表面粗糙度對(duì)紅外漫反射光電傳感器的影響

張五杰 史潤(rùn)軍 王汝佳 王曉生

（河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

紅外漫反射光電開(kāi)關(guān)采用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管作為光電轉(zhuǎn)換元件，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的無(wú)損檢測(cè)光電傳感器，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代輕工、機(jī)械、交通、電力等領(lǐng)域的安全生產(chǎn)、自動(dòng)控制中。將紅外漫反射光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)中的智能高壓氣吹設(shè)備中，并對(duì)氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）母線殼體進(jìn)行清洗，用來(lái)消除可見(jiàn)水作業(yè)時(shí)設(shè)備工作狀態(tài)受殼體內(nèi)壁表面處理情況的影響，即內(nèi)壁涂漆時(shí)，設(shè)備收到傳感器的反饋信號(hào)并做出響應(yīng)動(dòng)作；內(nèi)壁為裸露金屬面時(shí)，傳感器無(wú)反饋信號(hào)，設(shè)備不動(dòng)作。

通過(guò)查閱產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)、科技文獻(xiàn)等相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，紅外漫反射光電傳感器在實(shí)際工作中受較多因素的影響，且這些因素的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，如物體距離越近，顏色越亮，尺寸越大，傳感器接收到的信號(hào)就越強(qiáng)，檢測(cè)距離就越遠(yuǎn)；粗糙表面相對(duì)光源有一定的傾斜角度時(shí)，傳感器也能收到反射信號(hào)。但這些規(guī)律的描述較為簡(jiǎn)單，尤其是表面粗糙度、光源和表面傾角因素的影響規(guī)律，更是缺少數(shù)據(jù)支撐，無(wú)法有效指導(dǎo)傳感器在不同工況中的實(shí)際應(yīng)用。因此，本研究對(duì)表面粗糙度、傳感器光源與表面夾角、傳感器功率等因素對(duì)傳感器實(shí)際檢測(cè)距離的影響規(guī)律進(jìn)行研究，從而為紅外線的工程化應(yīng)用提供一些參考，對(duì)提高高壓電器制造自動(dòng)化水平具有積極意義。

1 紅外漫反射光電傳感器特性

漫反射光電傳感器又稱(chēng)漫反射式光電開(kāi)關(guān)，屬接近開(kāi)關(guān)的一種，是由紅外發(fā)射管和紅外接收管組合而成的紅外感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)，通過(guò)發(fā)射管發(fā)射出的紅外光，經(jīng)物體反射后，一部分返回到接收端，接收管接收到紅外信號(hào)即可進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)信號(hào)的變化來(lái)控制電路。

紅外線是頻率介于微波與可見(jiàn)光之間的電磁波，頻率為0.3～400 THz，對(duì)應(yīng)真空中波長(zhǎng)為750 nm～1 mm輻射的總稱(chēng)。光電傳感器中通過(guò)紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，管壓降約1.4 V，工作電流一般小于20 mA，功率分為小功率（1～10 mW）、中功率（20～50 mW）和大功率（50～100 mW）三類(lèi)。通過(guò)在驅(qū)動(dòng)管上加上一定頻率的脈沖電壓使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光。紅外二極管的發(fā)光能力有限，發(fā)出的紅外光有效距離較短，故使用時(shí)應(yīng)再加上透鏡，以提高聚光能力。

光電開(kāi)關(guān)有繼電器輸出、NPN輸出和PNP輸出三種類(lèi)型，NPN型和PNP型輸出狀態(tài)其實(shí)就是利用三極管的飽和和截止，輸出截然相反的高電平和低電平兩種信號(hào)，NPN輸出的是低電平0，PNP輸出的是高電平1。NPN型三極管是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著1塊P型半導(dǎo)體，一般有3條引出線，即電源線VCC、0 V線、OUT信號(hào)輸出線。NPN是指當(dāng)有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，信號(hào)輸出線OUT和0 V線連接，相當(dāng)于輸出低電平0 V。對(duì)NPN?NO型，在沒(méi)有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出線是懸空的，即0 V線和OUT線是斷開(kāi)的。在有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，發(fā)出與0 V相同的電壓，也就是OUT線和0 V線連接，輸出低電平0 V。對(duì)于NPN?NC型，在沒(méi)有信號(hào)觸發(fā)時(shí)，發(fā)出與0 V線相同的電壓，也就是OUT線和0 V線連接，輸出低電平0 V。當(dāng)有信號(hào)觸發(fā)后，輸出線懸空，即0 V線和OUT線斷開(kāi)［1］。

