基于脉冲占空比调节灵敏度的光电开关传感器*

2017-02-07蔡占秀刘洪英邱召运

传感技术学报 2017年1期

关键词：光电开关基频灵敏度

陈可,季超,蔡占秀,刘洪英,邱召运*

(1.潍坊医学院生物科学与技术学院,山东潍坊 261053;2.重庆大学生物工程学院,重庆 400030)

基于脉冲占空比调节灵敏度的光电开关传感器*

陈可1,季超1,蔡占秀1,刘洪英2,邱召运1*

(1.潍坊医学院生物科学与技术学院,山东潍坊 261053;2.重庆大学生物工程学院,重庆 400030)

调整光电开关传感器的检测距离可通过调节其灵敏度来实现。该研究讨论了脉冲占空比对红外光电开关传感器灵敏度的影响,提出了基于脉冲占空比调节红外光电开关传感器灵敏度的技术方法。以连续周期矩形脉冲信号为例进行了傅里叶级数展开,得到了直流电压分量和倍频信号电压幅值与占空比的正弦函数关系,并仿真分析了占空比与基频信号电压幅值的相关性,实验测量了占空比对传感器相对灵敏度影响的关系曲线。结果证明,在不改变矩形脉冲电压幅度和频率的情况下,通过调节占空比δ可以改变传感器的灵敏度。即当0<δ<50%时,灵敏度随δ增大而增大;当δ=50%时,灵敏度最大;当50%<δ<100%时,灵敏度随δ增大而减小。在红外光电开关传感器上应用该技术方法,实现了利用软件控制占空比来调节传感器的检测距离。

传感器;光电开关;占空比;灵敏度;调制光

光电传感器的种类繁多,在工业控制与测量、数码设备与可穿戴式设备以及生物医学信息检测等方面应用广泛。近年,光电传感器的性能不断提高,技术方法不断创新[1],向功能性、集成化和智能化方向发展。提高传感器的可靠性、分辨率、灵敏度等性能参数的研究和应用性研究颇多[2],而关于功能性和技术方法的研究多以专利形式呈现[3]。光电传感器的灵敏度是指输入光强度的变化量与输出变化量的比值,是表征传感器性能的一个重要指标。对红外光电开关传感器而言,相同的检测条件下,灵敏度越大,其检测距离越远[4],即调整光电开关传感器的检测距离可通过调节其灵敏度来实现。在调整光电传感器灵敏度的研究中,文献[3-4]提出了灵敏度自适应技术方法,可避免因空气环境和检测介质变化引起的干扰。文献[5]等提出动态阈值和双阈值灵敏度设定的技术方法,可用于检测气泡液面和凸凹面物体,这些研究都在不断提高红外光电传感器的性能。在某些应用场所,因受设备部件和护板的限制,或因接近物体的反射不同,需要根据现场应用情况调整光电开关传感器的灵敏度或检测距离,因此,这类光电开关传感器应具有灵敏度可调功能。

红外光电开关传感器主要由红外发射电路和红外接收电路构成,发射电路与接收电路通过红外光路构成以红外光场为媒介的无接触式检测系统,在物位检测和工控领域有着广泛应用。通常,红外发射电路通过红外发射二极管发射特定调制频率的红外调制脉冲光[6],接收电路的光敏元件检测红外调制脉冲光信号并转换为电脉冲信号,该信号经放大、解调,由决策电路判断是否有被检物体进入其有效检测范围,然后输出接近开关信号。一般地,驱动红外发射二极管电脉冲信号的占空比(δ)为某一常数,发射光的调制频率f等于接收电路的中心接收频率f0。目前,调节红外光电开关传感器灵敏度的方法主要有两种,其一,通过调节红外发射电路的工作电流改变发射光光强度来改变灵敏度;其二,通过调节接收电路的放大参数来改变灵敏度。这两种方法一般采用可调电位器来调节传感器的灵敏度,可调电位器有数字式和机械式,数字式电位器一般要设计控制电路配合使用[7],增大了系统设计难度并增加了硬件成本,而机械式电位器则存在机械磨损和易受环境污染的缺点,可靠性较差。

