监测与接口

检测与接口实训王心宇一.实训目的1．熟悉红外线发射、接收管的使用方法；2．熟悉光电转换电路的构成和应用；3．学习组装一种红外线光电开关电路；4．学习施密特触发器的应用。二.光电转换电路1.光电效应光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。利用这种传感器测量非电量时，只需将这些非电量的变化转换为光信号的变化，就可以将非电量的变化转换为电量的变化而进行检测。光电式传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点。光具有波粒二象性。光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每一个光子具有一定的能量,光的能量为E=hf,其中h为普朗克常数。h=6.626×10-34Js,f为光的频率.因此,光的频率越高,光子的能量越大.光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应,如光合效应、光热效应、光电效应等。光电式传感器的理论基础就是光电效应,即光照射在某一物体上,可以看作物体受到一连串能量为hf的光子所轰击,被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象.根据产生的电效应的不同,光电效应大致可以分为三类:光电效应外光电效应内光电效应光生伏特效应1．外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象称为外光电效应，也称为光电发射效应。逸出来的电子称为光电子。外光电效应可用爱因斯坦光电方程来描述式中，v是电子逸出物体表面时的初速度;m是电子的质量;W是金属材料的逸出功(金属表面对电子的束缚).上式为著名的爱因斯坦光电方程，它揭示了光电效应的本质。根据爱因斯坦的假设：一个光子的能量只能给一个电子，因此单个的光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的能量增加为hf，这些能量一部分用于克服逸出功形，另一部分作为电子逸出时的初动能。由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率f有一最低的限度。当hf小于W时，即使光通量很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限频率。当hf大于W时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流也就越大。根据外光电效应制成的光电元器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。Whfmv2212．内光电效应在光线作用下，使物体导电能力发生变化的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。根据内光电效应制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管等。3．光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元器件是光电池。光电开关光电开关是用来检测物体的靠近、通过等状态的光电式传感器。它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为开关信号的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电绝缘)，所以它可以在许多场合得到应用。1．对射式光电开关它包含了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，光电开关就会产生开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置，如图a所示。2．镜反射式光电开关它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就会产生检测开关信号，如图b所示。3．漫反射式光电开关如图c所示，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就会产生开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。4．槽式光电开关(又称光电断续器)它通常采用标准的u字形结构，其发射器和接收器分别位于u形槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过u形槽且阻断光轴时，光电开关就会产生开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并能分辨透明与半透明的物体，其使用安全可靠，如图d所示。5．光纤式光电开关它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式，如图e所示。●防止相互干扰的方法及注意事项把光电传感器接近装置时，另一个传感器的光入射时造成的不稳定动作，叫相互干拢。排除有以下方法：1、投光器、受光器相互交叉安装；2、反射式并列使用时，相互间隔须维持设定距离在检测距离的1.4倍以上；3、对射式并列使用时，相互间隔须维持设定距离在检测距离的0.4倍以上；高压线、动力线和光电传感器的配线，若在同一配管或用线槽时行配线，则会受到感应有时会造成误动作或损坏原因，所以原则上要另行分别配线或使用单独配管。直流形配用直流电流，必须使用绝缘，请勿使用自耦变压器，开关引线长度应在200m以内，以免电压降过大。电源电压请在使用电源电压范围内使用。下列安装场所会造成误动作原因，请注意：1、灰尘较大场所；2、腐蚀性气体较多的场所；3、户外或太阳光等有强光直射的场所；4、使用时的环境温度请在规定额定的范围内；5、请确认是否因振动、冲击等使安装产生松动或偏斜等；6、安装传感器时，用锤子敲打会损坏耐水结构，请注意。