1、第4期儀表技術與傳感器9寬光束光電傳感器徐振高楊曙年華中理工大學機械學院儀器系武漢市430074【摘要】本文介紹了一種寬光束光電傳感器的測量原理。這種傳感器由光學系統和信號處理電路所組成,可用來檢測運動帶材的邊界位置。試驗表明,該傳感器具有很大的測量范圍和較好的靈敏度。敘詞:位置測量光電傳感器光束APhotoelectricSensorwithWideLightBeamXuZhengaoYangShunianKeyWords:Position,Measurement,PhotoelectricSensor,LightBeam.一、引言在軋鋼、造紙、紡織、印染及印刷等工業生產中,常常需要對帶材的

2、邊界或中心位置進行連續檢測與控制,以保證卷帶、裁邊以及套印等工序的順利進行。實現上述檢測的方法很多,如各種機械式觸點開關、光電開關、位移傳感器以及電荷耦合器件(CCD)等。從使用情況看,機械式觸點開關和大多數位移傳感器均屬接觸式測量。當被測對象高速運動時,其響應速度慢,易損傷被測件。目前已商品化的各種光電開關雖然能實現非接觸測量,但其測量范圍小,對光源的質量要求高,給現場的使用和維護帶來了諸多不便。因此,目前國內外對帶材邊種傳感器的測量精度高(可達微米級),測量范圍大,且有較高的響應速度。但其價格較一般傳感器要高得多,當被測對象無自發光時,也需附加較高質量的光源。為適應高速運動帶材邊界或中心位

3、置的連續檢測,降低設備成本,我們研制了一種寬光束光電傳感器。二、傳感器的工作原理寬光束光電傳感器的工作原理如圖1所示。由普通日光燈光源1發出的光線,一部分通過物鏡2聚集在光電池3上,形成光電流i 1,以此作為參考信號。另一部分光線 2經柱面鏡11,聚集在光電池10上,形成光電流i 2,以此作為測量信號。將帶材12的邊界置于測,10儀表技術與傳感器1998年必將引起i 2大小的變化。由此即可獲得反映帶材邊界位置的測量信號。管老化以及環境污染等,均會使光源的亮度發生變化。因此,將V 1和V 2同時送入除法器作比值運算,以保證U=kV 2/V 1基本不變,從而獲得僅反映帶材邊界位置的有用信號。當然,

4、光源亮度不允許無限減小,當其減至一定程度時,V 1經污染報警電路發出報警信號,要求進行污染清除或更換燈管。圖1傳感器的工作原理1.日光燈管2.物鏡3、10.光電池4.參考信號變換電路5.污染報警電路6.反相器7.加法器8.除法器9.測量信號變換電路11.柱面鏡12.帶材三、傳感器的電路設計傳感器的電路如圖2所示。由于測量信號與參考信號兩變換電路基本相同,故省略了測量信號的變換電路。圖中所有運算放大器均由±15V電源供電。A4為除法器(AD533),省略了其外接電路。i 1與i 2經過各自的信號變換電路,可將光電流變換并放大成電壓信號V 1、在使V 2。用過程中,由于光源供電電壓的變化

5、、燈圖2傳感器電路圖利用光電池S1的短路電流i 1與光照近似成正比的關系,將其接入放大器A1的兩輸入端。根據兩端電位差接近于零的特點,可得放大器的輸出電壓為V1=i 1(R1+R2)。調節R2可改變V1的大小。通過電容C1,V1中的直流分量被隔離,僅有隨燈管亮度變化的交流分量V1被送后級電路處理。放大器A2與二極管D1、D2以及電阻R3、當R3=R4,且輸R4構成一線性半波整流器。入電壓為負極性時,其輸出電壓與輸入電壓大小相等,符號相反。放大器A3和電阻R7以及電容C2構成一積分電路。當R5=2R6,R7>R5時,A3的輸出電壓V 1與V1全波整流后的平均值成比例。換句話說,A2與A3所

6、構成的電路能對V1進行全波整流,取平均值以及將V 1與測量信號處理電路輸出的V 2同時送入除法器A4作除法運算,可使光源供電電壓變化、燈管老化以及環境污染等對輸出電壓U的影響減至最小。除法器的輸出U與某一定值負電壓U通過加法器A5求和,即可輸出0-10V的檢測信號。通過反相器調整U的A6,也可輸出010V的檢測信號。大小,可改變測量光為全暗時的輸出電壓。調節R10可改變測量光為全亮時的輸出電壓。另外,V 1還需與一恒定電壓U進行比較,以控制繼電器J1的開啟,從而實現光源污染或燈管損壞時的報警。四、傳感器的特性試驗用40W普通日光燈管作光源,使光源與()34儀表技術與傳感器1998年的上、下限標

7、定后測試了整機的線性度。結果表明,在整個量程范圍中,整機的線性誤差<0.2(相當于0.4,含A/D的誤差);之后我們在量程中均勻地選擇了5個點,做了1065的溫度漂移測試(限于當時的測試條件),發現最大溫漂僅為0.2(即±3.5ppm/,現場使用情況表明該電路可以在-1865的使用溫度范圍內保證良好的精度),可見電路具有相當高的線性度和溫度穩定性,很適合于對溫度測量要求精密的場合。該電路曾在國家“八五”科技攻關課題“大型旋轉機械熱力參數智能監測系統的研(上接第10頁)傳感器之間的距離為1200mm。用黑色遮光板模擬被測帶材來遮擋光線,并將其沿燈管軸線方向移動,記錄下每間隔1mm

8、時傳感器的輸出電壓值。隨著遮光板與傳感器之間距離的不同,傳感器的靈敏度與線性范圍也不同。現分別使遮光板距傳感器為1200mm和5mm進行試驗,其試驗曲線如圖3和圖4所示。究與設計”中分專題“6通道溫度、壓力、功率、液位監測儀”的設計中采納,通過了部級鑒定,并在多臺200MW、300MW的汽輪發電機組的狀態監測中獲得應用。兩年來現場運行情況良好,深得用戶好評,目前正在進一步推廣中。參考文獻1Burr-BrownCo.Burr-BrownICDataBook(LinearProducts).1995.(收稿日期:1998年1月8日)試驗表明,當遮光板距傳感器1200mm時,傳感器在線性度為1%時的線性范圍為550mm,靈敏度為11mV/mm。當遮光板距傳感器5mm時,傳感器在線性度為1%時的線性范圍為60mm,靈敏度為117mV/mm。多次測量的重復精度為±0.16。五、結束語該傳感器于1992年9月在武漢鋼鐵公司冷軋廠正式投入使用,負責對酸洗線上運動帶鋼邊界位置的檢測。多年的實用證明,傳感器運行穩定可靠,抗環境干擾