1、,2020/9/2,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),檢測與傳送,第二章 檢測與傳送,2.1 光電開關(guān)與光電斷路器 2.2 激光傳感器 2.3 光柵傳感器 2.4 光纖傳感器 2.5 固態(tài)圖像傳感器 2.6 角度編碼器 2.7 超聲波傳感器 2.8 紅外傳感器 2.9 現(xiàn)代新型傳感器的發(fā)展趨勢,2.1 光電開關(guān)與光電斷路器,光電開關(guān)和光電斷路器都是由紅外發(fā)光二極管和光電接收器件組成的光電器件。按其工作原理，光電開關(guān)和光電斷路器幾乎無差別。 一般說來，光電斷路器的發(fā)光管的功率較小，檢測距離較近(幾毫米至幾十毫米)，其結(jié)構(gòu)多采用機(jī)電一體化整體結(jié)構(gòu)，采用直流供電； 光電開關(guān)的檢測距離的范圍大，從幾毫米至幾十米不等，其

2、紅外發(fā)光管的功率視距離的大小而不同，為防止外界干擾(包括陽光，電磁干擾等)，多采用紅外調(diào)制光源，供電源采用直流或交流供電。,1 光電斷路器及其應(yīng)用,1）光電斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電斷路器的輸入級，一般是砷化鎵(GaAs)發(fā)光二極 管，而輸出級的結(jié)構(gòu)和組成則不同。 按照結(jié)構(gòu)的不同，常分為槽型(或稱透射式)和反射型兩大 類，如圖所示。,光電斷路器，也稱光阻斷器，它是一種常見的光電傳感 器，也是一種光電開關(guān)。,按照輸出級的不同，除采用光電三極管外，還有達(dá)林頓輸出型和集成電路輸出型等，如圖所示。,圖(b)所示槽型光電斷路器，其輸出級的光電三極管和晶體三極管構(gòu)成的復(fù)合級，即達(dá)林頓輸出級，驅(qū)動能力較強(qiáng)

3、，可直接驅(qū)動小功率器件，如觸發(fā)可控硅小功率電動機(jī)或電磁繼電器等。 圖(c)電路的輸出級為集成電路型，由光電管(二極管或三極管)、放大器、整形電路、穩(wěn)壓電路和輸出放大級等組成，輸出波形好，驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動負(fù)載或后級電路。,透射型(槽型)光電斷路器工作原理, 紅外發(fā)光二極管的供電源采用穩(wěn)定的直流電壓，使流過管子 的工作電流保持在給定值； 所發(fā)射的紅外光通過槽口直射至光電管的窗口； 光電管將紅外光轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流(一般為幾毫安到幾十毫 安)； 當(dāng)槽口插入不透明物體(工件等)時，光路被阻擋，光電流變小 (暗電流約0.1A左右)，光電管幾乎呈截?cái)酄顟B(tài)。 根據(jù)流過光電管及其負(fù)載的電流大小，就可判斷有

4、無工件通 過槽口。,透射型(槽型)光電斷路器的發(fā)光器和受光器在溝槽兩側(cè)相 對放置，故又稱對射式光電斷路器。,反射型光電斷路器工作原理,反射型光電斷路紅外發(fā)光二極管與光電管成一定角 度或平排放置，中間無槽口； 當(dāng)被檢測的物體(工件)在器件外側(cè)移動時，發(fā)光管 發(fā)出的紅外光被物體表面反射，并被光電管接收、光 電轉(zhuǎn)換后，再加至檢測或識別電路。 這種斷路器不僅可檢測附近有無移動物體，還可 根據(jù)物體表面反射能力的大小用來檢測其上的標(biāo)記、 符號及條形碼等。,2）光電斷路器的外形和基本參數(shù),由于被檢測的物體形體、尺寸各不相同，檢測要求也各不相同，透射型(槽型)光電斷路器槽的寬度、深度、透光窗尺寸及輸出類型各不

