表面粗糙度对红外漫反射光电传感器的影响

张五杰 史润军 王汝佳 王晓生

（河南平芝高压开关有限公司，河南 平顶山 467001）

0 引言

红外漫反射光电开关采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换元件，是一种将光信号转换为电信号的无损检测光电传感器，广泛应用于现代轻工、机械、交通、电力等领域的安全生产、自动控制中。将红外漫反射光电开关应用于高压开关行业中的智能高压气吹设备中，并对气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）母线壳体进行清洗，用来消除可见水作业时设备工作状态受壳体内壁表面处理情况的影响，即内壁涂漆时，设备收到传感器的反馈信号并做出响应动作；内壁为裸露金属面时，传感器无反馈信号，设备不动作。

通过查阅产品说明书、科技文献等相关资料后发现，红外漫反射光电传感器在实际工作中受较多因素的影响，且这些因素的变化呈现出一定的规律，如物体距离越近，颜色越亮，尺寸越大，传感器接收到的信号就越强，检测距离就越远；粗糙表面相对光源有一定的倾斜角度时，传感器也能收到反射信号。但这些规律的描述较为简单，尤其是表面粗糙度、光源和表面倾角因素的影响规律，更是缺少数据支撑，无法有效指导传感器在不同工况中的实际应用。因此，本研究对表面粗糙度、传感器光源与表面夹角、传感器功率等因素对传感器实际检测距离的影响规律进行研究，从而为红外线的工程化应用提供一些参考，对提高高压电器制造自动化水平具有积极意义。

1 红外漫反射光电传感器特性

漫反射光电传感器又称漫反射式光电开关，属接近开关的一种，是由红外发射管和红外接收管组合而成的红外感应光电开关，通过发射管发射出的红外光，经物体反射后，一部分返回到接收端，接收管接收到红外信号即可进行检测，通过信号的变化来控制电路。

红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波，频率为0.3～400 THz，对应真空中波长为750 nm～1 mm辐射的总称。光电传感器中通过红外发光二极管发出红外线，管压降约1.4 V，工作电流一般小于20 mA，功率分为小功率（1～10 mW）、中功率（20～50 mW）和大功率（50～100 mW）三类。通过在驱动管上加上一定频率的脉冲电压使红外发光二极管产生调制光。红外二极管的发光能力有限，发出的红外光有效距离较短，故使用时应再加上透镜，以提高聚光能力。

光电开关有继电器输出、NPN输出和PNP输出三种类型，NPN型和PNP型输出状态其实就是利用三极管的饱和和截止，输出截然相反的高电平和低电平两种信号，NPN输出的是低电平0，PNP输出的是高电平1。NPN型三极管是由2块N型半导体中间夹着1块P型半导体，一般有3条引出线，即电源线VCC、0 V线、OUT信号输出线。NPN是指当有信号触发时，信号输出线OUT和0 V线连接，相当于输出低电平0 V。对NPN−NO型，在没有信号触发时，输出线是悬空的，即0 V线和OUT线是断开的。在有信号触发时，发出与0 V相同的电压，也就是OUT线和0 V线连接，输出低电平0 V。对于NPN−NC型，在没有信号触发时，发出与0 V线相同的电压，也就是OUT线和0 V线连接，输出低电平0 V。当有信号触发后，输出线悬空，即0 V线和OUT线断开［1］。

2 粗糙度与光的散射特性

在对机械零件切削的过程中，刀具或砂轮遗留的刀痕、切屑分离时的塑性变形和机床振动等会使零件的表面形成微小的峰谷。这些微小峰谷的高低程度和间距状况被称作表面粗糙度，也称为微观不平整度，其是一种微观几何形状误差［2］。GIL母线壳体为铝合金挤制管，壳体内表面要求打磨抛光至粗糙度Ra6.3，因要修复凸起、毛刺等问题，会出现局部粗糙度不同的情况。壳体内表面涂漆后，较金属面更光滑。

