機電系統(tǒng)控制2課件

2023/2/6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)。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0.1μA左右)，光電管幾乎呈截斷狀態(tài)。根據(jù)流過光電管及其負載的電流大小，就可判斷有無工件通過槽口。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)。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）光電斷路器的特點和典型應(yīng)用

（1）光電斷路器的特點基于光電斷路器的組成和結(jié)構(gòu)，它具有以下特點：

檢測是在非接觸方式下進行，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特優(yōu)點，它被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)流水線、機電一體化設(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行剪切加工，如圖所示。在剪床前端加裝槽型斷路器，當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、膠帶等進行剪切加工，不僅加工準確、自動化程度高，且安全可靠。2KP型光電斷路器及外電路連接

KP－ES－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型槽型光電斷路器可根據(jù)實際電路要求，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，藍線(4)接VSS端。若需要在光路通時動作，負載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，負載RH應(yīng)接在綠線(3)與VDD之間。對于P型連接，其負載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)上改進為四線的，可方便地進行亮通或暗，進行常開或常閉選擇。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，平時擋板正好插入槽口中央，如圖(b)所示。◆

IC2采用LH—169A系列語言集成電路，這是一種CMOS大規(guī)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)動揚聲器發(fā)出“抓賊呀”的報叫聲。◆

LH—169A的工作電壓為2.4～5v，典型電壓為4.5v，靜態(tài)下耗電甚微，其靜態(tài)電流Isb＜1μA。LH—619A采用片狀黑膏軟封裝，外形尺寸為24mm×13．5mm，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GP—1501，GP—1S05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)，9013(NPN型)，B采用小體積的內(nèi)磁式揚聲器，如YD50--1型等。3采用反射式光電斷路器的計數(shù)器電路如圖所示。它由反射式光電斷路器、整形電路、計數(shù)／譯碼電路和顯示電路等組成?！?/p>

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(1／6CD40106)整形后，加至IC3的CP端。◆

IC3～IC5為三只十進制加減計數(shù)／譯碼／鎖存／驅(qū)動器集成電路CD40110，將IC3～IC5接成三級加計數(shù)電路。C1、R26微分電路用于電路加電時對IC3～IC5自動清零。SA為手動清零開關(guān)。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，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)(LightON)；當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(1MΩ以上)，光電管只有暗電流(約1μA或更低)，呈截止狀態(tài)，即處于暗態(tài)(DarkON)。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)、收距離可長(幾十米)、可短(幾十厘米)，視實際檢測場所或物件而定。當被檢測物件通過時，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)出的光向前方散開，光接收器收不到光信號，處于靜態(tài)；當檢測物件通過時，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，用于定點精測檢測，如產(chǎn)品標志的識別等。它是在檢測頭的前方放置一個光學透鏡，使光在特定的距離上聚焦，聚焦光斑可小至0.5mm左右。當被檢測物件在通過該聚焦點，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)可分為對射式、反光極反射式、擴散反射式等類型；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。

(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)，檢測距離小至幾厘米，遠至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，適用于檢測精細物件和彩色標記等的識別、檢測，如傳送帶上物件的計數(shù)、位置檢測、標志的識別、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，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

具有輸出短路保護電路舶光電開關(guān)。當出現(xiàn)短路或過載時，輸出三極管VT被關(guān)斷，穩(wěn)壓二極管VDW也起保護作用。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)的指標有多余度)，其表示正常工作的指示燈(綠色)應(yīng)點亮。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激光干涉測長由計數(shù)值k根據(jù)左式就可計算出被測位移Δl

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激光跟蹤空間坐標測量目標鏡（貓眼逆反射器）測量原理激光跟蹤干涉儀2.3光柵傳感器2.3.1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■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：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■作為光學信息處理裝置的傳感元件■作為機器人的視覺主要應(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：■頻率高、波長短、能量大、穿透力強；■方向性好，遵循幾何光學的基本規(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)生與接收超聲波探頭2.7.2超聲波傳感器的應(yīng)用穿透法探傷反射法探傷超聲波探傷儀超聲波測厚儀超聲波測厚超聲波測液位超聲波液位計超聲波流量計倒車雷達2.8紅外傳感器

紅外檢測利用的