光电传感器的种类繁多,在工业控制与测量、数码设备与可穿戴式设备以及生物医学信息检测等方面应用广泛。近年,光电传感器的性能不断提高,技术方法不断创新[1],向功能性、集成化和智能化方向发展。提高传感器的可靠性、分辨率、灵敏度等性能参数的研究和应用性研究颇多[2],而关于功能性和技术方法的研究多以专利形式呈现[3]。光电传感器的灵敏度是指输入光强度的变化量与输出变化量的比值,是表征传感器性能的一个重要指标。对红外光电开关传感器而言,相同的检测条件下,灵敏度越大,其检测距离越远[4],即调整光电开关传感器的检测距离可通过调节其灵敏度来实现。在调整光电传感器灵敏度的研究中,文献[3-4]提出了灵敏度自适应技术方法,可避免因空气环境和检测介质变化引起的干扰。文献[5]等提出动态阈值和双阈值灵敏度设定的技术方法,可用于检测气泡液面和凸凹面物体,这些研究都在不断提高红外光电传感器的性能。在某些应用场所,因受设备部件和护板的限制,或因接近物体的反射不同,需要根据现场应用情况调整光电开关传感器的灵敏度或检测距离,因此,这类光电开关传感器应具有灵敏度可调功能。
红外光电开关传感器主要由红外发射电路和红外接收电路构成,发射电路与接收电路通过红外光路构成以红外光场为媒介的无接触式检测系统,在物位检测和工控领域有着广泛应用。通常,红外发射电路通过红外发射二极管发射特定调制频率的红外调制脉冲光[6],接收电路的光敏元件检测红外调制脉冲光信号并转换为电脉冲信号,该信号经放大、解调,由决策电路判断是否有被检物体进入其有效检测范围,然后输出接近开关信号。一般地,驱动红外发射二极管电脉冲信号的占空比(δ)为某一常数,发射光的调制频率f等于接收电路的中心接收频率f0。目前,调节红外光电开关传感器灵敏度的方法主要有两种,其一,通过调节红外发射电路的工作电流改变发射光光强度来改变灵敏度;其二,通过调节接收电路的放大参数来改变灵敏度。这两种方法一般采用可调电位器来调节传感器的灵敏度,可调电位器有数字式和机械式,数字式电位器一般要设计控制电路配合使用[7],增大了系统设计难度并增加了硬件成本,而机械式电位器则存在机械磨损和易受环境污染的缺点,可靠性较差。
对于小功率的红外发射二极管,当驱动电流在一定范围内,发射红外光强随电流成正比变化,调节驱动红外发射二极管的工作电流可调节红外光电传感器的灵敏度。当红外发射二极管的工作电流较大时,其发光强度并非一直随工作电流线性增大[8],目前调节灵敏度的方法大多采用通过调节接收电路的增益来改变传感器灵敏度。集成化的红外接收模组IRM(Infrared Receiver Module)可以用于设计红外光电传感器的接收电路[9],IRM是由接收电路、放大电路和锁相环解调电路构成,其中心接收频率为38 kHz,锁相环具有选频、锁频功能[10],因此,IRM对脉冲信号的高次谐波具有滤波作用,亦即IRM只对与脉冲信号频率相同的基频信号敏感,这为仅通过调节基频信号电压的幅值来调节IRM的灵敏度提供了可能。但集成化IRM的电学参数是不可调整的,若想采用IRM设计红外光电传感器,且能调节IRM内部光电脉冲的基频信号幅值,达到调节光电传感器灵敏度的目的,只能采用改变发射红外调制光参数的方法来实现。基于上述原因,研究了脉冲占空比对电脉冲的基频信号幅值和对红外光电传感器灵敏度的影响,旨在为设计红外光电开关传感器探索调节灵敏度的新技术方法。
1 脉冲占空比调节灵敏度的原理
1.1 占空比与基频信号幅度的关系
通常,驱动红外发射二极管电脉冲信号为连续周期的矩形脉冲信号。设脉冲信号的高电平脉冲宽度为τ,脉冲周期为T,信号幅度为E。占空比是指周期脉冲信号中脉冲高电平持续时间与脉冲周期的比值,即:
δ=τ/T
(1)
对连续周期的矩形脉冲信号进行频域分析,脉冲周期信号可利用傅里叶级数表示为连续周期信号的各次谐波分量的叠加[11],周期脉冲信号u(t)的三角函数形式的傅里叶级数可表示为[12]:
(2)
式中
为周期信号的直流分量,
为倍频分量,设用U1(t)表示周期脉冲信号的基频分量,则:
说明：本题显性目的是考查“相等向量”，隐性目的是提高分析问题解决问题的能力和分类讨论思想的感悟.本题的解题过程是学生探究的过程.