5、相同，其外形尺寸和結(jié)構(gòu)有所不同。下圖是常見的槽型光電斷路器的外形、結(jié)構(gòu)。,槽型光電斷路器，由于其外形和結(jié)構(gòu)所限，它 的檢測范圍被嚴(yán)格地限制在槽內(nèi)，檢測距離較小， 一般為幾厘米。 反射型光電斷路器，由于采用光電一體化結(jié)構(gòu)， 加之發(fā)射的紅外功率較小，故檢測距離也較小。 通常，將功率較大、檢測距離遠(yuǎn)的器件，劃歸為 反射型光電開關(guān)。 光電斷路器的發(fā)端一般采用紅外發(fā)光二極管，輸 出級有光電三極管、達(dá)林頓輸出級和集成電路輸出 型等。 下表給出了透射型(槽型)光電斷路器的發(fā)端參 數(shù)和輸出參數(shù)。,對于反射型光電斷路器，其發(fā)端參數(shù)與槽型光電斷路器的基本相同，而反射型的光電流較小，響應(yīng)時間較慢。,3）光電斷路器的

6、特點(diǎn)和典型應(yīng)用,（1）光電斷路器的特點(diǎn) 基于光電斷路器的組成和結(jié)構(gòu)，它具有以下特點(diǎn)： 檢測是在非接觸方式下進(jìn)行，無損傷，安全可靠； 檢測范圍被限定在器件的槽內(nèi)(或近側(cè))紅外光路，外來光的干 擾小，定位精度高； 紅外光電轉(zhuǎn)換速度快，響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確； 光電斷路器與CMOS、TTL電路及晶體管電路連接簡單，匹 配好； 體積小，重量輕，易安裝。 由于光電斷路器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)流水 線、機(jī)電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備、家用電器和自動控制設(shè)備 中，特別適用于薄型或帶形材料的檢測，如金屬板材、木板、 合成板、印刷品、磁帶、紙張、塑料薄膜、食品袋的加工、檢 測和識別(色彩)中得到廣泛應(yīng)用。,（2） 光

7、電斷路器的典型應(yīng)用,將槽型光電斷路器安裝在剪床上，可對卷帶材料和板材進(jìn)行剪切加工，如圖所示。 在剪床前端加裝槽型斷路器，當(dāng)傳送來的板材將紅外光路遮住后，斷路器迅速動作，輸出開關(guān)控制信號，將傳送帶停下，剪刀壓板隨即滑下壓住板材，切刀下降將板料切下,槽型光電斷路器用于板材和卷帶材料的剪切,上述加工方法也可用于板材的沖壓落料加工，還可用來對卷帶材料、塑料板、木板、膠帶等進(jìn)行剪切加工，不僅加工準(zhǔn)確、自動化程度高，且安全可靠。,槽型光電斷路器用于卷帶材料的橫向走偏校正,卷帶材料在加工過程中，常因牽引力變化或厚度不勻容易 橫向走偏。在卷筒機(jī)上加裝槽型光電斷路器可構(gòu)成光電式橫向 走偏校正裝置，如圖所示。 圖

8、(a)中的PS1，PS2為加裝在卷材左、右兩側(cè)的槽型光電 斷路器。在卷材不走偏時，PS1，PS2的光束均被擋住，PS1， PS2均輸出低電平，與它們相連的負(fù)載電路呈“常開”狀態(tài)；當(dāng)卷 材向右偏時，左側(cè)的PS1的光束遮擋不了，發(fā)、收間形成光路， PS1動作，輸出高電平，經(jīng)負(fù)載(如繼電器等)轉(zhuǎn)換后，得到驅(qū) 動電壓u1。該電壓控制卷材的推拉桿，將桿左移，糾正卷帶； 當(dāng)卷帶偏向左時，則PS2輸出高電平，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電壓u2，將 推拉桿右移，使卷帶走正。 當(dāng)卷材被切斷后，PS1，PS2的兩條光路均不受遮擋， PS1，PS2均輸出高電平信號，二信號相與后，與門輸出u3控 制信號，將卷筒機(jī)電源切斷，卷筒無電自

