一种对射式光电开关的制作方法

本发明涉及一种光电传感器，具体地说是一种对射式光电开关。

背景技术：

对射式光电式传感器是一种将光学元件和电子元件作为检测部分的传感器。光电检测技术具有精度高，响应速度快，非接触式等优点。该传感器结杓简单,形式灵活多样。因此,光电式传感器被广泛运用于控制和测试领域。它可用于检测由于光量变化导致的非电量变化，如光强，辐射温度，气体成分等等。它也可以通过光的传输、阻隔、反射,干扰来测量各种物理量，如物体的大小、位移、速度、温度等。所以它是一个具有广泛应用前景的至关重要的灵敏器件。当使用光电式传感器时，光电式传感器不直接与被测物体接触，光束质量几乎为零，在测量过程中不存在摩擦力且在被测物体上几乎没有任何压力。因此，光电传感器在很多应用方面都比其他传感器具有明显的优势。

中国专利号(cn104283543a)名为“一种对射式光电检测开关”，该技术提出了一种对射式光电检测开关，包括发射端控制电路以及接收端控制电路；发射端电路包括激光二极管、与激光二极管相连的三极管。该电路没有有效载波调制，无法规避掉大部分的外界光源干扰。

中国专利号(cn105978545a)名为“一种对射式光电开关”，该技术本展示了一种对射式光电开关，包括发光器和受光器。发光器包括发光器壳体以及安装在发光器壳体内的第一光源固定件、发光pcb组件和第一滤光镜。受光器包括受光器壳体以及安装在受光器壳体内的第二光源固定件、接收pcb组件和第二滤光镜。接收pcb组件检测发光pcb组件发出的光信号，并输出对应的检测信号，具有检测距离远、抗干扰能力强、响应速度快等优点。但该设计方案牺牲了光电开关的检测精度，被测物体体积受到限制。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种电路结构精简、防止频率偏移、有较强的电路稳定性和抗干扰能力的对射式光电开关。

为解决上述技术问题，本发明的对射式光电开关，包括发射端和接收端，所述发射端包括发射端电路，所述接收端包括接收端电路，所述接收端电路包括鉴频电路，所述鉴频电路设有频率信号输出接口，所述频率信号输出接口连接发射端电路，频率信号输出接口输出的脉冲信号引入发射端电路，经处理后驱动光电发射管工作。

发射端电路不设专门的信号发生电路，发射端电路调制信号由接收端鉴频电路自激振荡频率反馈提供。通过这样的频率跟随的设计，精简了电路结构，简化了线路和调试工作，又有效的避免了频率偏移的问题，防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异，实现了光电发射与接收工作频率的同步自动跟踪，使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。

所述接收端电路设有多级滤波电路。

所述接收端电路包括一级放大电路、二级放大电路和电平控制电路，所述一级放大电路的输入端设置第一级低通滤波电路，所述二级放大电路的输入端设置第二级高通滤波电路，所述电平控制电路的输出端设置第三级滤波电路。

信号通过光电接收管到达接收端电路后，经过二级负反馈放大电路对信号进行处理，期间通过多级去耦滤波电路对多个信号节点进行滤波处理，最后信号进入鉴频电路进行调制频率的选频与解调并进行电平控制输出。本发明在整个电路每一级都进行了去耦处理，滤波效果更好。

所述鉴频电路为lm567芯片，所述频率信号输出接口为lm567芯片的5脚和6脚。

发射端电路调制信号由lm567芯片的5、6脚引人信号，此信号是锁相音频译码器lm567的锁相中心频率。

所述发射端设有金属外壳，所述金属外壳与发射端电路共地，所述接收端设有金属外壳，所述金属外壳与接收端电路共地。这样可以有效的屏蔽了其工作环境中的各种电磁干扰，尤其是工频干扰。

所述金属外壳外部设有螺纹，可以通过螺纹安装本光电开关。

所述发射端的一端设有光电管，所述光电管外侧设有反射腔，所述反射腔长度为一个焦距。可使散射的红外光最大限度的平行于透镜射入，降低对射光束的直径以提高精度，并增强红外光的强度。

