光電傳感器的電磁兼容設計

引　言

廣泛應用于工業自動化領域的光電傳感器,一般是開關型的,被稱為光電開關。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、計算機等弱電設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。電磁兼容設計的目的,一是使傳感器本身在電磁環境中能正常工作,避免出現誤動作,二是避免傳感器成為電磁干擾源。

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。環境光、背景光和周圍其它光電傳感器發出的光是光干擾源。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 是一種受光器結構圖。

投光器外殼結構設計得當,可使發出的光成為規則光束,而非散射狀,使用時又安裝得當,則投光器難成為光干擾源。傳感器設計時,采用偏振光及高頻調制的脈沖光,采用同步檢波方式,都有利于抑制光干擾。

電路板電磁兼容

光電傳感器通過高頻調制產生高頻電信號。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高頻線的長度。印制板跡線設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。跡線如構成如圖2 所示的大小相等、方向相反的電流環路,則會向空間輻射磁場,也會接受空間的磁場。

圖中i 為環路電流。設環路面積為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

此時為差模輻射。可通過減小環路面積S 和環路電流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

式中l為短單極天線長度, 共模電壓轉換成了差模電流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、電源線應盡可能平行地靠近地線。傳感器應選用低功耗器件,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 %。低功耗器件發熱小,這有利于傳感器設計得更緊密,有利于傳感器穩定工作。

輸出電路電磁兼容

輸出電路是傳感器的末級電路,一般是無觸點開關電路。常用輸出元件有三極管和晶閘管。三極管狀態改變時,引起電磁輻射。在三極管集電極與發射極之間并接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計的另一種方法是屏蔽。圖4 中,晶閘管被屏蔽,LC 濾波網絡用來抑制晶閘管動作時產生的浪涌。濾波網絡與屏蔽罩均接地。

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抗干擾編碼

現在,通信、接口、總線技術的發展也促使二進制傳感器的智能化。AS-Interface 是一個執行器-傳感器- 接口總線系統。AS-Interface 總線系統最多可安裝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。

電磁兼容試驗

電磁兼容設計靠電磁兼容試驗來驗證與改進。現在,有了比較完善的電磁兼容試驗方法和專門的試驗設備。開關電器動作時,形成強烈的干擾,產生瞬態脈沖。IEC61000-4-4 標準對電快速瞬變脈沖干擾作出規定,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 規定的雷電模擬脈沖的寬度也要小于15 ms。光電傳感器內部采用小電容對瞬變脈沖濾波比較適應。傳感器若受主機控制,則可在軟件中采用數字濾波、延時指令來抑制瞬變干擾。光電傳感器輻射敏感度試驗結果如表1 所示。

結束語

采用以上設計后, 光電傳感器既沒有干擾80C51 單片機實驗系統, 也沒有干擾F-40M 型PLC。它在斷路器嚴酷環境中能穩定地工作。經過電磁兼容設計,光電傳感器可靠性及質量顯著提高。