之間的距離為1200mm。用黑色遮光板模擬被測帶材來遮擋光線,并將其沿?zé)艄茌S線方向移動(dòng),記錄下每間隔1mm

8、時(shí)傳感器的輸出電壓值。隨著遮光板與傳感器之間距離的不同,傳感器的靈敏度與線性范圍也不同。現(xiàn)分別使遮光板距傳感器為1200mm和5mm進(jìn)行試驗(yàn),其試驗(yàn)曲線如圖3和圖4所示。究與設(shè)計(jì)”中分專題“6通道溫度、壓力、功率、液位監(jiān)測儀”的設(shè)計(jì)中采納,通過了部級(jí)鑒定,并在多臺(tái)200MW、300MW的汽輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測中獲得應(yīng)用。兩年來現(xiàn)場運(yùn)行情況良好,深得用戶好評(píng),目前正在進(jìn)一步推廣中。參考文獻(xiàn)1Burr-BrownCo.Burr-BrownICDataBook(LinearProducts).1995.(收稿日期:1998年1月8日)試驗(yàn)表明,當(dāng)遮光板距傳感器1200mm時(shí),傳感器在線性度為1%時(shí)的線性范圍為550mm,靈敏度為11mV/mm。當(dāng)遮光板距傳感器5mm時(shí),傳感器在線性度為1%時(shí)的線性范圍為60mm,靈敏度為117mV/mm。多次測量的重復(fù)精度為±0.16。五、結(jié)束語該傳感器于1992年9月在武漢鋼鐵公司冷軋廠正式投入使用,負(fù)責(zé)對(duì)酸洗線上運(yùn)動(dòng)帶鋼邊界位置的檢測。多年的實(shí)用證明,傳感器運(yùn)行穩(wěn)定可靠,抗環(huán)境干擾