根据测量表面粗糙度的光散射理论，当一束入射光照射到被测制件表面时，将会产生镜反射和漫反射。假设忽略被测件材料的光吸收，以及制件表面的高度变化符合高斯分布规律，则入射光束的光强Ir等于镜反射光强If与漫反射光强Im之和，即Ir=If+Im。不论是反射光强If，还是漫反射光强Im，二者都与入射光强Ir和粗糙度均方根偏差R有关［3］。粗糙度的高度只影响光在空间的散布范围（高度小，光的散布范围大），不影响相邻散斑间的距离；粗糙度的间距不同时，除影响光的散布范围外，还会影响相邻散斑间的距离（间距小，散斑间的距离大）。对很光滑的表面而言，大部分入射光会反射至镜方向。当表面粗糙度增加时，镜方向光强减少，同时光的衍射增加，并且变得更散射［4］。

3 试验

3.1 试验装置

3.1.1 样板。由于材料的反射率不同，在测量具有相同粗糙度不同材料的制件表面时，光电传感器输出的信号不同。由于加工方法的不同，在测量具有同样粗糙度不同表面形貌的制件表面时，光电传感器输出的信号不同。本研究以5块5 052铝合金板作为检测样板，板长300 mm、宽200 mm、厚5 mm，分别采用精磨、精铣、粗铣、喷砂、铸造等工艺将样板检测面加工成5个不同粗糙度的平面，详见表1。

表1 样板检测面制造工艺及粗糙度

样板检测面外观如图1所示。使用粗糙度仪和粗糙度样块对样板表面进行粗糙度检测和比对（见图2、图3），检测结果显示，样板待检测平面粗糙度符合设计要求。

3.1.2 传感器。使用5种功率规格的漫反射光电传感器作为红外光源。具体型号及参数见表2。传感器如图4所示，试验装置如图5所示。

表2 传感器型号及参数

3.2 试验方法

3.2.1 测量实际最大检测距离。将漫反射光电传感器与检测样板垂直放置，距离为传感器的标称检测距离。当观察到传感器上的开关信号指示灯为亮起状态时，沿垂线方向缓慢移动传感器，当指示灯灭时标记传感器的位置，测量并记录标记点到样板的距离，即为该型号传感器检测到的相应粗糙度表面的实际最大检测距离，如图6所示。更换不同粗糙度值的样板，重复上述步骤，记录该型号传感器检测不同粗糙度表面的实际最大检测距离。

3.2.2 测量实际最大倾斜角。将漫反射光电传感器与检测样板垂直放置，距离为传感器标称距离的1/2，传感器处于有效工作范围内。将样板底部划线标记为起始位置，当观察到传感器的开关信号指示灯为亮起状态时，绕传感器方向垂线与样板交点缓慢转动，如图7（a）所示。当指示灯熄灭时标记样板位置，测量起始位置与标记位置的角度，即为该型号传感器检测相应粗糙度表面的实际最大倾斜角度，如图7（b）所示。更换不同粗糙度值的样板，重复上述步骤，记录该型号传感器检测不同粗糙度表面的实际最大倾斜角度。

4 结果与分析

4.1 表面粗糙度的影响

使用5种规格型号的漫反射光电传感器检测垂直方向的5个不同粗糙度的样板平面的实际最大检测距离，结果如表3所示。

表3 传感器垂直方向检测不同粗糙度样板距离结果 单位：cm

根据表3的结果绘制出曲线图，如图8所示。

由图8可知，随着表面粗糙度的增大，传感器的实际最大检测距离却在逐渐减小，且减小的幅度在逐渐降低。当粗糙度Ra<20时，粗糙度对实际检测距离的影响较大，即当物体表面粗糙度发生变化时，传感器的实际有效检测距离也会发生较大变化；当粗糙度Ra>20时，粗糙度对实际检测距离的影响较小，即物体表面粗糙度发生变化时，传感器的实际有效检测距离基本无变化；当粗糙度Ra=20时，不同型号传感器的实际最大检测距离约为其标称距离。

