宽光束光电传感器

1、第4期仪表技术与传感器9宽光束光电传感器徐振高杨曙年华中理工大学机械学院仪器系武汉市430074【摘要】本文介绍了一种宽光束光电传感器的测量原理。这种传感器由光学系统和信号处理电路所组成,可用来检测运动带材的边界位置。试验表明,该传感器具有很大的测量范围和较好的灵敏度。叙词:位置测量光电传感器光束APhotoelectricSensorwithWideLightBeamXuZhengaoYangShunianKeyWords:Position,Measurement,PhotoelectricSensor,LightBeam.一、引言在轧钢、造纸、纺织、印染及印刷等工业生产中,常常需要对带材的

2、边界或中心位置进行连续检测与控制,以保证卷带、裁边以及套印等工序的顺利进行。实现上述检测的方法很多,如各种机械式触点开关、光电开关、位移传感器以及电荷耦合器件(CCD)等。从使用情况看,机械式触点开关和大多数位移传感器均属接触式测量。当被测对象高速运动时,其响应速度慢,易损伤被测件。目前已商品化的各种光电开关虽然能实现非接触测量,但其测量范围小,对光源的质量要求高,给现场的使用和维护带来了诸多不便。因此,目前国内外对带材边种传感器的测量精度高(可达微米级),测量范围大,且有较高的响应速度。但其价格较一般传感器要高得多,当被测对象无自发光时,也需附加较高质量的光源。为适应高速运动带材边界或中心位

3、置的连续检测,降低设备成本,我们研制了一种宽光束光电传感器。二、传感器的工作原理宽光束光电传感器的工作原理如图1所示。由普通日光灯光源1发出的光线,一部分通过物镜2聚集在光电池3上,形成光电流i 1,以此作为参考信号。另一部分光线 2经柱面镜11,聚集在光电池10上,形成光电流i 2,以此作为测量信号。将带材12的边界置于测,10仪表技术与传感器1998年必将引起i 2大小的变化。由此即可获得反映带材边界位置的测量信号。管老化以及环境污染等,均会使光源的亮度发生变化。因此,将V 1和V 2同时送入除法器作比值运算,以保证U=kV 2/V 1基本不变,从而获得仅反映带材边界位置的有用信号。当然,

4、光源亮度不允许无限减小,当其减至一定程度时,V 1经污染报警电路发出报警信号,要求进行污染清除或更换灯管。图1传感器的工作原理1.日光灯管2.物镜3、10.光电池4.参考信号变换电路5.污染报警电路6.反相器7.加法器8.除法器9.测量信号变换电路11.柱面镜12.带材三、传感器的电路设计传感器的电路如图2所示。由于测量信号与参考信号两变换电路基本相同,故省略了测量信号的变换电路。图中所有运算放大器均由±15V电源供电。A4为除法器(AD533),省略了其外接电路。i 1与i 2经过各自的信号变换电路,可将光电流变换并放大成电压信号V 1、在使V 2。用过程中,由于光源供电电压的变化

5、、灯图2传感器电路图利用光电池S1的短路电流i 1与光照近似成正比的关系,将其接入放大器A1的两输入端。根据两端电位差接近于零的特点,可得放大器的输出电压为V1=i 1(R1+R2)。调节R2可改变V1的大小。通过电容C1,V1中的直流分量被隔离,仅有随灯管亮度变化的交流分量V1被送后级电路处理。放大器A2与二极管D1、D2以及电阻R3、当R3=R4,且输R4构成一线性半波整流器。入电压为负极性时,其输出电压与输入电压大小相等,符号相反。放大器A3和电阻R7以及电容C2构成一积分电路。当R5=2R6,R7>R5时,A3的输出电压V 1与V1全波整流后的平均值成比例。换句话说,A2与A3所

6、构成的电路能对V1进行全波整流,取平均值以及将V 1与测量信号处理电路输出的V 2同时送入除法器A4作除法运算,可使光源供电电压变化、灯管老化以及环境污染等对输出电压U的影响减至最小。除法器的输出U与某一定值负电压U通过加法器A5求和,即可输出0-10V的检测信号。通过反相器调整U的A6,也可输出010V的检测信号。大小,可改变测量光为全暗时的输出电压。调节R10可改变测量光为全亮时的输出电压。另外,V 1还需与一恒定电压U进行比较,以控制继电器J1的开启,从而实现光源污染或灯管损坏时的报警。四、传感器的特性试验用40W普通日光灯管作光源,使光源与()34仪表技术与传感器1998年的上、下限标

7、定后测试了整机的线性度。结果表明,在整个量程范围中,整机的线性误差<0.2(相当于0.4,含A/D的误差);之后我们在量程中均匀地选择了5个点,做了1065的温度漂移测试(限于当时的测试条件),发现最大温漂仅为0.2(即±3.5ppm/,现场使用情况表明该电路可以在-1865的使用温度范围内保证良好的精度),可见电路具有相当高的线性度和温度稳定性,很适合于对温度测量要求精密的场合。该电路曾在国家“八五”科技攻关课题“大型旋转机械热力参数智能监测系统的研(上接第10页)传感器之间的距离为1200mm。用黑色遮光板模拟被测带材来遮挡光线,并将其沿灯管轴线方向移动,记录下每间隔1mm

8、时传感器的输出电压值。随着遮光板与传感器之间距离的不同,传感器的灵敏度与线性范围也不同。现分别使遮光板距传感器为1200mm和5mm进行试验,其试验曲线如图3和图4所示。究与设计”中分专题“6通道温度、压力、功率、液位监测仪”的设计中采纳,通过了部级鉴定,并在多台200MW、300MW的汽轮发电机组的状态监测中获得应用。两年来现场运行情况良好,深得用户好评,目前正在进一步推广中。参考文献1Burr-BrownCo.Burr-BrownICDataBook(LinearProducts).1995.(收稿日期:1998年1月8日)试验表明,当遮光板距传感器1200mm时,传感器在线性度为1%时的线性范围为550mm,灵敏度为11mV/mm。当遮光板距传感器5mm时,传感器在线性度为1%时的线性范围为60mm,灵敏度为117mV/mm。多次测量的重复精度为±0.16。五、结束语该传感器于1992年9月在武汉钢铁公司冷轧厂正式投入使用,负责对酸洗线上运动带钢边界位置的检测。多年的实用证明,传感器运行稳定可靠,抗环境干扰