所述反射腔外侧设有透镜，所述透镜外设有透镜外环，所述透镜外环采用红外光吸收材料。这样可以防止红外光的散逸，进而避免接收端误触发。

采用这样的结构后，本发明创造性的进行了频率跟随的设计，既精简了电路结构，又有效的避免了频率偏移的问题，使本传感器在具有检测精度高的优势的同时，又可以适应环境变化剧烈的恶劣工作条件。本发明大幅度优化输出波形，在整个电路每一级都进行了去耦处理，使滤波效果更好。在结构设计方面，本发明设计金属屏蔽壳，并与电路共地，有效的屏蔽了其工作环境中的各种电磁干扰。通过这些手段，本发明的光电开关其输出波形纹波峰峰值可控制在100mv以内，在一些对输出波形要求严格的场合，他们的传感器需要额外增加降噪成本。采用调制频率驱动光电管，有效的增强了光电开关的抗干扰能力，有效的避免了因调制频率较低而影响传感器响应频率的弊端。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的电路整体架构图。

图2是本发明的发射端电路图。

图3是本发明的接收端电路图。

图4是lm567功能结构图。

图5是本发明对射式光电开关发射端的剖面图。

图6是光电管传输波形图。

图7是光电开关电平输出图。

图8是普通光电开关输出波形纹波。

图9是本发明光电开关输出纹波。

附图标记：线束1，工作状态指示灯2，led灯盖3，金属外壳4，电路板安置处5，光电管安置处6，光电管卡槽7，反射腔8，透镜9，透镜外环10。

具体实施方式

本发明的对射式光电开关，包括发射端和接收端，发射端包括发射端电路，接收端包括接收端电路，接收端电路包括鉴频电路，鉴频电路设有频率信号输出接口，频率信号输出接口连接发射端电路，频率信号输出接口输出的脉冲信号引入发射端电路，经处理后驱动光电发射管工作。鉴频电路选用为lm567芯片，频率信号输出接口为lm567芯片的5脚和6脚。发射端电路调制信号由lm567芯片的5、6脚引人信号，此信号是锁相音频译码器lm567的锁相中心频率。

图4是lm567芯片结构功能示意图，如图所示，它内部含有两个鉴相器，即图4中的pd1和pd2，此外还包括一个电压器amp和压控振荡器vod。当输入信号在几百毫伏范围内时，通过配置图4中的电阻rt和电容ct(即图3中的r9和c6)，可使由振荡器vcd组成的锁相环电路(即图3的frequencyfollowing处)输出10khz-50khz的三角振荡波。

锁相环电路输出的10khz-50khz三角振荡波有两个作用。一是最为鉴频的基准频率f0，通过将输入信号与锁相环电路输出信号进行鉴相，将得到的相差信号滤波处理后再次控制锁相环电路输出频率f0跟踪输入频率。若输入信号频率落在锁相环电路的捕获带内，则环路锁定。此时锁相环带电路的输出频率f0与输入信号频率保持一致，实现鉴频功能。

其次，锁相环电路会作为调制波的发生电路，其输出频率f0会作为光电发射管的调制频率通过基于lm386的放大电路并进行滤波处理后，直接驱动光电发射管工作。由于本发明中采用的光电管可由三角波直接驱动，并不会影响其传输波形，所以无需额外的整流电路。

当外界不可控因素的变化导致鉴频的基准频率f0发生波动时，光电发射管的调制频率会随之变化，提高了光电开关的抗干扰性和精确度。

发射端电路不设专门的信号发生电路，发射端电路调制信号由接收端鉴频电路自激振荡频率反馈提供。在接收端进行功率放大与滤波处理后，驱动光电发射管工作。

通过这样的频率跟随的设计，精简了电路结构，简化了线路和调试工作，又有效的避免了频率偏移的问题，防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异，实现了光电发射与接收工作频率的同步自动跟踪，使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。

本传感器在具有检测精度高的优势的同时，又可以适应环境变化剧烈的恶劣工作条件。(注：环境变化时，比如温度、湿度、光照强度等，造成频率偏移时，本设计通过输入量与输出量同步变化，避免了光电开关鉴频失败。)