9、停。,2 KP型光電斷路器及外電路連接,KPES 05P(N),KP ER 0lP(N),KP EG 02P(N)等型號。 型號中的KP表示為槽型器件; ES表示是紅外光源，05表示槽口距離，即檢測距離不大于 5cm； ER及表示發(fā)光源發(fā)出的是紅色光；EG表示綠色光源； 型號末端的P或N表示輸出電路的類別;N表示其輸出應(yīng)與 NPN型晶體管電路連接；P表示應(yīng)與PNP型管連接。 槽型光電斷路器的發(fā)光器T和受光器R分裝在檢測端槽口的 上、下兩側(cè)，相對設(shè)置，其內(nèi)部組成如圖所示。 它內(nèi)含光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)光器、受光器、放大器、光電調(diào)制電 路和開關(guān)輸出級等，外部有四根引出線。,國產(chǎn)槽型開關(guān)斷路器常見的有：,KP

10、型槽型光電斷路器可根據(jù)實(shí)際電路要求，選用N型(NPN型)連接，或P型(PNP型)連接。圖(b)所示的N型連接，棕線(1)接電源VDD，藍(lán)線(4)接VSS端。若需要在光路通時動作，負(fù)載RH接通，此時應(yīng)把RH接在黑線(2)與VDD之間，即所謂亮通；若需要光路遮擋時動作，負(fù)載RH應(yīng)接在綠線(3)與VDD之間。對于P型連接，其負(fù)載RH連接如圖(c)所示。 KP型槽型光電斷路器是在原三線式基礎(chǔ)上改進(jìn)為四線的，可方便地進(jìn)行亮通或暗，進(jìn)行常開或常閉選擇。,本電路如圖所示。它由槽型光電斷路器、語言發(fā)聲電路等組成。 槽型光電斷路器安裝在抽屜背后，其槽口的插匙擋板固定在抽屜后板處，與斷路器的槽口相對，平時擋板正好

11、插入槽口中央，如圖(b)所示。,圖(a)為防盜報(bào)叫電路圖。S為電路供電開關(guān)，推進(jìn)抽屜的將 S合上，電路通電; 槽型光電斷路器IC1的發(fā)光二極管發(fā)出紅外光。由于擋板的 插入，將光路遮擋，IC1的受光器得不到光照呈高阻(幾兆歐)， a點(diǎn)呈高電平(接近VDD)，VT1(PNP型)截止;與其相接的IC2無電 不工作; 當(dāng)有人撬屜拉出抽屜時，擋板隨即離開斷路器的槽口，紅外 光路不再被遮擋，光電三極管受到光照，將光信號轉(zhuǎn)換成電信 號，光電流達(dá)十幾毫安，光電三極管呈低電阻，a點(diǎn)呈低電 平，使VT1飽和導(dǎo)通，IC2得電并觸發(fā)，隨即發(fā)出報(bào)警信號。, IC2采用LH169A系列語言集成電路，這是一種CMOS大 規(guī)

12、模集成器件，內(nèi)儲各種語音信號。選用內(nèi)儲“抓賊呀”語音 的器件，它一旦得電并觸發(fā)，便迅即播出內(nèi)儲的信號，經(jīng)VT2 放大后，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出“抓賊呀”的報(bào)叫聲。 LH169A的工作電壓為2.45v，典型電壓為4.5v，靜態(tài) 下耗電甚微，其靜態(tài)電流Isb1A。LH619A采用片狀黑膏 軟封裝，外形尺寸為24mm135mm，安裝方便; 調(diào)節(jié)外接的振蕩電阻器R4的電阻值，可改變其語音的頻率 和音調(diào)。阻值大，聲音慢而低沉，阻值小，聲調(diào)高而快。 IC1選用槽型光電斷路器，如GP1501，GP1S05型或 MSA9010型等，其輸出級均為光電三極管；VT1，VT2分別選 用小功率三極管9012(PNP型)，90

