浅析光电传感器在自动控制系统中的应用

余鹏

摘要：光电传感器在闭环自动控制系统中能有效的实现精准测速、精确位移定位、非接触式信号开关。因此，研究光电传感器在自动控制中的应用具有重要价值和意义。本文首先对光电传感器的原理及分类作统一概述，其次，依据光电传感器的研究现状，重点论述了光电传感器在自动控制中的应用。

关键词：光电传感器;自动控制;应用分析

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0001-02

0 引言

在自然和生产领域，传感器是智能自动控制系统获取信息的基本器件。光电传感器通过光电效应获取各类物理量，响应速度快，抗干扰能力强，在自动控制领域受到越来越多的关注。

1 光电传感器的基本介绍

1.1 光电传感器的基本工作原理

光电传感器一般由光发射器、受光元件和信号转换电路组成。传感器正常工作时，光发射器以某种方式发射承载信息的光信号，经光学通道滤光处理，受光元件将光信号转换成微弱的电信号，信号转换电路再根据需要对微弱电信号进行整形、放大，最终实现信息的传递、隔离和转换。光电传感器具有结构简单、响应迅速、抗干扰能力强、精确性高且性能可靠的特点。

1.2 光电传感器的分类及特点

根据光电传感器光信号处理方式，常见光电传感器分为对射型光电传感器、槽型（又称U型）光电传感器、漫反射型光电传感器、光纤式光电传感器等。

1.2.1 对射型光电传感器

对射型光电传感器一般由光发射器和光接收单元组成，使用时将发射器和接收单元分别安装在被检测物体通道两侧，待检物体遮挡光束时，光接收单元因检测不到光信号而输出相应控制电平。对射型光电传感器实现非接触式检测，常应用在门禁系统、原点定位、安防系统等场合。

1.2.2 槽型光电传感器

槽型光电传感器是把光发射器和光接收单元面对面的安装在U型槽两侧。传感器正常工作时，如光通道无物体遮挡，光接收单元受光而输出某种状态信号;如光通道被检测物体遮挡，光接收单元检测不到光束而输出相反状态信号。槽型光电传感器响应速度快，非接触且无机械运动的特性使其广泛应用在高速运动物体检测单元[1]。

1.2.3 漫反射型光电传感器

漫反射型光电传感器将光发射器、光接收单元及信号转换电路集于一体。传感器正常工作时，光发射器发射不可见光束，如前方有被检物体，光束因发生漫反射而被光接收单元捕捉，转换电路产生控制信号。根据漫反射原理，漫反射型光电传感器的灵敏度与工作环境的光源及被检物体的光反射能力有关，基于此特性，在漫反射型光电传感器系统的光发射端增设光信号频率调制电路，在接收端配对频率检波电路。调制解调电路有效抑制系统各环节产生的固有噪声，也避免工作环境光源造成的误触发，提高系统的灵敏度和稳定性。漫反射型光电传感器广泛应用于纸张检测自动控制领域。

1.3 光电传感器的使用注意事项

光电传感器发射的红外线是一种波长为760纳米到1毫米的电磁波，是太阳光谱中红光外侧不可见光的一种。设计自动控制系统时，应充分考虑红外光的光学特性，确保传感器工作环境光源的稳定，避免光电传感器暴露在强光环境或者光源多变的情况，必要时可为传感器设计遮光装置。应用系统需要安装多个光电传感器时，应避免不同光电传感器交叉干扰，必要时增设光信号频率调制电路和配对的检波解调电路。在控制系统运行过程中，因系统振动、环境粉尘增多、液体飞溅、腐蚀性气体侵袭等因素超出设计的正常范围，系统误差警示灯发出报警提示，技术员可通过预设的灵敏度细调电位器重新校正。

2 光电传感器在自动控制系统中的应用

光电传感器是自动化设备实现智能控制最基本的“触觉器官”。例如，自动化生产线物料传输时，安装在传送带两侧的非接触式光电传感器通过检测物料是否遮挡红外线而产生高低电平，微处理器根据接收到的逻辑电平进行产品计数或者物料分拣又或者操控机器手精准抓取物料;常见自动感应门两侧安装光电传感器，客人进入感应区因遮挡光电传感器的红外线而触发语音播报;自动化生产车间机械设备运行区安装安全光栅，人员或物料侵入安全光栅红外线光幕，红外线被遮挡而触发安全光栅输出安全控制信号，安全模块启动保护功能，设备紧急停机[2]。

2.1 光电传感器在纸张处理自动控制系统中的应用

打印机纸张检测单元是一种基于漫反射型光电传感器的自动控制模块，打印机有纸张，光电传感器发射的不可见红外线被反射到传感器的接收端，反之接收端检测不到反射光线，打印机微处理器单元根据纸张检测模块的两种状态信号予以打印或提示缺纸。漫反射型光电传感器还经常被用在喷墨打印机墨盒检测、激光打印机进出纸检测、造纸生产线纸张断裂自动检测、银行自动柜员机纸币运行通道数据采集[3]。

2.2 光电传感器在自动控制系统传动机构精确定位单元的应用

精准的自动闭环控制系统需要实时检测电机的转速、位移等数据，机电工程师通常选用旋转编码器作为闭环控制系统的反馈单元。旋转编码器主要由光栅码盘和光电传感器组成，是一种将驱动轴角速度转换成脉冲数字量的传感器。应用时，旋转编码器与电机同轴连接，旋转编码器内部的圆形光栅码盘等分设置若干开孔，码盘与电机同速旋转时，光电传感器发射的红外射线经码盘开孔断续投射到接收端，接收信号经检测转换电路输出反映电机转向、转速的脉冲数字量。旋转编码器根据光电传感器工作原理分為增量型旋转编码器和绝对型旋转编码器。增量型旋转编码器（如图1增量型旋转编码器结构图所示）输出脉冲相位差90°的A、B相信号，以判断电机旋转方向和角速度;电机每转一圈输出一个Z相脉冲信号，用于基准点定位。绝对型旋转编码器码盘设置N道光通道刻度线，每道刻度线设置唯一的n位二进制编码开孔，电机旋转的位置信息由码盘刻度线的n位二进制编码记录。与增量型旋转编码器相比，绝对型旋转编码器无需记忆、计算脉冲信号，无需寻找参考点，抗干扰能力强。旋转编码器与各种电机组合应用在电梯自动控制、车辆测速、自动化生产线、智能机械手、机器人、石油机械设备、洗衣机等自动控制领域。

3 结语

综上所述，光电传感器具有精度高、抗干扰能力强、检测对象广泛以及相应迅速等优势，在自动控制领域中占据极为重要的地位。在未来光电传感器的发展和应用中，应当充分发挥其精确度高的特点，进一步优化并完善其结构，致力于在不同领域实现全面应用。

参考文献

[1] 杜文锋.光电传感器在自动控制中的应用分析[J].中国设备工程，2017（18）：130-131.

[2] 余鹏.浅谈《单片机原理与应用》课程教学改革[J].信息化建设，2015（203）：25.

[3] 肖燕.光电传感器在纸币处理模块中的运用[J].信息记录材料，2017（18）：37-39.