对于小功率的红外发射二极管,当驱动电流在一定范围内,发射红外光强随电流成正比变化,调节驱动红外发射二极管的工作电流可调节红外光电传感器的灵敏度。当红外发射二极管的工作电流较大时,其发光强度并非一直随工作电流线性增大[8],目前调节灵敏度的方法大多采用通过调节接收电路的增益来改变传感器灵敏度。集成化的红外接收模组IRM(Infrared Receiver Module)可以用于设计红外光电传感器的接收电路[9],IRM是由接收电路、放大电路和锁相环解调电路构成,其中心接收频率为38 kHz,锁相环具有选频、锁频功能[10],因此,IRM对脉冲信号的高次谐波具有滤波作用,亦即IRM只对与脉冲信号频率相同的基频信号敏感,这为仅通过调节基频信号电压的幅值来调节IRM的灵敏度提供了可能。但集成化IRM的电学参数是不可调整的,若想采用IRM设计红外光电传感器,且能调节IRM内部光电脉冲的基频信号幅值,达到调节光电传感器灵敏度的目的,只能采用改变发射红外调制光参数的方法来实现。基于上述原因,研究了脉冲占空比对电脉冲的基频信号幅值和对红外光电传感器灵敏度的影响,旨在为设计红外光电开关传感器探索调节灵敏度的新技术方法。

1 脉冲占空比调节灵敏度的原理

1.1 占空比与基频信号幅度的关系

通常,驱动红外发射二极管电脉冲信号为连续周期的矩形脉冲信号。设脉冲信号的高电平脉冲宽度为τ,脉冲周期为T,信号幅度为E。占空比是指周期脉冲信号中脉冲高电平持续时间与脉冲周期的比值,即:

δ=τ/T

(1)

对连续周期的矩形脉冲信号进行频域分析,脉冲周期信号可利用傅里叶级数表示为连续周期信号的各次谐波分量的叠加[11],周期脉冲信号u(t)的三角函数形式的傅里叶级数可表示为[12]:

(2)

(3)

(4)

设U0表示信号的直流分量幅值,则:

U0=Eδ

(5)

图1 基频幅值与占空比的关系曲线

式(4)是连续周期矩形脉冲信号的基频幅值与占空比的关系式,式(5)是矩形脉冲信号的直流分量与占空比的关系式。由式(4)可知,基频幅值U1随占空比δ呈正弦规律变化。图1是根据式(4)绘制的基频幅值与占空比的关系曲线,因δ的取值范围为0～100%,πδ的变化范围为0～π,故曲线只具有正弦曲线的正半周期,当δ=50%时,πδ=π/2,基频幅值最大。根据式(4)和图1,改变矩形脉冲信号的占空比,能够改变基频信号的电压幅值,利用矩形脉冲信号驱动红外发射二极管,产生的红外调制脉冲光中的基频幅值也将产生变化,这为仅通过改变矩形脉冲信号的占空比参数来调节发射红外脉冲光强度提供了理论依据。

1.2 红外发射驱动电路的仿真

图2为红外发射仿真电路,电路由信号发生器XFG1、电阻R1、红外发光二极管IRD和直流电压表XMM1组成。利用软件Multisim对驱动红外发射电路的连续周期矩形脉冲信号进行仿真并进行傅里叶分析,来确定占空比与基频信号幅值的关系。

图2 红外发射驱动仿真电路

图2中,XFG1输出38kHz的连续周期矩形脉冲信号,其占空比可在0～100%范围内进行调节,振幅VPP为12V,工作电流约为5mA,XMM1测量仿真电路中的直流电压分量值。改变周期脉冲信号的占空比,并进行傅里叶分析,记录不同占空比下基频信号幅值和直流分量的数值,仿真分析结果如表1所示。

表1中,δ为周期信号的占空比,U1为基频信号的幅度值,U0为直流分量的幅度值,表中列出了不同占空比对应的基频信号和直流分量的电压幅度值。

表1 不同占空比的基频幅值和直流分量

1.3 占空比与传感器灵敏度的关系

图3是根据表1的数据,利用Matlab软件绘出不同占空比下基频电压幅值和直流电压分量的关系曲线。图3中,横坐标为占空比δ,纵坐标为电压幅值,U1为周期信号基频分量幅值与占空比的关系曲线,U0为直流分量与占空比的关系曲线。