2 粗糙度與光的散射特性

在對(duì)機(jī)械零件切削的過(guò)程中，刀具或砂輪遺留的刀痕、切屑分離時(shí)的塑性變形和機(jī)床振動(dòng)等會(huì)使零件的表面形成微小的峰谷。這些微小峰谷的高低程度和間距狀況被稱(chēng)作表面粗糙度，也稱(chēng)為微觀不平整度，其是一種微觀幾何形狀誤差［2］。GIL母線殼體為鋁合金擠制管，殼體內(nèi)表面要求打磨拋光至粗糙度Ra6.3，因要修復(fù)凸起、毛刺等問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)局部粗糙度不同的情況。殼體內(nèi)表面涂漆后，較金屬面更光滑。

根據(jù)測(cè)量表面粗糙度的光散射理論，當(dāng)一束入射光照射到被測(cè)制件表面時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生鏡反射和漫反射。假設(shè)忽略被測(cè)件材料的光吸收，以及制件表面的高度變化符合高斯分布規(guī)律，則入射光束的光強(qiáng)Ir等于鏡反射光強(qiáng)If與漫反射光強(qiáng)Im之和，即Ir=If+Im。不論是反射光強(qiáng)If，還是漫反射光強(qiáng)Im，二者都與入射光強(qiáng)Ir和粗糙度均方根偏差R有關(guān)［3］。粗糙度的高度只影響光在空間的散布范圍（高度小，光的散布范圍大），不影響相鄰散斑間的距離；粗糙度的間距不同時(shí)，除影響光的散布范圍外，還會(huì)影響相鄰散斑間的距離（間距小，散斑間的距離大）。對(duì)很光滑的表面而言，大部分入射光會(huì)反射至鏡方向。當(dāng)表面粗糙度增加時(shí)，鏡方向光強(qiáng)減少，同時(shí)光的衍射增加，并且變得更散射［4］。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

3.1.1 樣板。由于材料的反射率不同，在測(cè)量具有相同粗糙度不同材料的制件表面時(shí)，光電傳感器輸出的信號(hào)不同。由于加工方法的不同，在測(cè)量具有同樣粗糙度不同表面形貌的制件表面時(shí)，光電傳感器輸出的信號(hào)不同。本研究以5塊5 052鋁合金板作為檢測(cè)樣板，板長(zhǎng)300 mm、寬200 mm、厚5 mm，分別采用精磨、精銑、粗銑、噴砂、鑄造等工藝將樣板檢測(cè)面加工成5個(gè)不同粗糙度的平面，詳見(jiàn)表1。

表1 樣板檢測(cè)面制造工藝及粗糙度

樣板檢測(cè)面外觀如圖1所示。使用粗糙度儀和粗糙度樣塊對(duì)樣板表面進(jìn)行粗糙度檢測(cè)和比對(duì)（見(jiàn)圖2、圖3），檢測(cè)結(jié)果顯示，樣板待檢測(cè)平面粗糙度符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 傳感器。使用5種功率規(guī)格的漫反射光電傳感器作為紅外光源。具體型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表2。傳感器如圖4所示，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

表2 傳感器型號(hào)及參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 測(cè)量實(shí)際最大檢測(cè)距離。將漫反射光電傳感器與檢測(cè)樣板垂直放置，距離為傳感器的標(biāo)稱(chēng)檢測(cè)距離。當(dāng)觀察到傳感器上的開(kāi)關(guān)信號(hào)指示燈為亮起狀態(tài)時(shí)，沿垂線方向緩慢移動(dòng)傳感器，當(dāng)指示燈滅時(shí)標(biāo)記傳感器的位置，測(cè)量并記錄標(biāo)記點(diǎn)到樣板的距離，即為該型號(hào)傳感器檢測(cè)到的相應(yīng)粗糙度表面的實(shí)際最大檢測(cè)距離，如圖6所示。更換不同粗糙度值的樣板，重復(fù)上述步驟，記錄該型號(hào)傳感器檢測(cè)不同粗糙度表面的實(shí)際最大檢測(cè)距離。