13、13(NPN型)， B采用小體積 的內(nèi)磁式揚(yáng)聲器，如YD50-1型等。,3 采用反射式光電斷路器的計(jì)數(shù)器電路,如圖所示。 它由反射式光電斷路器、整形電路、計(jì)數(shù)譯碼電路和顯示電路等組成。, IC1為反射式光電斷路器TLP903，輸入級為紅外發(fā)光二極 管，輸出級為光電三極管型。 當(dāng)被檢測的物件接近光電斷路器時，發(fā)光管發(fā)出的紅外光 被物件反射，并由光電管接收，光電管將光能轉(zhuǎn)換成光電流， 其收集極電流達(dá)十幾毫安，其發(fā)射極輸出高電平脈沖，經(jīng)VT1 倒相放大和施密特反相器F1(16CD40106)整形后，加至IC3 的CP端。 IC3IC5為三只十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)譯碼鎖存驅(qū)動器集 成電路CD40110，將IC

14、3IC5接成三級加計(jì)數(shù)電路。C1、 R26微分電路用于電路加電時對IC3IC5自動清零。SA為手 動清零開關(guān)。, CD40110為LE的鎖存控制端，TE為觸發(fā)控制端，接低電平 (VSS)使電路呈計(jì)數(shù)狀態(tài)。CP端為脈沖觸發(fā)端，上升沿有效， 其CP端每加來一個上跳變脈沖，經(jīng)IC3IC5計(jì)數(shù)、譯碼后， 分別加至IC6IC8共陰極數(shù)碼管的ag相應(yīng)端，顯示累計(jì)的計(jì) 數(shù)值。 當(dāng)反射型光電斷路器IC1所監(jiān)測的傳送帶無物件(工件)傳過 時，IC1的光電管呈靜態(tài)，輸出呈低電乎，VT1截止，IC3的CP 端無脈沖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，顯示電路保持原來的顯示數(shù)字。 待再有物件傳送時，再累計(jì)計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)為999。 若待

15、計(jì)的物件超過999，在本電路基礎(chǔ)上，可再級聯(lián)多級計(jì) 數(shù)和顯示電路，計(jì)數(shù)、顯示原理相同。 IC1選用反射型光電斷路器了LP903，LP908或ON2502， P2058型等，其輸出級均為光電三極管型。,4 光電開關(guān)及其應(yīng)用,光電開關(guān)與光電斷路器都是光電轉(zhuǎn)換(傳感)器件，初級是紅外發(fā)光二極管，輸出級為光電三極管、達(dá)林頓型管或光電集成電路等。 從原理上講，光電開關(guān)與光電斷路器無多大區(qū)別，但光電開關(guān)的檢測距離較大、從幾厘米到十幾米；在結(jié)構(gòu)上，光電開關(guān)不像光電斷路器完全是整體結(jié)構(gòu)，也可以是發(fā)、收分開的。 1）光電開關(guān)的分類和工作方式 光電開關(guān)可按其結(jié)構(gòu)、光的傳感方式、光的接收方式、光的發(fā)、收方式等分類，

16、有不同的分類或工作方式。, 圖(a)為槽型光電開關(guān)，它的槽口兩側(cè)分置發(fā)光二極管和光 接收器。發(fā)光器有紅外發(fā)光管和可見光發(fā)光管，光接收器可分 為光電三極管、達(dá)林頓型光電管和集成電路型等。在槽口無阻 擋下，光路直通，光電開關(guān)呈“亮通”狀態(tài)(Light ON)；當(dāng)被檢 測物件插入或通過槽口時，光路被遮擋，光接收器得不到光照 呈高阻(1M以上)，光電管只有暗電流(約1A或更低)，呈截 止?fàn)顟B(tài)，即處于暗態(tài)(Dark ON)。槽型光電開關(guān)從亮態(tài)到暗態(tài) 的變化時，開關(guān)輸出一個開關(guān)控制信號，完成一次開關(guān)動作。 圖(b)是由兩地分離的發(fā)光器和光接收器組成的光電開關(guān)， 這種發(fā)、收控制稱為對射分離式光電開關(guān)。發(fā)、收