图3 占空比与幅度的仿真曲线

由曲线U1可知,连续周期矩形脉冲信号在幅值和频率固定时,其基频分量的幅值会随占空比的变化而变化。当占空比低于50%时,基频幅度会随着占空比的增加而增加,即脉冲信号的占空比在0<δ≤50%范围内逐渐增加时,基频信号电压引起红外发射二极管发射的信号光强度增大,传感器灵敏度将逐渐增大;占空比为50%时,基频电压幅度为最大值,驱动红外发射二极管的信号电压最大,其发射的信号光强度达到最大,传感器的灵敏度最高;当占空比大于50%时,基频幅度会随着占空比的增加而降低,传感器灵敏度逐渐降低。据此可通过调节脉冲信号的占空比,来改变传感器的灵敏度。

分析曲线U0可知,脉冲信号的直流电压分量随着占空比的增加而增大并且呈线性关系,因基频信号电压是叠加在直流分量上的信号电压,且随占空比的变化而变化,导致红外发射二极管的驱动电流发生变化,但其发光强度并非随驱动电流的增大一直呈线性增大,当驱动电流较大时,其发光效率相对于小电流时会降低,故占空比变化时,直流分量亦会对传感器的灵敏度产生影响。

2 新型反射式红外光电开关传感器设计

2.1 传感器电路原理

图4为反射式红外光电开关传感器原理图。红外光电传感器包括发射电路、接收电路、单片机、输出接口电路和设置电路。图4中,U1为单片机STC15F104E,是传感器的智能化控制核心,其内建有电擦写数据存储器、高精度R/C时钟、看门狗电路[13]。U1的连续脉冲产生程序控制P3.3输出频率为38 kHz的电脉冲信号,其占空比根据预先设定的灵敏度占空比参数确定,该电脉冲信号驱动红外发射二极管L1发射红外脉冲光,P3.2检测IRM38的输出信号,并将输出信号进行软件抗干扰处理,确定是否有接近物体存在,P3.1输出接近信号驱动T2,通过接口电路输出开关信号。同时,P3.0控制发光管L2输出接近状态指示信号,P3.4连接设置按键K1,用来进行“一键式”智能化灵敏度调节[14]。

图4 反射式红外光电开关传感器原理

灵敏度设置电路由按键K1构成,通过K1可向U1发送设置请求信号,U1接收到灵敏度调节请求信号后进入灵敏度调节程序,由U1的软件系统产生占空比较小的电脉冲信号并经T1驱动L1发射较小占空比红外脉冲光,经处于传感器前方某设定距离的被检物体反射后,由U2检测反射光强度并初步判断是否检测到被检物体,并将检测结果通过P3.2口送U1进行临界抖动的抗干扰确认,当确认未检测到被检物体时,U1软件系统将控制红外发射电路逐渐增大红外脉冲光的占空比,直到确认检测到被检物体,最后灵敏度调节程序将占空比参数存在U1的内部的电擦写数据存储器单元中,为下次上电时自动调用,从而实现了传感器的检测距离与灵敏度的调节。

2.2 占空比对灵敏度影响的实验

传感器的检测距离与灵敏度成正比,因此,实验中通过测量不同占空比下的最大检测距离来间接表示传感器灵敏度。设置驱动红外发射二极管脉冲电压幅值为5 V,频率为38 kHz,占空比δ在5%到95%范围内可调,测量不同占空比下的最大检测距离L。测量所得数据中,设灵敏度最大时的接收距离为Lm,则可用s=L/Lm比值表示相对灵敏度,测量的结果如表2所示。

表2中,δ为周期信号的占空比,L为不同占空比所对应的接收距离,s为相对灵敏度。对表2的数据,利用软件Matlab绘出不同占空比对应的相对灵敏度的曲线,如图5所示。

表 2 不同的占空比下的相对灵敏度

图5 占空比与相对灵敏度关系的实验曲线

由实验曲线可知,占空比0<δ<50%时,随着占空比的增大相对灵敏度不断增大,即传感器灵敏度随着占空比的增大而增大;占空比δ=50%时,相对灵敏度最大,即传感器灵敏度最大;当占空比50%<δ<100%时,随着占空比的增大相对灵敏度而逐渐减小,即传感器灵敏度随着占空比的增大而逐渐减小。实验结果显示,实验曲线与理论曲线和仿真曲线的变化规律和趋势一致。