接收端电路设有多级滤波电路。接收端电路包括一级放大电路、二级放大电路和电平控制电路，一级放大电路的输入端设置第一级二阶低通滤波电路(图3中的a)，滤除高于1.1f0的信号(f0为鉴频电路中心频率)。二级放大电路的输入端设置第二级二阶高通滤波电路(图3中的b)，滤除低于0.9f0的信号。这两级滤波可以优化鉴频电路的输入信号。电平控制电路的输出端设置第三级滤波电路(图3中的c)，此处滤波降低目的是输出电平纹波。

信号通过光电接收管到达接收端电路后，经过二级负反馈放大电路对信号进行处理，期间通过多级去耦滤波电路对多个信号节点进行滤波处理，最后信号进入鉴频电路进行调制频率的选频与解调并进行电平控制输出，输出波形见图7。

在整个电路每一级都进行了去耦处理，滤波效果更好。

与现存的对射光电开关只在输出端设计滤波电路不同，本发明在整个电路每一级都进行了去耦处理，使滤波效果更好。由于多级滤波会使得频带过窄而导致的选频效果不好，为避免这种情况，一般的接收端电路设计无法采用多级滤波，而本发明的接收端电路由于采用频率跟随的设计而不存在该问题。

采用调制频率驱动光电管，有效的增强了光电开关的抗干扰能力(其他光源)。本发明采用的光电管优异的高频特性使光电开关具有更高的频率响应(本发明采用tsal6200发射管和tsop98260接收管作为传感器的发射端和接收端)，比其他光电开关(调制频率普遍较低，受光电管影响)，本发明的调制频率在20khz到60khz之间(见图6)，有效的避免了因调制频率较低而影响传感器响应频率的弊端。

本发明中采用tsal6200作为光电发射管，它是一种高效红外发光二极管，采用gaalas技术，模压成透明的蓝灰色有色塑料包装。与传统的gaas标准下的光电发射管比较，tsal6200可以达到5khz-60khz高功率载波发射。其波长为940mm。光电接受管tsop98260是一种微型传感器，用于接收红外遥控系统的调制信号。

工业上的一些生产线原先使用的是漫反射光电传感器用于检测罐头流水线上罐头的数量，寄到一定数量时好进行封装，但是装箱时经常会出现漏检的状况，没有达到最初想要实现的自动化效果，还需要另外安排工作人员进行检查。

而使用高精度对射式光电传感器，因为光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。利用光电开关的这种特性，可以实现工业生产流水线上用于捡漏或者计件。

本发明除了在控制电路上的改进外，还对射式光电开关的结构上做了改进。

发射端和接收端都设有金属外壳4，金属外壳4与控制电路共地。这样可以有效的屏蔽了其工作环境中的各种电磁干扰，尤其是工频干扰。

通过金属外壳4与控制电路共地以及多级滤波这些手段，本发明的光电开关其输出波形纹波峰峰值可控制在100mv以内，见图9，现在的大多数普通的光电开关其纹波在200mv左右，见图8，在一些对输出波形要求严格的场合，他们的传感器需要额外增加降噪成本。

如图5是本发明的对射式光电开关的发射端的剖面图，发射端和接收端的金属外壳4的一端设有led灯盖3，led灯盖3上设置工作状态指示灯2，连接线束1(包括电源线、信号线与反馈线)，金属外壳4内通过上下两个卡槽固定设有电路板安置处5金属外壳4的另一端设有安装光电管的光电管安置处6和环形的光电管卡槽7，光电管卡槽可以保证光电管被固定于透镜焦点处。光电管外侧设有反射腔8，反射腔8外侧设有透镜9，透镜9通过卡槽7安装，反射腔8长度为透镜9的一个焦距，也就是说光电管在透镜的焦点上，反射腔8内部由根据光电管的红外波段配置一定曲率的、对红外光反射能力强的材质环绕覆盖组成，可使散射的红外光最大限度的平行于透镜射入，降低对射光束的直径以提高精度，并增强红外光的强度。透镜外9设有透镜外环10，透镜外环10采用红外光吸收材料。这样可以防止红外光的散逸，进而避免接收端误触发。

接收端与发射端的结构类似，不同之处在于接收端没有设置反射腔8。

金属外壳外部设有螺纹，可以通过螺纹安装本光电开关。

本发明的光电开关的部分工作参数：