17、距離可長 (幾十米)、可短(幾十厘米)，視實(shí)際檢測場所或物件而定。當(dāng) 被檢測物件通過時，光路被遮擋，光接收器就輸出一個開關(guān)信 號，完成一次控制動作。,5 光電開關(guān)的分類和工作方式,光電開關(guān)可按其結(jié)構(gòu)、光的傳感方式、光的接收方式、光的發(fā)、收方式等分類，有不同的分類或工作方式。, 圖(c)所示的光電開關(guān)為機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，在其前方安放一 塊反光板，利用光反射原理實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和控制。在無被檢測 物件下，反射光路暢通，光電接收器呈導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)被檢測物 件通過將光路遮擋時，光電管收不到反射光，接收狀態(tài)變化， 光電開關(guān)動作，完成一次控制轉(zhuǎn)換。 圖(d)為擴(kuò)散反射式工作方式，在前方無被檢測物件時，發(fā) 射管發(fā)出

18、的光向前方散開，光接收器收不到光信號，處于靜 態(tài)；當(dāng)檢測物件通過時，光被阻擋并將光反射至光接收器，經(jīng) 放大、處理后，光接收器輸出一個開關(guān)控制信號，實(shí)現(xiàn)一次開 關(guān)轉(zhuǎn)換。, 圖(e)為聚焦式檢測工作方式，用于定點(diǎn)精測檢測，如產(chǎn)品 標(biāo)志的識別等。它是在檢測頭的前方放置一個光學(xué)透鏡，使光 在特定的距離上聚焦，聚焦光斑可小至0.5mm左右。當(dāng)被檢測 物件在通過該聚焦點(diǎn)，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信 號。 圖(f)是采用光纖式光電開關(guān)和光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)傳輸光波 和進(jìn)行檢測的傳輸方式。光纖式光電開關(guān)是光電開關(guān)系列中的 一類，由于光纖和光纜的廣泛應(yīng)用，這類開關(guān)發(fā)展迅猛，品種 日益增多。光纖式光電開關(guān)

19、可分為對射式、反光極反射式、擴(kuò) 散反射式等類型；使用的發(fā)光源有紅外光，也有可見光。,6 光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)類型和主要功能,光電開關(guān)有不同的分類方式，有按其結(jié)構(gòu)分類的，有按工作原理分類的 。,(1)槽型光電開關(guān) 槽型光電開關(guān)，也稱溝型光電開關(guān)。它與前面介紹槽型光 電斷路器的工作原理類同，但其槽口溝距)距離可從幾毫米 到幾十厘米，比槽型光電斷路器要大。 (2)圓柱型光電開關(guān) 這類開關(guān)的最大特點(diǎn)是安裝、使用方便、靈活，可使用在 各種自動控制場合，通用性強(qiáng)。 (3)扁方型和薄型光電開關(guān) 扁方型光電開關(guān)的外形如圖(c)所示。它的外形呈矩形體， 外殼采用工程塑料。發(fā)光源均采用紅外光(ES)，檢測距離小至 幾厘

20、米，遠(yuǎn)至10m左右。供電源為交流、直流兩用。 (4)長方形光電開關(guān) 圖(e)為長方型光電開關(guān)的外形，其形體比扁方型(KF)的 大，殼體材料為塑料。所用光源為紅外光(ES)，檢測距離小至 50cm，遠(yuǎn)至10m左右，適于檢測車輛、包裝品、集裝箱等大 型物件。常見的有KE型和N型等。,(5)聚焦式光電開關(guān) 圖(f)為聚焦式光電開關(guān)，其外型與長方型光電開關(guān)的N型 基本相同，但從檢測頭只看到一個檢測頭(透鏡)。它的發(fā)光源 有紅色(ER)和綠色(EG)可見光。檢測距離一般較近，15mm， 25mm兩種。由于檢測頭內(nèi)有聚光透鏡，適用于檢測精細(xì)物件和 彩色標(biāo)記等的識別、檢測，如傳送帶上物件的計(jì)數(shù)、位置檢 測、

