傳感器-10光電傳感器(下)課件

第十章光電傳感器（下）

第四節(jié)光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器

從原理上講，光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器沒(méi)有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測(cè)距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離可達(dá)幾米至幾十米。

2/6/20231一、光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類

光電開(kāi)關(guān)可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射器和接收器相對(duì)安放，軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)有物體在兩者中間通過(guò)時(shí)，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)。遮斷型光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離一般可達(dá)十幾米，對(duì)所有能遮斷光線的物體均可檢測(cè)。

反射型光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射器和接收器單側(cè)安裝，當(dāng)有物體在光電開(kāi)關(guān)面前通過(guò)時(shí)，紅外光束被反射回來(lái)，接收器接收到紅外線，而產(chǎn)生一個(gè)正脈沖信號(hào)。反射型光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離一般不超過(guò)1m，對(duì)暗色物體無(wú)法檢測(cè)。2/6/20232

光電開(kāi)關(guān)外形2/6/20233遮斷型光電開(kāi)關(guān)示意圖遮斷報(bào)警2/6/20235遮斷式光電開(kāi)關(guān)原理ObjectReceiver遮斷式光電開(kāi)關(guān)由相互分離且相對(duì)安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測(cè)物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。被檢測(cè)物體光發(fā)射器光接收器2/6/20236遮斷型光電開(kāi)關(guān)用于人體保護(hù)2/6/20237光電開(kāi)關(guān)在產(chǎn)品檢驗(yàn)中的應(yīng)用遮斷型光電開(kāi)關(guān)用于產(chǎn)品質(zhì)量控制2/6/20239光幕兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)相對(duì)而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對(duì)發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。接收器2/6/202310光幕應(yīng)用當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起保護(hù)、預(yù)警等作用。光線被遮斷（報(bào)警）2/6/202311光幕應(yīng)用（續(xù)）

三維尺寸檢測(cè)寬度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量高度測(cè)量2/6/202313光幕應(yīng)用（續(xù)）木材外形截面積檢測(cè)2/6/202314光幕應(yīng)用（續(xù)）孔的檢測(cè)2/6/202315光幕應(yīng)用（續(xù)）光幕用于自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車輛檢測(cè)2/6/202317光幕應(yīng)用（續(xù)）鍛壓機(jī)床的安全區(qū)域設(shè)置及入侵報(bào)警2/6/202318光幕應(yīng)用（續(xù)）安全區(qū)示警2/6/202319反射型光電開(kāi)關(guān)反射型光電開(kāi)關(guān)分為兩種情況：反射鏡反射型及被測(cè)物漫反射型（簡(jiǎn)稱散射型）。

反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對(duì)安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光（波動(dòng)方向嚴(yán)格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。2/6/202321定區(qū)域反射式光電開(kāi)關(guān)原理

定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測(cè)區(qū)域，不經(jīng)過(guò)該區(qū)域的被測(cè)物體不會(huì)引起光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。檢測(cè)距離檢測(cè)距離2/6/202322反射型光電開(kāi)關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身2/6/202323反射鏡反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用塑料瓶的反射光不是偏振光，不會(huì)引起報(bào)警。2/6/202325反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用（續(xù)）反射鏡反射型檢測(cè)有無(wú)物體通過(guò)2/6/202326反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用（續(xù)）擺放錯(cuò)誤檢測(cè)2/6/202327調(diào)制型光電開(kāi)關(guān)原理光電開(kāi)關(guān)的LED多采用中頻（40kHz左右）窄脈沖電流驅(qū)動(dòng)，從而發(fā)射40kHz調(diào)制光脈沖。相應(yīng)地，接收光電元件的輸出信號(hào)經(jīng)40kHz選頻交流放大器及專用的解調(diào)芯片處理，可以有效地防止太陽(yáng)光、日光燈的干擾，又可減小發(fā)射LED的功耗。