作为膝关节重要组成部分，半月板可较好的维持其稳定性，同时具有吸收震荡、延缓膝关节退行性病变等作用[1]。其中盘状半月板属于半月板异常病变的一种，在运动时极易产生破裂，进而引发膝关节多种症状及功能的改变。临床对于盘状半月板损伤治疗中，关节镜下全切除术虽可产生一定疗效，但预后效果不佳。伴随医疗技术的不断发展，关节镜下半月板损伤成形术因具有创伤小、术后恢复快等特点，现已被广泛应用到临床治疗中[2，3]。为此，本研究将关节镜下半月板成形术用于盘状半月板损伤患者治疗中，且已取得较为满意成效。具体信息如下。
(3)
根据式(1)、式(3),因
,则基频信号幅值可表示为:
(4)
设U0表示信号的直流分量幅值,则:
U0=Eδ
(5)
图1 基频幅值与占空比的关系曲线
式(4)是连续周期矩形脉冲信号的基频幅值与占空比的关系式,式(5)是矩形脉冲信号的直流分量与占空比的关系式。由式(4)可知,基频幅值U1随占空比δ呈正弦规律变化。图1是根据式(4)绘制的基频幅值与占空比的关系曲线,因δ的取值范围为0～100%,πδ的变化范围为0～π,故曲线只具有正弦曲线的正半周期,当δ=50%时,πδ=π/2,基频幅值最大。根据式(4)和图1,改变矩形脉冲信号的占空比,能够改变基频信号的电压幅值,利用矩形脉冲信号驱动红外发射二极管,产生的红外调制脉冲光中的基频幅值也将产生变化,这为仅通过改变矩形脉冲信号的占空比参数来调节发射红外脉冲光强度提供了理论依据。
七是要学习和实践马克思主义关于人与自然关系的思想。学习这一思想的现实意义在于增强生态文明建设的自觉性，增强对马克思生态文明理论的自信。
1.2 红外发射驱动电路的仿真
图2为红外发射仿真电路,电路由信号发生器XFG1、电阻R1、红外发光二极管IRD和直流电压表XMM1组成。利用软件Multisim对驱动红外发射电路的连续周期矩形脉冲信号进行仿真并进行傅里叶分析,来确定占空比与基频信号幅值的关系。
mBOT有两种组织学亚型：肠型(85%～90%)和颈管黏液型(10%～15%)。肠型通常是单侧而颈管黏液型多达40%的病例是双侧的。多年来，腹膜假黏液瘤被认为是由卵巢交界性肿瘤引起的，但是近年来大量的临床病理学研究证实，“腹膜假黏液瘤”主要是来源于阑尾的黏液性肿瘤，也可能是消化道某些极高分化的黏液腺癌的盆腹膜播散;有少部分是来源于卵巢畸胎瘤单胚性肠上皮分化并漏出而形成盆腹膜种植[8]。所有双侧卵巢肿瘤的患者应评估原发性肠道肿瘤。
花色苷由于其来源广泛、有较好的生理活性、无毒副作用及丰富的颜色，在食品、医药、化妆品等领域具有巨大的应用潜力。尽管研究者们对花色苷已经开展了大量的研究，但仍有很多问题尚待进一步解决，如花色苷的稳定性问题，花色苷生理功能的作用机制等问题。采用高新技术，不断提高装备水平，扩展应用领域，使花色苷类物质发挥更大的作用。
图2 红外发射驱动仿真电路
图2中,XFG1输出38kHz的连续周期矩形脉冲信号,其占空比可在0～100%范围内进行调节,振幅VPP为12 V,工作电流约为5 mA,XMM1测量仿真电路中的直流电压分量值。改变周期脉冲信号的占空比,并进行傅里叶分析,记录不同占空比下基频信号幅值和直流分量的数值,仿真分析结果如表1所示。
表1中,δ为周期信号的占空比,U1为基频信号的幅度值,U0为直流分量的幅度值,表中列出了不同占空比对应的基频信号和直流分量的电压幅度值。
表1 不同占空比的基频幅值和直流分量
δ/%U1/VU0/V00.000.051.130.6102.231.2204.252.4306.143.6407.204.8507.646.0607.317.2706.358.4804.559.6902.5710.8951.4811.4
1.3 占空比与传感器灵敏度的关系
