光电信息技术课程项目—新型红外安全光幕
评分：_________
SHANGHAI UNIVERSITY
课程论文
COURSE PAPER
论文题目：新型红外安全光幕
学生姓名：陈璐
学号：12122577
专业：通信工程
课程：光电信息技术
任课老师：商娅娜
日期：2015.1.2
新型红外安全光幕
姓名：陈璐
日期：2015.1.2
摘要：红外安全光幕是一种区域防护技术，本文的主要内容是新型红外安全光幕的简介，主要包括整
个安全光幕的研究背景及现状、安全光幕系统的结构与原理、同步扫描设计、光学系统设计、安全光幕
的应用以及所遇见的问题。最后附上简单的学习小结并给出自己的感悟和展望。
关键词：安全光幕研究原理应用
New infrared security screens
Abstract:Infrared light curtain is a regional security protection technology, the main contents of this paper is an
introduction to new infrared security screens, including research background and current situation of the entire
security screens, structure and principles of the safety light curtain systems, synchronous scan design, optical
system design, the application of security screens and found problems. Finally, attach a simple summary of
learning and gives my insights and outlook.
Key W ords：Safety Light Curtains Research Scientific principles Application
1. 引言
进入21世纪之后，随着科学的不断发展，为了能更好地保障人们出行以及工作环境的安全，红外安全光幕开始迅猛发展。并且目前其实际应用也非常的多，比如在电梯里、机械设备中等等。新型红外安全光幕的核心部分就是安全光幕这一部分，其主要由红外发射模块、红外接收模块、安全控制模块三部分组成[4]。本文将简要介绍这同步扫描设计原理及部分电路，光学系统设计。这里也将涉及到本学期所学的部分光学知识，可谓是学有所用，将理论知识运用于实践正是我们学习的最终目标。然后会简要介绍安全光幕在电梯中的运用，有了它使人们的出行更加安全，由此可见这种先进技术在人们生活中的重要性。最后将结合实际做个小结，学有所悟，对于新型红外安全光幕存在的问题提出自己解决方案。
2. 研究背景
在现代社会中，有很多大型工厂都采用高科技机器流水线工作，人与机器协同工作，在一些具有潜在危险的机械设备上，易造成作业人员的人身伤害。比如在需要不断送取料的冲压设备上，如果安装接触式安全防护门，则需要操作人员频繁地开关防护门，这样不但增加了操作人员的工作量，而且降低了生产效率。在这种情况下，采用光栅和光幕就是最佳的选择。在操作人员送取料时，只要有身体的任何一部分遮断光线，就会导致机器进入安全状态而不会给操作人员带来伤害[1]。又比如在生活中，电梯安全也日趋成为人们关注的问题。再比如随着现代商业的发展，物流行业正是现如今新兴的热门行业，红外光幕技术也运用于其中以保障其物流装备安全，如下图所示。
红外安全光幕是现代新发展起来的一种光电安全保护技术, 利用红外检测技术实现区域性的安全检测,具有检测精度高、检测距离远、操作简便实用、响应速度快等特点。安全光幕在电梯、防盗、加工中心外防护、流水线防护等许多领域都有非常广泛的应用。
3. 研究现状
光幕的安全等级由高到低可以分为4、3、2、1、B共5个级别，级别的划分主要参考国际标准，也有部分产品参考的是欧洲或者北美的安全设备标准。目前使用的较多安全监测性能较好的光幕产品主要是来自国外厂家，比如德国的Leuze、Sick,美国的Banner、Honeywell，日本的OMRON、神视。其产品的距离最远达15m，最高达2.5m，最小直径可达14mm，安全级别符合4级以上。我国在近些年在该技术上也有所成就，如山东济宁莱恩光电科技设计出达4级安全标准的光幕，并已经推广到市场。新型红外安全光幕提出了同步扫描工作模式，从根本原理上消除相邻通道之间的相互干扰问题。近年来新型的柱面镜安全光幕设计也在实际应用中取得较大突破，从而进一步提高了现有光幕的检测精度。
4. 安全光幕的结构及原理
结构：整个安全光幕系统可以分为三大部分：红外发射模块、红外接收模块以及安全控制模块。发射模块负责输出调制过的红外光信号；接收模块按照同步扫描模式接收调制光信号并将其放大、滤波及解调；安全控制模块判断接收模块的输出信号，通常选择用单片机来实现。
原理：光幕的一边等间距安装有多个红外发射管，另一
边相应的有相同数量同样排列的红外接收管，每一个红外
发射管都对应有一个相应的红外接收管，且安装在同一条
直线上。当同一条直线上的红外接收管之间没有障碍物时，
红外发射管发出的调制信号（光信号）能顺利到达红外接
收管。红外接收管接收到调制信号后，接收单元发出正常
信号，而在有障碍物的情况下，红外发射管发出的调制信
号（光信号）不能顺利到达红外接收管，此时接收单元立
即输出报警信号，如右图[4]。
5. 同步扫描设计