2/6/202329被測(cè)物漫反射型光電開(kāi)關(guān)原理漫反射光線反射光線被檢測(cè)物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型光電開(kāi)關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測(cè)物體經(jīng)過(guò)該光電開(kāi)關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測(cè)物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。額定距離2/6/202330漫反射型光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用請(qǐng)思考如何將光電開(kāi)關(guān)用于衛(wèi)生間的自動(dòng)沖水設(shè)備2/6/202331反射型光電開(kāi)關(guān)外形電源指示信號(hào)指示2/6/202332反射型光電開(kāi)關(guān)外形（續(xù)）靈敏度調(diào)節(jié)電位器2/6/202333智能化自學(xué)習(xí)型光電開(kāi)關(guān)

常規(guī)反射型光電開(kāi)關(guān)的動(dòng)作距離是不變的（與型號(hào)有關(guān)），當(dāng)檢測(cè)流水線上的漫反射物體時(shí)，必須調(diào)節(jié)安裝距離，十分不方便。自學(xué)習(xí)型光電開(kāi)關(guān)上設(shè)置了一只閾值開(kāi)關(guān)，當(dāng)流水線上的被檢測(cè)物體到達(dá)光電開(kāi)關(guān)面前時(shí)，按下閾值開(kāi)關(guān)數(shù)秒，待“學(xué)習(xí)”指示燈閃亮停止后，內(nèi)部的微處理器就記住了兩者之間的距離，就能在一定的允許范圍內(nèi)，可靠地對(duì)之后來(lái)到的被檢測(cè)物體作出反應(yīng)。當(dāng)流水線上的被檢測(cè)品種改變時(shí)，只需再次“學(xué)習(xí)”，而不必調(diào)節(jié)機(jī)械安裝螺絲。2/6/202334智能化光電開(kāi)關(guān)的自學(xué)習(xí)過(guò)程示意圖閾值開(kāi)關(guān)學(xué)習(xí)指示燈設(shè)定距離安裝距離2/6/202335表面反射率對(duì)于漫反射式光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線需要被檢測(cè)物表面將足夠的光線反射回接收器，所以檢測(cè)距離和被檢測(cè)物體的表面反射率及粗糙程度將決定接收器接收到光線強(qiáng)度，被檢測(cè)物體的表面還應(yīng)盡量垂直于光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射光線。2/6/202336常用材料的反射率（相對(duì)于白紙的估計(jì)值）2/6/202337光電開(kāi)關(guān)的最大指向角示意圖2/6/202338光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）包裝分類檢測(cè)2/6/202339光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）IC引腳檢測(cè)2/6/202340光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）透明度測(cè)量、控制質(zhì)量檢測(cè)2/6/202341光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）加工控制2/6/202342光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）機(jī)械手定位2/6/202343光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）三角皮帶脫落檢測(cè)暖氣片高度差的測(cè)量2/6/202344光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）高度和步距檢測(cè)2/6/202345光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）QFP管腳排列的檢測(cè)構(gòu)件厚度的測(cè)量2/6/202346光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）機(jī)械手定位2/6/202347光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）集成電路方向檢測(cè)換向器間隙深度測(cè)量2/6/202348光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）商標(biāo)方向檢測(cè)2/6/202349光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）芯片厚度測(cè)量

根據(jù)高度差的測(cè)量可不受本底起伏的影響2/6/202350光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）產(chǎn)品長(zhǎng)度檢測(cè)2/6/202351光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用（續(xù)）產(chǎn)品組裝質(zhì)量檢測(cè)2/6/202352二、光電斷續(xù)器

光電斷續(xù)器可分為遮斷型和反射型兩種。遮斷型光電斷續(xù)器也稱為槽式光電開(kāi)關(guān)，通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)。其發(fā)射器和接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，兩者能可靠地對(duì)準(zhǔn)，為安裝和使用提供了方便。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生表示檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較可靠，較適合高速檢測(cè)。2/6/202353反射式光電

斷續(xù)器光電斷續(xù)器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、機(jī)電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器中。光電斷續(xù)器的發(fā)光二極管可以用直流電驅(qū)動(dòng)，亦可用40kHz尖脈沖電流驅(qū)動(dòng)；紅外LED的正向壓降約為1.1~1.3V，驅(qū)動(dòng)電流控制在20mA以內(nèi)。2/6/202354光電斷續(xù)器外形2/6/202355光電斷續(xù)器外形（續(xù)）2/6/202356光電斷續(xù)器外形（續(xù)）紅色光柱2/6/202357光電斷續(xù)器示意圖

