1.2 光電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光電控制系統(tǒng)是集測控對(duì)象、光電傳感器檢測、數(shù)字控制器、通信系統(tǒng)和控制執(zhí)行（驅(qū)動(dòng)）機(jī)構(gòu)于一體的綜合測控系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

光電開關(guān)是一種位置檢測裝置，通常分為發(fā)射器和接收器兩部分。工作狀態(tài)下，發(fā)射器發(fā)出調(diào)制光，受到待檢測物體的反射或阻斷時(shí)，會(huì)造成接收器入射光強(qiáng)度的變化，從而引起輸出電流的變化，經(jīng)信號(hào)處理改變輸出開關(guān)狀態(tài)即可達(dá)到檢測目的。光電開關(guān)屬于無接觸式位置傳感器，其輸入與輸出之間沒有電磁聯(lián)系。相對(duì)于接觸式測量，光電開關(guān)壽命長，抗電磁干擾能力強(qiáng)。按封裝方式，光電開關(guān)可分為自包含式、光纖式、遠(yuǎn)距式；按掃描方式，光電開關(guān)可分為對(duì)射式、漫反射式、鏡反射式、槽式、光纖式和遠(yuǎn)距式。光電開關(guān)早期主要在工業(yè)自動(dòng)化中用于檢測物體是否存在，近年來應(yīng)用范圍擴(kuò)大到物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出、安全防護(hù)、安全警戒、遠(yuǎn)程供電、信息傳遞等。先進(jìn)制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)光電開關(guān)的性能提出了新的要求，主要是檢測距離遠(yuǎn)，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)，開關(guān)速度快，安裝維護(hù)方便等。傳統(tǒng)的光電開關(guān)需要改進(jìn)以適應(yīng)新需求，遠(yuǎn)程控制技術(shù)的引進(jìn)是重要研究方向。

（1）光源

光電開關(guān)最早使用白熾燈作為光源，后采用紅外LED。LED為非相干性光源，照射到10～20m處時(shí)，光斑直徑大到20cm以上，能量已經(jīng)非常分散，故現(xiàn)在傾向于采用激光作為光源。激光是強(qiáng)相干性光源，能量集中，投射到500m外，光斑直徑仍然只有100mm。使用激光做光源的光電開關(guān)除具有一般光電開關(guān)的功能外，還有以下特點(diǎn)。

① 檢測距離可達(dá)數(shù)千米。

② 可實(shí)現(xiàn)高精度定位控制和高速運(yùn)動(dòng)微小目標(biāo)的檢測。

③ 適應(yīng)不同要求，有多種波長的激光光源可供使用。

目前的激光二極管體積、閾值電流、工作電流越來越小，已進(jìn)入實(shí)用階段，國外的Sick， Banner，Siemens等公司已有成熟的系列產(chǎn)品。例如，Siemens的L18系列使用二級(jí)激光，最大輻射能量為0.1mW，可以檢測80cm距離直徑0.33mm的物體，或是直徑小于0.1mm的軟線。

（2）集成度

目前，光電開關(guān)傾向于采用專用集成電路（ASIC）以提高集成度。采用ASIC的光電開關(guān)反應(yīng)速度快，可達(dá)10kHz，抗沖擊、震動(dòng)能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足小型化、低成本以及規(guī)模化生產(chǎn)等要求。但光電開關(guān)的維護(hù)、參數(shù)設(shè)置仍然需要手動(dòng)進(jìn)行，一旦更換，還要重新手動(dòng)設(shè)置、校準(zhǔn)。因而光電開關(guān)通常安裝在易于操作的位置，但卻不是最佳位置，且安裝空間不能太小，這就制約了機(jī)器結(jié)構(gòu)、外形、體積的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)場總線（Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，代表了工業(yè)控制中信息傳遞和交換的趨勢(shì)。現(xiàn)場總線的發(fā)展要求光電開關(guān)能夠遠(yuǎn)程非手動(dòng)控制，傳統(tǒng)光電開關(guān)無法滿足這一要求。傳統(tǒng)光電開關(guān)不能直接應(yīng)用于現(xiàn)場總線，必須通過AS-I等接口或是I/O模塊等接入現(xiàn)場總線。控制系統(tǒng)只能單純地了解光電開關(guān)的狀態(tài)信息，不能對(duì)光電開關(guān)進(jìn)行參數(shù)配置、故障診斷等。如果光電開關(guān)改進(jìn)成全電子器件，就可通過一個(gè)HUB直接應(yīng)用于現(xiàn)場總線（如圖1-2所示），與控制系統(tǒng)雙向通信，并通過遠(yuǎn)程控制室觀察或聯(lián)系，可以操作、交換數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)等，從而使光電開關(guān)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)更易于進(jìn)行。這種新型光電開關(guān)就是信息型光電開關(guān)。

