光電傳感器的電磁兼容設(shè)計(jì)

引　言

廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的光電傳感器,一般是開(kāi)關(guān)型的,被稱為光電開(kāi)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(cè)傳感器。它容易受到強(qiáng)電設(shè)備的電磁干擾。它工作時(shí),引起電磁輻射,形成電磁干擾。當(dāng)動(dòng)作頻率較高、多個(gè)傳感器相距較近時(shí),儀器儀表、總線系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾,傳感器本身也會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾,此時(shí)電磁兼容問(wèn)題顯得更突出。電磁兼容設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)行無(wú)接觸檢測(cè)。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(dòng)作的主要因素之一。環(huán)境光、背景光和周?chē)渌怆妭鞲衅靼l(fā)出的光是光干擾源。以紅外線為媒介進(jìn)行檢測(cè)則可減小可見(jiàn)光的影響,紅外光也不影響可見(jiàn)光。紅外線光電傳感器可用濾光鏡濾去可見(jiàn)光。對(duì)于周?chē)h(huán)境其它光電傳感器的光干擾, 可用外殼、套筒、夾縫來(lái)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(jì)得當(dāng),可使發(fā)出的光成為規(guī)則光束,而非散射狀,使用時(shí)又安裝得當(dāng),則投光器難成為光干擾源。傳感器設(shè)計(jì)時(shí),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。

電路板電磁兼容

光電傳感器通過(guò)高頻調(diào)制產(chǎn)生高頻電信號(hào)。在高頻下,一根導(dǎo)線等效為一個(gè)電感。因此,須盡可能縮短傳感器內(nèi)高頻線的長(zhǎng)度。印制板跡線設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)。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(huì)向空間輻射磁場(chǎng),也會(huì)接受空間的磁場(chǎng)。

圖中i 為環(huán)路電流。設(shè)環(huán)路面積為S ,電信號(hào)頻率為f ,測(cè)量天線到輻射平面的距離為d ,測(cè)量天線與印制板平面的夾角為θ,則測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度為

此時(shí)為差模輻射。可通過(guò)減小環(huán)路面積S 和環(huán)路電流i 來(lái)減小差模輻射。共模輻射可用對(duì)地電壓激勵(lì)的、長(zhǎng)度小于1/ 4 波長(zhǎng)的短單極天線來(lái)模擬。共模輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為

式中l(wèi)為短單極天線長(zhǎng)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(lái)說(shuō),印制板跡線長(zhǎng)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(hào)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(qiáng),CMOS 邏輯電路抗擾度高達(dá)20 %。低功耗器件發(fā)熱小,這有利于傳感器設(shè)計(jì)得更緊密,有利于傳感器穩(wěn)定工作。

輸出電路電磁兼容

輸出電路是傳感器的末級(jí)電路,一般是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)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(shí),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(lái)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(jì)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(lái)抑制晶閘管動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的浪涌。濾波網(wǎng)絡(luò)與屏蔽罩均接地。

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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(jìn)制傳感器的智能化。AS-Interface 是一個(gè)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(gè)二進(jìn)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(gè)傳感器相互干擾的問(wèn)題比較嚴(yán)重。這可在傳感器通信時(shí),在信息中加入監(jiān)督碼元（冗余碼） 進(jìn)行抗干擾。如用00000 、11111 代替0 、1 。當(dāng)收到10111 ,那可認(rèn)為錯(cuò)了一位,并自動(dòng)糾正第二位。

電磁兼容試驗(yàn)

電磁兼容設(shè)計(jì)靠電磁兼容試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證與改進(jìn)?，F(xiàn)在,有了比較完善的電磁兼容試驗(yàn)方法和專門(mén)的試驗(yàn)設(shè)備。開(kāi)關(guān)電器動(dòng)作時(shí),形成強(qiáng)烈的干擾,產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖。IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電快速瞬變脈沖干擾作出規(guī)定,分為單個(gè)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(gè)脈沖和一群脈沖中單個(gè)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(duì)瞬變脈沖濾波比較適應(yīng)。傳感器若受主機(jī)控制,則可在軟件中采用數(shù)字濾波、延時(shí)指令來(lái)抑制瞬變干擾。光電傳感器輻射敏感度試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

結(jié)束語(yǔ)

采用以上設(shè)計(jì)后, 光電傳感器既沒(méi)有干擾80C51 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 也沒(méi)有干擾F-40M 型PLC。它在斷路器嚴(yán)酷環(huán)境中能穩(wěn)定地工作。經(jīng)過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì),光電傳感器可靠性及質(zhì)量顯著提高。