接收器發(fā)射器槽遮光報(bào)警2/6/202358光電斷續(xù)器的應(yīng)用透明簿膜透明物上的標(biāo)記物檢出2/6/202359

齒盤每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，光電斷續(xù)器就輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)脈沖頻率的測(cè)量或脈沖計(jì)數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。光電斷續(xù)器的應(yīng)用（續(xù)）請(qǐng)寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式n=？n2/6/202360

當(dāng)工件經(jīng)過(guò)光電斷續(xù)器時(shí)，接收器即產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。光電斷續(xù)器的應(yīng)用（續(xù)）2/6/202361光電傳感器的其他用途注料檢測(cè)瓶蓋檢測(cè)2/6/202362其他光電傳感器外形2/6/202363光電傳感器的其他用途（續(xù)）閥門手柄位置檢測(cè)產(chǎn)品計(jì)數(shù)2/6/202364光電傳感器的其他用途（續(xù)）斷裂檢測(cè)電梯自動(dòng)運(yùn)行條件判斷2/6/202365光電傳感器的其他用途（續(xù)）進(jìn)出檢測(cè)磨床行程控制2/6/202366光電傳感器的其他用途（續(xù)）水位上下限控制液面檢測(cè)2/6/202367光電傳感器的其他用途（續(xù)）自動(dòng)注料物位檢測(cè)2/6/202368光電傳感器的其他用途（續(xù)）物體倒置辨別轉(zhuǎn)速檢測(cè)2/6/202369第五節(jié)CCD圖像傳感器及應(yīng)用

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡(jiǎn)稱CCD）具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?。CCD具有集成度高、功耗小、分辨力高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。本節(jié)簡(jiǎn)單介紹CCD圖像傳感器的原理及其應(yīng)用。2/6/202370MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片CCD的光敏元結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)電荷的原理

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彩色CCD顯微照片（放大7000倍）2/6/202372

CCD圖像傳感器的分類

1.線陣CCD外形

2/6/2023732.面陣CCD

面陣CCD能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

2/6/202374面陣CCD外形（續(xù)）200萬(wàn)和1600萬(wàn)像素的面陣CCD

2/6/202375面陣CCD外形（續(xù)）

2/6/202376面陣CCD外形（續(xù)）

2/6/202377CCD圖像傳感器的應(yīng)用

線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用

2/6/202378線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用

線陣CCD攝像機(jī)可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控

風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星可以對(duì)地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描2/6/202379線陣CCD用于字符識(shí)別2/6/202380CCD數(shù)碼照相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)簡(jiǎn)稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲(chǔ)器中。數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、取景器、對(duì)焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等，但比傳統(tǒng)相機(jī)多了液晶顯示器（LCD），內(nèi)部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門結(jié)構(gòu)也大不相同。

2/6/202381CCD用于圖像記錄

2/6/202382數(shù)碼相機(jī)的外形2/6/202383三基色分離原理

CCD數(shù)碼照相機(jī)的結(jié)構(gòu)2/6/202384數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)解剖圖

CCD及鏡頭2/6/202385CCD數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片2/6/202386CCD數(shù)碼攝像機(jī)

2/6/202387CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡(jiǎn)稱CMOS?，F(xiàn)在市售的視頻攝像頭多使用CMOS作為光電轉(zhuǎn)換器件。雖然目前的CMOS圖像傳感器成像質(zhì)量比CCD略低，但CMOS具有體積小、耗電量小、售價(jià)便宜的優(yōu)點(diǎn)。隨著硅晶圓加工技術(shù)的進(jìn)步，CMOS的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有望超過(guò)CCD，它在圖像傳感器中的應(yīng)用也將日趨廣泛。

2/6/202388CMOS視頻攝像頭

帶紅外LED照明的CMOS視頻攝像頭2/6/202389CMOS視頻攝像頭的外部結(jié)構(gòu)

2/6/202390CMOS視頻攝像頭的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2/6/202391紅外熱像傳感器的紅外攝像功能

不同的顏色和亮度代表不同的溫度

任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，內(nèi)部原子