基于光纤无盲区的光幕研究

摘要：在工业制造中，事故频发的设备主要为冲剪IE机械设备等，一旦操作人员疏忽大意，将手或者身体其他部位进入或停留在模具运动区，将对人身带来严重威胁。光幕在工业生产中，对人身安全的保护极为重要，但现有的光幕基本都存在盲区。本文利用激光与光纤耦合以及光纤自身耦合特性，同时利用光纤体积小，灵活性强的特点，采用并排排列光纤，使之消除盲点。通过实验证明，该实验能准确，可靠的实现无盲区的光幕实验系统。

关键词：光幕 光纤 激光传输 硅光电池 无盲区

中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）03-0000-00

随着人们对工业自动化越来越重视，出于对“安全”设计和安全装置的考虑，工业生产逐渐积淀了深入人心的工业人文精神和“以人为本”的思想精髓[1]。在工业制造中，事故频发的设备主要为冲剪IE机械设备等，它们简单的机械操作需不断重复且动作单一，并伴随着大噪声，易使操作者产生厌倦情绪，使其难以注意力集中一旦操作人员疏忽大意，将手或者身体其他部位进入或停留在模具运动区，将对人身带来严重威胁。按照各媒体所报道的比率估算，全国有超过一百万台冲床，其中近九成是会伤人的中小型冲床，每年可能被冲残手的人数起码为40到60万人[2-3]。

针对目前情况，本文利用光纤研制出无盲区的光幕，相对传统红外光幕的优势：（1）系统结构简单，性能稳定，操作方便；（2）相对传统红外光幕，光纤光幕没有盲区。

1基本原理

并排紧密的排列相对20根光纤，使其成为光纤的发射端与接收端，这样可以去除光幕中的盲区。

选择合适的激光器使之打出发散光束，与并排排列的发射一端多根光纤耦合，光纤发射端头与接收端头通过光纤打磨融合技术[4]，使之能够更好的接受传递光束，接收光纤另一端与硅光电池连接，使光信号转变为电信号，通过后续开关电路使其成为安全可靠无盲区的光幕系统，当有物体阻碍光线传播，开关电路中继电器跳开。该过程可以用图1表示。

光束传播 发射，接收

发 光束

散 传播

光

光信号转变电信号

图1 整体实验流程图

2光线与激光器耦合条件

为满足光纤中的全反射条件，入射光束的最大入射角必须在数值孔径决定的范围内[5]。另外，欲使光束约束在纤芯内，入射光束在光纤端面上的尺寸必须小于芯径，如图2所示。

图 2 光纤耦合条件

即激光与光纤的耦合需满足以下的匹配条件：

（1）

（2）

其中为聚焦光斑直径，为光纤芯径，为聚焦光束的最大入射角度，NA为光纤的数值孔径，在激光技术中常用BPP（光束参数乘积因子）来描述激光器的光束质量，其定义为：

（3）

式中为束腰半径，为光束远扬发散角（半角）。

3光纤自身研磨球形透镜

本文采用1mm塑料单模光线，通过自身熔点来在光线一端制作球形透镜。

用机床在方型的铁块上车出直径为1mm的球形孔槽，利用DS18b20制作温度监控系统，使之检测铁块的温度。把光纤的一端放入铁块的球形孔槽中，加热铁块，检测温度使其达到光纤熔点，这时取出光纤放入水中使其固定成前端球形因此制作成自己的球形透镜。在相同条件下平面端头光纤和球形端头光纤光束传播使之转变为电信号对比如表1。

平面端头光纤

球形端头光纤

硅光电池转化电信号强度

22mv

55mv

表 1 硅光电池接收两种不同端头光纤光束并转化电信号强度对比

4光纤光幕接收驱动开关电路

当硅光电池转化为电信号后[6]，通过后续放大电路，再与电压比较器连接使之输出高低电平，比较器输出端再连接继电器[7]，当有物体通过光幕时候，硅光电池转化电信号强度小于比较器的基准电压，使之输出低电平，从而继电器跳开，这样就制作成一个简单的开光电路。如图3所示。

图3 硅光电池驱动电路与光纤光幕接收设计电路

5结语

本文对利用光纤实现无盲区光幕的思想加以介绍，同时论述了激光器与光纤耦合的条件，并阐述了光纤端头制作球形透镜的方法，以及光纤光幕接收电路的搭建。通过实验表明，光纤光幕结构简单，性能稳定，并且相对红外光幕是无盲区安全光幕。

参考文献

[1]王太勇，乔志峰，韩志国 等.高档数控装备的发展趋势[J].中国机械工程，2011，22（10）：1247-1252.

[2]刘爱华.冲床自动保护装置的设计[J].传感器技术，2005.24（9）：56-62.

[3]Jinhua Mi，Yanfeng li，haiqing li，etal. Reliability Analysis of CNC Hydraulic

SystemBased on Fuzzy Fault Tree[C].International Conference on Quality，

Reliability，Risk，Maintenance，and Safety Engineering （ICQR2MSE），2011：208-212.

[4]赵英发，张全，唐海青.平端光线与锥端球透光线耦合.光子学报，2003.32（2）：218-221.

[5]赵勇，李鹏生 等.半导体激光器与单模光线耦合效率的分析.光学技术，1999，6，P7-10.

[6]张玮，杨景发，闫其庚.硅光电池特性的实验研究[J].实验技术与管理，2009：227-234.

[7]童诗白，华成英 主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2000年.

收稿日期：2016-01-05

作者简介：吕健威（1989一），男，吉林白山人，硕士研究生，研究方向：传感，检测方向。职称：学生；孙海波（1991一），男，辽宁朝阳人，硕士研究生，研究方向：仪器仪表，检测方向。职称：学生。

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