图3是根据表1的数据,利用Matlab软件绘出不同占空比下基频电压幅值和直流电压分量的关系曲线。图3中,横坐标为占空比δ,纵坐标为电压幅值,U1为周期信号基频分量幅值与占空比的关系曲线,U0为直流分量与占空比的关系曲线。
图3 占空比与幅度的仿真曲线
由曲线U1可知,连续周期矩形脉冲信号在幅值和频率固定时,其基频分量的幅值会随占空比的变化而变化。当占空比低于50%时,基频幅度会随着占空比的增加而增加,即脉冲信号的占空比在0<δ≤50%范围内逐渐增加时,基频信号电压引起红外发射二极管发射的信号光强度增大,传感器灵敏度将逐渐增大;占空比为50%时,基频电压幅度为最大值,驱动红外发射二极管的信号电压最大,其发射的信号光强度达到最大,传感器的灵敏度最高;当占空比大于50%时,基频幅度会随着占空比的增加而降低,传感器灵敏度逐渐降低。据此可通过调节脉冲信号的占空比,来改变传感器的灵敏度。
分析曲线U0可知,脉冲信号的直流电压分量随着占空比的增加而增大并且呈线性关系,因基频信号电压是叠加在直流分量上的信号电压,且随占空比的变化而变化,导致红外发射二极管的驱动电流发生变化,但其发光强度并非随驱动电流的增大一直呈线性增大,当驱动电流较大时,其发光效率相对于小电流时会降低,故占空比变化时,直流分量亦会对传感器的灵敏度产生影响。
2 新型反射式红外光电开关传感器设计
2.1 传感器电路原理
图4为反射式红外光电开关传感器原理图。红外光电传感器包括发射电路、接收电路、单片机、输出接口电路和设置电路。图4中,U1为单片机STC15F104E,是传感器的智能化控制核心,其内建有电擦写数据存储器、高精度R/C时钟、看门狗电路[13]。U1的连续脉冲产生程序控制P3.3输出频率为38 kHz的电脉冲信号,其占空比根据预先设定的灵敏度占空比参数确定,该电脉冲信号驱动红外发射二极管L1发射红外脉冲光,P3.2检测IRM38的输出信号,并将输出信号进行软件抗干扰处理,确定是否有接近物体存在,P3.1输出接近信号驱动T2,通过接口电路输出开关信号。同时,P3.0控制发光管L2输出接近状态指示信号,P3.4连接设置按键K1,用来进行“一键式”智能化灵敏度调节[14]。
图4 反射式红外光电开关传感器原理
灵敏度设置电路由按键K1构成,通过K1可向U1发送设置请求信号,U1接收到灵敏度调节请求信号后进入灵敏度调节程序,由U1的软件系统产生占空比较小的电脉冲信号并经T1驱动L1发射较小占空比红外脉冲光,经处于传感器前方某设定距离的被检物体反射后,由U2检测反射光强度并初步判断是否检测到被检物体,并将检测结果通过P3.2口送U1进行临界抖动的抗干扰确认,当确认未检测到被检物体时,U1软件系统将控制红外发射电路逐渐增大红外脉冲光的占空比,直到确认检测到被检物体,最后灵敏度调节程序将占空比参数存在U1的内部的电擦写数据存储器单元中,为下次上电时自动调用,从而实现了传感器的检测距离与灵敏度的调节。
2.2 占空比对灵敏度影响的实验
传感器的检测距离与灵敏度成正比,因此,实验中通过测量不同占空比下的最大检测距离来间接表示传感器灵敏度。设置驱动红外发射二极管脉冲电压幅值为5 V,频率为38 kHz,占空比δ在5%到95%范围内可调,测量不同占空比下的最大检测距离L。测量所得数据中,设灵敏度最大时的接收距离为Lm,则可用s=L/Lm比值表示相对灵敏度,测量的结果如表2所示。
改良组应用改良经括约肌间瘘管结扎术治疗：患者体位为俯卧折刀位，确定内口位置后，在括约肌间沟作一约2 cm的弧形切口，顺外括约肌缘锐性游离括约肌间隙，把括约肌瘘管分离出1～1.5 cm后用直角钳将其挑起，用3-0微乔线先后缝合内、外括约肌侧瘘管，离断并切除部分括约肌间瘘管，检查瘘管外括约肌端是否结扎理想，隧道式挖除残余瘘管至外括约肌缘，外口留置皮片引流，3-0微乔线缝合括约肌间切口。