信息型光電開關(guān)通過傳感器 HUB 直接與現(xiàn)場總線相連，如同一個(gè)有確切地址的現(xiàn)場總線底層器件，可在控制室或機(jī)器控制板上觀察其運(yùn)行情況，同它通信并進(jìn)行操作。參數(shù)被復(fù)制并存儲(chǔ)在機(jī)器控制系統(tǒng)中，需要時(shí)可通過傳感器HUB調(diào)出。主站可診斷光電開關(guān)工作是否正常，可對(duì)光電開關(guān)遠(yuǎn)程診斷、調(diào)試、設(shè)置及交換數(shù)據(jù)，無須手動(dòng)進(jìn)行。如果更換光電開關(guān)，只需直接從控制器下載存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，新的光電開關(guān)即可使用。

信息型光電開關(guān)應(yīng)為全電子器件，這樣才既可手工操作，又可在線設(shè)定。傳統(tǒng)光電開關(guān)的一些需機(jī)械調(diào)節(jié)的功能（如校準(zhǔn)、調(diào)試、參數(shù)設(shè)置等），必須可電子調(diào)節(jié)。這里用參數(shù)設(shè)置中的背景遮蔽為例進(jìn)行說明。為了克服環(huán)境光的干擾，光電開關(guān)采用調(diào)制技術(shù)，對(duì)發(fā)光管通以一定頻率的調(diào)制脈沖電流，使發(fā)光管發(fā)出調(diào)制光，以增加有效作用距離并提高抗干擾能力。但光電開關(guān)自身發(fā)出的或鄰近光電開關(guān)發(fā)出的調(diào)制光，經(jīng)反射后可能為光電開關(guān)接收，這會(huì)引起誤動(dòng)作。要解決這一問題，可為光電開關(guān)設(shè)定掃描距離，掃描距離之外的反射光無效，這就是背景遮蔽。以漫反射型光電開關(guān)為例，圖1-3所示為機(jī)械式設(shè)置掃描距離的工作原理示意圖，采用一個(gè)位置可調(diào)節(jié)的透鏡和兩個(gè)接收器來調(diào)節(jié)背景遮蔽的距離。L 為設(shè)定的掃描距離。光電開關(guān)的發(fā)射器射出一束光，被物體A和背景B所反射。借助接收透鏡，接收器R2接收物體反射的光，而 R1接收背景所反射的光，分別產(chǎn)生不同的電流 I1和 I2。當(dāng) I1＜I2時(shí)，即檢測物體在掃描距離之內(nèi)時(shí)，光電開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)設(shè)定不同的背景遮蔽距離時(shí)，需要調(diào)節(jié)透鏡位置以接收不同位置的光，這需要手工調(diào)節(jié)。

電動(dòng)調(diào)節(jié)采用位置傳感監(jiān)測器（Position Sensitive Device，PSD）代替接收器的光敏三極管。當(dāng)有光射入時(shí)，位置傳感監(jiān)測器（PSD）兩端會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電流I1和I2，入射光在PSD上的位置與這兩個(gè)電流有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。位置傳感監(jiān)測器PSD工作原理如圖1-4所示。入射光距離可以利用三角測量的原理來判斷。距離S=Zf/（XB-L/2）。其中，f為透鏡的焦距，Z為兩個(gè)透鏡的中心距，L 為受光元件長度。原有的用以手動(dòng)調(diào)節(jié)遮蔽距離的機(jī)械式電位計(jì)換成相同量程的數(shù)字電位計(jì)，通過控制器改變其阻值，即可實(shí)現(xiàn)背景遮蔽距離的在線設(shè)定。前景遮蔽也可以類似處理。