3.2.2 測(cè)量實(shí)際最大傾斜角。將漫反射光電傳感器與檢測(cè)樣板垂直放置，距離為傳感器標(biāo)稱(chēng)距離的1/2，傳感器處于有效工作范圍內(nèi)。將樣板底部劃線標(biāo)記為起始位置，當(dāng)觀察到傳感器的開(kāi)關(guān)信號(hào)指示燈為亮起狀態(tài)時(shí)，繞傳感器方向垂線與樣板交點(diǎn)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7（a）所示。當(dāng)指示燈熄滅時(shí)標(biāo)記樣板位置，測(cè)量起始位置與標(biāo)記位置的角度，即為該型號(hào)傳感器檢測(cè)相應(yīng)粗糙度表面的實(shí)際最大傾斜角度，如圖7（b）所示。更換不同粗糙度值的樣板，重復(fù)上述步驟，記錄該型號(hào)傳感器檢測(cè)不同粗糙度表面的實(shí)際最大傾斜角度。

4 結(jié)果與分析

4.1 表面粗糙度的影響

使用5種規(guī)格型號(hào)的漫反射光電傳感器檢測(cè)垂直方向的5個(gè)不同粗糙度的樣板平面的實(shí)際最大檢測(cè)距離，結(jié)果如表3所示。

表3 傳感器垂直方向檢測(cè)不同粗糙度樣板距離結(jié)果 單位：cm

根據(jù)表3的結(jié)果繪制出曲線圖，如圖8所示。

由圖8可知，隨著表面粗糙度的增大，傳感器的實(shí)際最大檢測(cè)距離卻在逐漸減小，且減小的幅度在逐漸降低。當(dāng)粗糙度Ra<20時(shí)，粗糙度對(duì)實(shí)際檢測(cè)距離的影響較大，即當(dāng)物體表面粗糙度發(fā)生變化時(shí)，傳感器的實(shí)際有效檢測(cè)距離也會(huì)發(fā)生較大變化；當(dāng)粗糙度Ra>20時(shí)，粗糙度對(duì)實(shí)際檢測(cè)距離的影響較小，即物體表面粗糙度發(fā)生變化時(shí)，傳感器的實(shí)際有效檢測(cè)距離基本無(wú)變化；當(dāng)粗糙度Ra=20時(shí)，不同型號(hào)傳感器的實(shí)際最大檢測(cè)距離約為其標(biāo)稱(chēng)距離。

當(dāng)粗糙度Ra=125時(shí)，實(shí)際最大檢測(cè)距離與標(biāo)稱(chēng)檢測(cè)距離的比值詳見(jiàn)表4。為保障信號(hào)穩(wěn)定傳輸，傳感器與被檢測(cè)物體間距離應(yīng)小于傳感器標(biāo)稱(chēng)距離的70%。

表4 傳感器最大檢測(cè)距離與標(biāo)稱(chēng)距離比值

隨著粗糙度的增大，光的散射特性也會(huì)隨之發(fā)生變化，鏡反射減少，漫反射增多，傳感器的受光部接收到的反射光減少，實(shí)際檢測(cè)距離也隨之減小。當(dāng)粗糙度Ra<20時(shí)，物體表面微觀不平整度的變化對(duì)光的散射特性變化影響較大，導(dǎo)致實(shí)際檢測(cè)距離變化大；當(dāng)粗糙度Ra>20時(shí)，物體表面微觀不平整度的變化對(duì)光的散射特性變化影響不明顯，實(shí)際檢測(cè)距離的變化趨向平緩。

4.2 光源與物體表面夾角的影響

本研究采用5種型號(hào)的漫反射光電傳感器來(lái)檢測(cè)5個(gè)不同粗糙度平面，最大旋轉(zhuǎn)角度為α，則傳感器入射光線與樣板表面夾角為（90°?α），該夾角為傳感器能收到反射信號(hào)時(shí)與物體表面的最小夾角。試驗(yàn)記錄結(jié)果詳見(jiàn)表5。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖9所示。