钛具有强度高而密度小、机械性能好等特点，铝合金加入钛可大大增强其抗腐蚀性，因此需要准确测定铝合金中钛的含量。
表2中,δ为周期信号的占空比,L为不同占空比所对应的接收距离,s为相对灵敏度。对表2的数据,利用软件Matlab绘出不同占空比对应的相对灵敏度的曲线,如图5所示。
表 2 不同的占空比下的相对灵敏度
δ/%L/cms/%524.049.281029.660.782038.679.263044.891.994047.998.365048.71006046.996.307042.386.868033.668.999021.043.129511.225.05
图5 占空比与相对灵敏度关系的实验曲线
由实验曲线可知,占空比0<δ<50%时,随着占空比的增大相对灵敏度不断增大,即传感器灵敏度随着占空比的增大而增大;占空比δ=50%时,相对灵敏度最大,即传感器灵敏度最大;当占空比50%<δ<100%时,随着占空比的增大相对灵敏度而逐渐减小,即传感器灵敏度随着占空比的增大而逐渐减小。实验结果显示,实验曲线与理论曲线和仿真曲线的变化规律和趋势一致。
2.3 实验结果讨论
仿真曲线在δ=50%处左右对称,但实验曲线并不对称。比较δ<50%与δ>50%的相对灵敏度可知,δ<50%时的灵敏度相对较大,说明尚有其他因素影响传感器的灵敏度。影响红外光电传感器灵敏度的因素很多,主要有红外发射二极管的发光强度、发射角、空气衰减以及被检测物体的物理性质等因素[1,15]。红外发射二极管的发光强度受发射角的影响,发射角越大发光强度越小;红外发射二极管的发光强度也受距离的影响,光线在空气中的随传输距离按指数规律衰减,距离越大光线衰减越多;对反射式光电传感器而言,被检物体对红外光线的反射、散射程度也会影响其灵敏度。当这些因素确定时,红外发射二极管驱动电流中的直流分量是影响实验结果、并使其与仿真结果存在差异的主要因素。根据式(5)和图3,直流分量与占空比成线性关系,随着占空比的增大直流分量逐渐增大,基频分量所占总电流比例相对减小,故占空比较大时灵敏度相对较小。分析实验结果可知,当周期脉冲信号幅值与频率确定时,基频信号和直流分量的幅值均与占空比相关,即占空比影响红外发射二极管的驱动电压和发射电流,对红外发射光的强度产生影响,从而影响传感器灵敏度。
3 结束语
根据理论推导、电路仿真及实验分析可知,在周期矩形脉冲信号幅度与频率一定时,改变占空比影响基频信号幅度,导致驱动发射红外光的脉冲信号的基频分量幅度值发生变化,引起发射电流变化,影响接收灵敏度。占空比低于50%时,随着占空比的增加,基频分量幅度逐渐增加,接收灵敏度逐渐增大;占空比等于50%时,基频分量幅度最大,接收灵敏度最高;占空比大于50%时,随着占空比的增加,基频分量幅度逐渐减小,接收灵敏度逐渐减小,据此可以通过改变占空比调节光电开关传感器灵敏度。
顺应电气化的发展趋势，盖瑞特在60多年涡轮增压技术积淀的基础上研发的电动涡轮增压技术非常独特和领先。电动涡轮增压器内部集成了高速电动机，效率更高。在发动机起动的时候，电动机驱动增压器就立刻能够高速运转，发动机1 s之内即能达到90%的最大转矩，大幅减少涡轮迟滞，同时在废气能量过剩的时候还能够进行能量回收。
直流分量也受占空比的影响,直流分量与占空比成线性关系,直流分量的增加对信号电压的变化量不仅没有贡献,反而增大了红外发射二极管驱动电流,影响其信号电压的发光效率,从而降低了传感器灵敏度。实际应用中,为了减小直流分量的影响,占空比应选择在0<δ≤50%的范围内进行调节较合适。另外,研究占空比对脉冲信号的倍频谐波幅度的影响,对于分析高频干扰和进行电路设计也具有重要意义。