2.3 实验结果讨论

仿真曲线在δ=50%处左右对称,但实验曲线并不对称。比较δ<50%与δ>50%的相对灵敏度可知,δ<50%时的灵敏度相对较大,说明尚有其他因素影响传感器的灵敏度。影响红外光电传感器灵敏度的因素很多,主要有红外发射二极管的发光强度、发射角、空气衰减以及被检测物体的物理性质等因素[1,15]。红外发射二极管的发光强度受发射角的影响,发射角越大发光强度越小;红外发射二极管的发光强度也受距离的影响,光线在空气中的随传输距离按指数规律衰减,距离越大光线衰减越多;对反射式光电传感器而言,被检物体对红外光线的反射、散射程度也会影响其灵敏度。当这些因素确定时,红外发射二极管驱动电流中的直流分量是影响实验结果、并使其与仿真结果存在差异的主要因素。根据式(5)和图3,直流分量与占空比成线性关系,随着占空比的增大直流分量逐渐增大,基频分量所占总电流比例相对减小,故占空比较大时灵敏度相对较小。分析实验结果可知,当周期脉冲信号幅值与频率确定时,基频信号和直流分量的幅值均与占空比相关,即占空比影响红外发射二极管的驱动电压和发射电流,对红外发射光的强度产生影响,从而影响传感器灵敏度。

3 结束语

根据理论推导、电路仿真及实验分析可知,在周期矩形脉冲信号幅度与频率一定时,改变占空比影响基频信号幅度,导致驱动发射红外光的脉冲信号的基频分量幅度值发生变化,引起发射电流变化,影响接收灵敏度。占空比低于50%时,随着占空比的增加,基频分量幅度逐渐增加,接收灵敏度逐渐增大;占空比等于50%时,基频分量幅度最大,接收灵敏度最高;占空比大于50%时,随着占空比的增加,基频分量幅度逐渐减小,接收灵敏度逐渐减小,据此可以通过改变占空比调节光电开关传感器灵敏度。

直流分量也受占空比的影响,直流分量与占空比成线性关系,直流分量的增加对信号电压的变化量不仅没有贡献,反而增大了红外发射二极管驱动电流,影响其信号电压的发光效率,从而降低了传感器灵敏度。实际应用中,为了减小直流分量的影响,占空比应选择在0<δ≤50%的范围内进行调节较合适。另外,研究占空比对脉冲信号的倍频谐波幅度的影响,对于分析高频干扰和进行电路设计也具有重要意义。

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A Photoelectric Switch Sensor with Sensitivity Adjustable Based on Pulse Duty Cycle*

CHENKe1,JIChao1,CAIZhanxiu1,LIUHongying2,QIUZhaoyun1*

(1.School of Bioscience and Technology,Weifang Medical University,Weifang Shandong 261053,China;2.College of Bioengineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

Adjust the detection distance of the photoelectric switch sensor can be realized by adjusting the sensitivity of the devices. In this study,the effect of pulse duty ratio on the sensitivity of the infrared photoelectric switch sensor was discussed,and a new technique about the sensitivity of infrared photoelectric switch sensor based on pulse duty cycle was proposed. Here,as a continuous cycle rectangular pulse signal,based on the Fourier series expansion,the function of relation on the DC voltage component and harmonic signal voltage amplitude with duty ratio was given. Meanwhile,the effect between duty cycle and the signal amplitude of fundamental frequency was analyzed with the aid of theory simulation,and then the curves of duty cycle on relative sensitivity of sensor were obtained in our experiments. The results showed that the sensitivity of the sensor could be changed by adjusting the duty cycle(δ),without changing the voltage amplitude and frequency of the rectangular pulse. Moreover,it infers that the sensitivity increases with increase ofδin the case of 0<δ<50%;in contrast,its sensitivity decreases withδincreasein the case of 50%<δ<100%. Further,the maximum sensitivity can be presented asδ=50%. The technique presented by our study will be applied to the infrared photoelectric sensor,and the detection range of the control system can be realized in future.

sensor;photoelectric switch;duty cycle;sensitivity;modulated light