表5 傳感器光源方向與物體表面最小夾角測(cè)量結(jié)果 單位：°

由圖9可知，隨著樣板表面粗糙度的增大，傳感器能收到反射信號(hào)時(shí)與物體表面的最小夾角有著先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)粗糙度Ra=12.5時(shí)，該夾角最小。根據(jù)對(duì)粗糙目標(biāo)表面紅外偏振特性的研究結(jié)果表明，紅外輻射偏振度先隨入射角的增加而增加，而后在達(dá)到特定入射角時(shí)達(dá)到峰值，超過(guò)一定入射角后，紅外輻射偏振度會(huì)大幅度下降，金屬和非金屬的紅外輻射偏振度的差異在一定入射角度范圍內(nèi)將達(dá)到最大［5］。

根據(jù)表5可得，最小夾角的平均值為（30°+26°+13°+31°+42°）/5=28.4°，即在實(shí)際應(yīng)用中，為保障信號(hào)能穩(wěn)定傳輸，傳感器與物體表面的夾角應(yīng)大于30°。當(dāng)粗糙度Ra=25時(shí)，不同傳感器測(cè)得的最小夾角值大致相等，即不同型號(hào)傳感器在Ra=25兩側(cè)的角度曲線變化趨勢(shì)是相同的，但大小順序不同；當(dāng)粗糙度Ra<25時(shí)，光的散射特性變化對(duì)物體表面微觀不平整度的變化較為敏感，導(dǎo)致實(shí)際可檢測(cè)角度變化大；當(dāng)粗糙度Ra>25時(shí)，光的散射特性變化不明顯。

4.3 傳感器功率的影響

由圖8可知，傳感器的功率越大，實(shí)際檢測(cè)距離越遠(yuǎn)。且使用GP18?150DN1及以上型號(hào)傳感器檢測(cè)到的距離隨粗糙度的變化趨于一致。計(jì)算粗糙度Ra<20時(shí)的曲線斜率k（見(jiàn)表6）。

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)繪制出曲線圖，見(jiàn)圖10。

由圖10可知，隨著傳感器的功率增大，曲線斜率也逐漸增大，即檢測(cè)距離受物體表面粗糙度的影響也越大。

通過(guò)對(duì)圖9進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，5種傳感器測(cè)量的角度值分布較集中，離散度小，變化趨勢(shì)一致。以傳感器型號(hào)為橫坐標(biāo)來(lái)繪制不同粗糙度時(shí)傳感器入射光線與樣板表面夾角的變化曲線，如圖11所示。曲線大致呈平行直線分布，即對(duì)同一粗糙度表面，不同型號(hào)的傳感器與檢測(cè)物體表面的最小夾角值大致相等，傳感器功率對(duì)最小夾角變化影響較??；對(duì)不同型號(hào)的傳感器，表面粗糙度變化時(shí)，最小夾角值的變化幅度大致相等。

5 結(jié)論

通過(guò)分析，可得到以下結(jié)論。

①隨著表面粗糙度的增大，傳感器的實(shí)際最大檢測(cè)距離在逐漸減小，當(dāng)粗糙度Ra<20時(shí)減小幅度大，當(dāng)粗糙度Ra>20時(shí)減小幅度小，當(dāng)粗糙度Ra=20時(shí)，傳感器實(shí)際最大檢測(cè)距離與其標(biāo)稱(chēng)距離大致相等。為保障傳感器能穩(wěn)定工作，與被檢測(cè)物體的距離應(yīng)小于標(biāo)稱(chēng)距離的70%。

②傳感器與被檢測(cè)物體表面的夾角隨表面粗糙度的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)Ra=12.5時(shí)，夾角達(dá)到最小。為保證傳感器能穩(wěn)定工作，光源方向與被檢測(cè)物體表面的夾角應(yīng)大于30°。當(dāng)粗糙度Ra=25時(shí)，不同傳感器測(cè)得的最小夾角值大致相等。當(dāng)粗糙度Ra<25時(shí)，物體表面微觀不平整度的變化對(duì)光的散射特性變化影響較大，導(dǎo)致最小夾角變化大。當(dāng)粗糙度Ra>25時(shí)，最小夾角變化不明顯。

③傳感器功率越大，實(shí)際檢測(cè)距離受物體表面粗糙度的影響也越大，可檢測(cè)最小夾角受影響較小。

綜上所述，本研究的研究結(jié)果為紅外漫反射光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用與高壓電器的自動(dòng)化制造積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)紅外線在粗糙度檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行積極探索和實(shí)踐，具有重要的意義。