同步扫描工作模式可谓是整个系统里面相当重要的环节，如若没有这个模块，红外安全光幕在应用上就会受到很大的限制。传统的安全光幕收发双方均由电子电路产生同步时序脉冲，发射模块，
接收模块以及控制模块必须有导线连接实现信号的传送，而在收发距离远或者现场布线困难的场合，就很难实现其功能。所以现在新型红外安全光幕在这上面就有很大的改进。
新型红外安全光幕采用光触发同步模式，具体结构图如图所示。主要由红外线接收端、发射端和各自独立的内部控制电路组成。其优点可以从下面3个方面阐述：①发射端等间距的安装有若干
个红外发射管，对应的接收端也安装有相同数
量相同顺序的红外接收管，管子的数量要根据
实际应用而定，也就是说检测光束数目可变，
设计灵活性增强。②红外发射端并不是同时发
出多路光线，而是采用扫描的方式依次发送，
首先要首先收发双方时序同步，然后从第一个
发送-接收级开始，依次逐个扫描，每次扫描
单元内只有一个通道在工作。这就意味着每个
通道工作是独立的，可以从根本上消除通道之间的干扰，增加产品的准确性和安全性。③由单片机分别控制发射-接收端，两个单片机之间设置同步信号以实现工作步调一致。利用软件编程来实现，既方便又可靠，可谓是省时省力。
6. 光学系统设计
前面也讲到过了，新型的柱面镜安全光幕已经取得很大的突破，中国在这方面也已经取得了相关的专利。相比于传统的安全光幕中的光学透镜设计，新型的柱面镜就先进很多。它从根本上解决传统光通过透镜在远距离传输上损耗大的问题，还有就是减小了级间串扰，消除了探测盲区。
7. 安全光幕的应用
最近看到一种安全光幕系统应用名叫3D电梯安全光幕系统，这种应用主要用在电梯开关门中，以保证乘客安全。相比于传统的2D电梯光幕（比如现在学生宿舍里的电梯），3D电梯更加先进，不过其工作原理也是建立在安全光幕原理之上。传统2D电梯在门快要合拢的时候往往需要用手去遮挡电梯门[2]。而3D电梯光幕是指电梯光幕对电梯门的一个三维保护，对门外的人或者物进行趋势检测，提前输出控信号，电梯为即将进入的乘客开门，这样说着有点自动门的感觉。这种电梯光幕大大提高了电梯的安全性能。虽然现在这种应用还不是很广，但是该种系统将是电梯门保护装置的未来发展趋势。
下面我想说说这里面我比较感兴趣的两个原理：第一个
是3D电梯光幕的基本原理，当然大部分内容是我参考文献消
化总结所得，原理图如右。该光幕是一种电气式电梯门保护
装置，主要由红外发射模块，红外接收模块、3D检测模块和
信号处理模块构成。前两个模块安装在电梯门的两侧，检测
模块安装在电梯门顶部，各个模块依靠相互通信实现对电梯
门区域检测。一旦有人进入该检测区域3D电梯光幕输出信号
提供给电梯控制系统从而控制电梯门开或者关。
第二个就是前面提到的3D检测模块的工作原理。我觉得
这个模块是整个系统的灵魂，正因为有了这个模块才能使这个系统得以立体化。其工作原理图如下
图所示。3D检测模块主要感应电梯门前的人或
者物体，其核心技术是热释电技术。所以该模
块会用到热释电红外探测器，它由右图中的菲
涅尔透镜、热释电红外传感器、专用信号处理
器共同构成。人体辐射的红外线能量信号先经
过菲涅尔透镜聚焦，再经过热释电红外传感器
输出脉冲信号，最后经放大滤波，由电压比较
器输出将最终门控信号输出给单片机。接下来
单片机与二维红外光幕的单片机通信给电梯提供一个开关门信号。
由此可见，3D电梯光幕系统相比于传统光幕系统更加地人性化，智能化。
8.小结
安全光幕由于它所用场合的特殊性，所以我们所研究的安全光幕在每个工作环节都要极其的精确，我们所要求的理想状态是不出现任何错误，时时刻刻保护人们的人身安全。但是现实中是不可能实现的，我们只能将伤害几率降到最小，目前世界各国所研究出来的安全光幕产品有部分国家已经达到4级水平，已经相当高了。但是越好的仪器成本越高，这是毋庸置疑的，而大部分普通工厂很难去承受这样昂贵的价格。所以我想说在未来的先进科技发展道路之上能不能设计出一款成本低安全系数高的安全光幕，我觉得这是现在需要解决的问题之一。另外在同步检测系统上我认为还可以设置一个自我校准系统，因为再精密的仪器在使用过程中都会产生小的误差，随着时间的积累很可能会造成检测不同步，这是我想要提出的第二个问题。通过自学新型红外安全光幕，自己不仅在知识上有所收获，同时感觉到科学研究也是一项伟大而又神圣的事情，我们的付出带来的是人民的生活质量越来越好，生活环境越来越安全。
参考文献
[1]韩超,杨永才,吕玮阁. 新型红外安全光幕的研究与实现[A]. 《仪器仪表学报》杂志社、中国仪器仪表学会、
电子科技大学、《电子测量技术》、《国外电子测量技术》.2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集（二）
[C].《仪器仪表学报》杂志社、中国仪器仪表学会、电子科技大学、《电子测量技术》、《国外电子测量技
术》:,2007:4.
[2]李东. 3D电梯光幕保护系统[D].广东工业大学,2012.
[3]陈杰，秦荪榛，徐寅林. 光触发同步的安全光幕设计和实现,南京师范大学学报(工程技术版),2013年06
月20.
[4]杨永才，何国兴，马君山.光电信息技术，东华大学出版社，2009年4月：224-230
[5]凌秀泽，孔逸敏，徐寅林.窄脉冲调理及光路同步识别的安全光幕电路.自动化仪表，2012,33（10）：46-48.
[6]Anon. Light curtain protects machinists[J]. Institution of Mechanical En gineers,2006,14(6):48-49.