三、实训原理在电子电路中，红外线的发射与接收一般是使用红外发光二极管和红外接收管完成的。这体器件体积可以做得很小，所以重量轻、功耗低、使用寿命长、发出的光均匀稳定。另外它特点是：这种发光二极管发出的光为不可见光，当发出的光束被某一特定的信号调制后，只有专门的解调电路才可收到，这就具有很强的抗干扰性和保密性。因此在诸如电器的遥控电路、重要部门的防盗报警机构以及其他自控装置中被广泛应用。红外线光电控制行程开关电路原理图1.电路原理在这个电路中，使用了通用红外线光电开关作为红外线传感器，这个组件内含有一只微型红外线发射管与一只微型接收管，它主要用于复印机、打字机、冲床等数控设备中作限位控制、光电计数等作用。电路中IC为带有施密特触发器的反相器，用于对信号整形；VT1、VT2构成复合管与继电器K组成了控制执行电路。电路的工作原理是：红外发射管RLED在通电情况下发出不可见的红外光束，照射在接收管VTG上，接收管VTG实质上相当于一个基极受光控制的三极管，由于它的基区面积较大，所以当有光照射时，在基区激发出电子空穴对，其作用相当于向基区注入少数载流子，效果与引入基极电流一样，因此，能够在集电极回路产生较大的电流，使接收管VTG导通。A点呈低电位。施密特触发器40106输出与输入相反，为高电位，它使VTl、VT2导通，继电器K吸合，常开触点闭合。只要在发光管和接收管之间遮挡光线，VTG便截止，A点即由低变为高电位，使施密特触发器输出变为低电位VT1、VT2截止，继电器K常开触点断开。值得注意的是，在接收管由亮到暗，或由暗到亮的过程中，晶体管要经过导通和截止的临界状态，十分不稳定，会产生一连串的抖动脉冲。为了消除这种抖动干扰，通常采用施密特触发器来担任整形，以便得到理想的矩形波形。电路中3DG6与9013的连接是复合管形式，它使得电路具有很高的电流放大倍数，只要给VT1提供较小的基极电流就可以给继电器提供足够的吸合电流。电路中与继电器并联的续流二极管VD是用来消除断电时加在晶体管C、E间的反向电压的，以免其可能超过晶体管的最大U(BR)CEO而将晶体管击穿。这个红外线光电开关用于控制容器内的液面时，若液面未到规定的高度，泵向容器内输送液体，液体达到规定的高度时，在控制电路的作用下，泵自动停止工作；用于自动生产线上产品的计数时，可在传送带两侧放置红外线传感对管，在施密特触发器的输出端接计数电路，传送带上每经过一个产品。施密特触发器就输出一个脉冲，计数器记录和显示脉冲数量，便实现了产品的自动计数；当使用中功率红外发射管，配以适当的电路，还可以构成各种警戒线用于安全、保卫部门作为报警电路使用。四、施密特触发器施密特触发器又称施密特反相器，是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。施密特触发器可以由门电路构成，也可作成单片集成电路产品，且后者最为常用。图1是CMOS集成施密特触发器CD40106逻辑符号与电压传输特性曲线。2．施密特触发器的应用⑴用于波形变换利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。图2的例子中，输入信号是由直流分量和正弦分量叠加而成的，只要以信号的幅度大于VT+即可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。图1CMOS施密特触发器逻辑符号及施密特电路的电压传输特性曲线VIVOt（ms）t（ms）VT+VT－00图2用施密特触发器实现波形变换⑵用于脉冲的整形在数字系统，常常需要将窄脉冲进行展宽，图3.9.3是用CD40106来展宽脉冲宽度的电路及输入、输出波形，它是利用R、C充电延时的作用来展宽输出脉冲的，改变R、C的大小，即可调节脉宽展宽的程度。图3.9.3施密特触发器实现窄脉冲展宽电路及其波形当传输的信号受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲。⑶用于单稳态触发器单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由于具备这些特点，单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等。利用施密特触发器可以构成单稳态触发器。施密特型单稳由输入脉冲下降沿图4用施密特触发器构成的单稳态触发器触发翻转。输出正脉冲，见图4。且要求T1＞TW，它的近似计算式为TW≈0.7RC。如输入信号为一组幅度不等的脉冲，可将输入幅度大于的脉冲信号选出来，而幅度小于的脉冲信号则去掉了。⑷用于多谐振荡器)ln(TTTDDTDDVVVVVVRCT利用施密特触发器可以构成多谐振荡器。其电路如图5所示。接通电源瞬间，电容C上的电压为0V，输出v0为高电平。v0通过电阻R对电容C充电，当vI达到VT＋时，施密特触发器翻转，输出为低电平，此后电容C又开始放电，vI下降，当vI下降到VT－时，电路又发生翻转，如此周而复始地形成振荡。其振荡周期公式为图5用施密特触发器构成的多谐振荡器2、施密特触发器电路组成将555定时器的高触发端TH(6脚)与低触发端（2脚）接在一起，作为信号的输入端，即可构成施密特触发器。电压控制端C－V（5脚）接有0.01uF的滤波电容，以提高电路工作稳定性。12345678+VDDuouIC1555逻辑符号即左图中输入与输出为反相关系，又称作施密特触发器与非门。右图中输入与输出为同相关系，又称作施密特触发器与门。五、电磁式继电器的结构和符号几种常见的电磁式继电器JQC-3F(T73)继电器引脚图六、实训仪器与元件面包板一块，稳压电源（2～24V）可调，VT小功率三极管9013，D续流二极管1N4148，红外发射--接收管（光槽）ST180A，电阻值560Ω、18KΩ、1.1KΩ、20KΩ各一个，发光二极管两个，施密特触发器CD40106。24681012数据输出端13591113数据输入端14电源正7接地