当粗糙度Ra=125时，实际最大检测距离与标称检测距离的比值详见表4。为保障信号稳定传输，传感器与被检测物体间距离应小于传感器标称距离的70%。

表4 传感器最大检测距离与标称距离比值

随着粗糙度的增大，光的散射特性也会随之发生变化，镜反射减少，漫反射增多，传感器的受光部接收到的反射光减少，实际检测距离也随之减小。当粗糙度Ra<20时，物体表面微观不平整度的变化对光的散射特性变化影响较大，导致实际检测距离变化大；当粗糙度Ra>20时，物体表面微观不平整度的变化对光的散射特性变化影响不明显，实际检测距离的变化趋向平缓。

4.2 光源与物体表面夹角的影响

本研究采用5种型号的漫反射光电传感器来检测5个不同粗糙度平面，最大旋转角度为α，则传感器入射光线与样板表面夹角为（90°−α），该夹角为传感器能收到反射信号时与物体表面的最小夹角。试验记录结果详见表5。

根据表5中的数据绘制曲线图，如图9所示。

表5 传感器光源方向与物体表面最小夹角测量结果 单位：°

由图9可知，随着样板表面粗糙度的增大，传感器能收到反射信号时与物体表面的最小夹角有着先减小后增大的趋势，当粗糙度Ra=12.5时，该夹角最小。根据对粗糙目标表面红外偏振特性的研究结果表明，红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加，而后在达到特定入射角时达到峰值，超过一定入射角后，红外辐射偏振度会大幅度下降，金属和非金属的红外辐射偏振度的差异在一定入射角度范围内将达到最大［5］。

根据表5可得，最小夹角的平均值为（30°+26°+13°+31°+42°）/5=28.4°，即在实际应用中，为保障信号能稳定传输，传感器与物体表面的夹角应大于30°。当粗糙度Ra=25时，不同传感器测得的最小夹角值大致相等，即不同型号传感器在Ra=25两侧的角度曲线变化趋势是相同的，但大小顺序不同；当粗糙度Ra<25时，光的散射特性变化对物体表面微观不平整度的变化较为敏感，导致实际可检测角度变化大；当粗糙度Ra>25时，光的散射特性变化不明显。

4.3 传感器功率的影响

由图8可知，传感器的功率越大，实际检测距离越远。且使用GP18−150DN1及以上型号传感器检测到的距离随粗糙度的变化趋于一致。计算粗糙度Ra<20时的曲线斜率k（见表6）。

根据表6中的数据绘制出曲线图，见图10。

由图10可知，随着传感器的功率增大，曲线斜率也逐渐增大，即检测距离受物体表面粗糙度的影响也越大。

通过对图9进行分析可以发现，5种传感器测量的角度值分布较集中，离散度小，变化趋势一致。以传感器型号为横坐标来绘制不同粗糙度时传感器入射光线与样板表面夹角的变化曲线，如图11所示。曲线大致呈平行直线分布，即对同一粗糙度表面，不同型号的传感器与检测物体表面的最小夹角值大致相等，传感器功率对最小夹角变化影响较小；对不同型号的传感器，表面粗糙度变化时，最小夹角值的变化幅度大致相等。

5 结论

通过分析，可得到以下结论。

①随着表面粗糙度的增大，传感器的实际最大检测距离在逐渐减小，当粗糙度Ra<20时减小幅度大，当粗糙度Ra>20时减小幅度小，当粗糙度Ra=20时，传感器实际最大检测距离与其标称距离大致相等。为保障传感器能稳定工作，与被检测物体的距离应小于标称距离的70%。

②传感器与被检测物体表面的夹角随表面粗糙度的增大呈先减小后增大的趋势，当Ra=12.5时，夹角达到最小。为保证传感器能稳定工作，光源方向与被检测物体表面的夹角应大于30°。当粗糙度Ra=25时，不同传感器测得的最小夹角值大致相等。当粗糙度Ra<25时，物体表面微观不平整度的变化对光的散射特性变化影响较大，导致最小夹角变化大。当粗糙度Ra>25时，最小夹角变化不明显。

③传感器功率越大，实际检测距离受物体表面粗糙度的影响也越大，可检测最小夹角受影响较小。

综上所述，本研究的研究结果为红外漫反射光电开关的应用与高压电器的自动化制造积累了一定的实践经验，同时也对红外线在粗糙度检测方面的应用进行积极探索和实践，具有重要的意义。