21、標(biāo)志的識別、薄板、薄帶的傳送、監(jiān)測等。 (6)光纖式光電開關(guān) 圖(g)為光纖式光電開關(guān)的外形，與長方型的N型光電開關(guān)相 似，但除開關(guān)本體外，還有通過光纖連接的發(fā)光頭和受光頭， 故光纖式光電開關(guān)又稱為光分離型光電開關(guān)。光電開關(guān)的檢測 端有接插光纖的小孔、螺紋管或插座。發(fā)光源可分為紅外光(ES) 和紅色可見光(ER)兩種，檢測距離較小，在2mm-150mm范 圍。 由于傳輸光纖的線徑小、重量輕、傳輸頻帶寬、耐腐蝕、 抗干擾能力強(qiáng)，光纖式光電開關(guān)在通信、遙控、位置檢測等領(lǐng) 域有廣泛的應(yīng)用。,具有亮通和暗通的光電隔離的固態(tài)繼電器輸出的光電開關(guān)電路,具有輸出短路保護(hù)電路舶光電開關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)短路或過載時，輸

22、出三極管VT被關(guān)斷，穩(wěn)壓二極管VDW也起保護(hù)作用。VT接成集電極開路形式。,具有一定的自診斷功能是指對于工作環(huán)境變化(如塵埃粘 附于透鏡或窗口、受背景光干擾、由振動導(dǎo)致的光軸的偏移等) 不應(yīng)影響其主要功能(即光電開關(guān)的指標(biāo)有多余度)，其表示正常 工作的指示燈(綠色)應(yīng)點(diǎn)亮。若環(huán)境變化超過給定范圍造成不穩(wěn) 定時，綠色指示燈滅后，應(yīng)能給出自診斷信號。,2.2 激光傳感器,2.2.1 激光干涉測長,由計(jì)數(shù)值k根據(jù)左式就可計(jì)算出被測位移l,邁克爾遜干涉測長原理,三維激光干涉儀,激光干涉儀,2.2.2 激光跟蹤空間坐標(biāo)測量,目標(biāo)鏡 （貓眼逆反射器）,測量原理,激光跟蹤干涉儀,2.3 光柵傳感器,2.3.

23、1 光柵傳感器的組成、種類及結(jié)構(gòu), 透射光柵與反射光柵, 長光柵與圓光柵,2.3.2 莫爾條紋的形成原理及特點(diǎn), 對應(yīng)關(guān)系 一個柵距變化對應(yīng)一個莫爾條紋變化, 放大作用 , 平均作用,特點(diǎn)：,光柵尺,光柵讀數(shù)頭,2.4 光纖傳感器,物性型光纖傳感器測量壓力,2.4.1 物性型光纖傳感器,2.4.2 結(jié)構(gòu)型（傳光型）光纖傳感器,傳光型光纖傳感器測量位移,激光多普勒測速,光纖測頭,2.5 固態(tài)圖像傳感器（CCD）, 零件尺寸、形狀、以及物位等的檢測 作為自動控制、檢測系統(tǒng)中的敏感器件 作為光學(xué)信息處理裝置的傳感元件 作為機(jī)器人的視覺,主要應(yīng)用,攝像頭,SHARP公司生產(chǎn)的CCD,零件尺寸檢測系統(tǒng),熱軋鋁板寬度檢測系統(tǒng),2.6 角度編碼器,2.6.1 脈沖式編碼器,2.6.2 絕對式光電編碼器,2.7 超聲波傳感器,超聲波的特點(diǎn)：, 頻率高、波長短、能量大、穿透力強(qiáng)； 方向性好，遵循幾何光學(xué)的基本規(guī)律； 在固體、液體介質(zhì)中傳播時的衰減小。,2.7.1 超聲波的發(fā)生與接