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光电传感器的电磁兼容设计

2011-11-08 15:48
林契于宸
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  引 言

 

  广泛应用于工业自动化领域的光电传感器,一般是开关型的,被称为光电开关。光电传感器由投光器、受光器、集成电路、输出电路等组成,属弱电检测传感器。它容易受到强电设备的电磁干扰。它工作时,引起电磁辐射,形成电磁干扰。当动作频率较高、多个传感器相距较近时,仪器仪表、总线系统、计算机等弱电设备会受到强烈的干扰,传感器本身也会受到强烈的干扰,此时电磁兼容问题显得更突出。电磁兼容设计的目的,一是使传感器本身在电磁环境中能正常工作,避免出现误动作,二是避免传感器成为电磁干扰源。

 

  光干扰的抑制

 

  光电传感器以光为媒介进行无接触检测。光是一种频率很高的电磁波[1 ] 。光干扰也算是一种电磁干扰,光干扰是传感器误动作的主要因素之一。环境光、背景光和周围其它光电传感器发出的光是光干扰源。以红外线为媒介进行检测则可减小可见光的影响,红外光也不影响可见光。红外线光电传感器可用滤光镜滤去可见光。对于周围环境其它光电传感器的光干扰, 可用外壳、套筒、夹缝来抑制[2 ] 。图1 是一种受光器结构图。

 

  

 

  投光器外壳结构设计得当,可使发出的光成为规则光束,而非散射状,使用时又安装得当,则投光器难成为光干扰源。传感器设计时,采用偏振光及高频调制的脉冲光,采用同步检波方式,都有利于抑制光干扰。

 

  电路板电磁兼容

 

  光电传感器通过高频调制产生高频电信号。在高频下,一根导线等效为一个电感。因此,须尽可能缩短传感器内高频线的长度。印制板迹线设计时要考虑尽可能减小电磁辐射。迹线辐射比集成电路辐射要强。迹线如构成如图2 所示的大小相等、方向相反的电流环路,则会向空间辐射磁场,也会接受空间的磁场。

 

  

 

  图中i 为环路电流。设环路面积为S ,电信号频率为f ,测量天线到辐射平面的距离为d ,测量天线与印制板平面的夹角为θ,则测得电场强度为

  

  此时为差模辐射。可通过减小环路面积S 和环路电流i 来减小差模辐射。共模辐射可用对地电压激励的、长度小于1/ 4 波长的短单极天线来模拟。共模辐射的电场强度为

  

  式中l为短单极天线长度, 共模电压转换成了差模电流i 。减小地电压和将差模电流旁路到地可减小共模辐射。

  总的来说,印制板迹线长度宜短,宜增加宽度,但不宜突然增宽,不宜突然拐弯。尽可能增大地线面积以减小地线阻抗。高频信号线、电源线应尽可能平行地靠近地线。传感器应选用低功耗器件,如CMOS 集成电路。CMOS 器件抗干扰能力强,CMOS 逻辑电路抗扰度高达20 %。低功耗器件发热小,这有利于传感器设计得更紧密,有利于传感器稳定工作。

 

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