光電探測(cè)器件典型應(yīng)用

光電探測(cè)器件典型應(yīng)用第1頁/共34頁長(zhǎng)度量光電測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例二、鋼板寬度的非接觸自動(dòng)測(cè)量

（大尺寸檢測(cè)）

如圖10-1所示為采用兩個(gè)線陣CCD圖像傳感器對(duì)鋼板寬度進(jìn)行非接觸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)原理圖。探測(cè)器1與探測(cè)器2分別安裝在同一個(gè)支撐架的兩端，它們的中心距（如圖所示）為l0。

第2頁/共34頁公稱尺寸L0右LXIS1β2β1左LLIS2LL（或LX）=第3頁/共34頁⒈寬度測(cè)量原理

穩(wěn)定的遠(yuǎn)心照明光源1與2發(fā)出的光使被測(cè)鋼板的邊沿能夠被成像物鏡清楚地成像在兩個(gè)線陣CCD的像敏面上。第4頁/共34頁CCD1與CCD2在同步脈沖的驅(qū)動(dòng)下分別輸出信號(hào)U1與U2。經(jīng)二值化處理或A/D轉(zhuǎn)換再提取邊界得到二值化信號(hào)D1與D2。D1的下降沿對(duì)應(yīng)于CCD1的第N1個(gè)像敏單元，D2的上升沿對(duì)應(yīng)于

CCD2的第N2個(gè)像敏單元，它們又分別表示鋼板邊緣的像在CCD1與CCD2像敏面上的位置。鋼板的寬度的計(jì)算公式為：

式中，β1與β2分別為兩個(gè)探測(cè)器光學(xué)成像物鏡的橫向放大倍率，S0為CCD像敏單元長(zhǎng)，式中的正負(fù)號(hào)要根據(jù)CCD的安裝方向確定。第5頁/共34頁

鋼板寬度的測(cè)量范圍與兩探測(cè)器的中心距l(xiāng)0有關(guān)，即與探測(cè)器安裝架的調(diào)整與鎖定方式有關(guān)。鋼板的寬度L直接與l0有關(guān)，若l0可以大范圍的調(diào)整與鎖定，系統(tǒng)的測(cè)量范圍將會(huì)很大。另外，寬度的測(cè)量范圍還與兩探測(cè)器成像物鏡的橫向放大倍率β1與β2有關(guān)，與所選用的CCD像敏單元長(zhǎng)及像元數(shù)N等參數(shù)有關(guān)。

（2）

測(cè)量精度

顯然，測(cè)量精度與CCD的像元長(zhǎng)度S0、光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率β等參數(shù)有關(guān)。2.測(cè)量范圍與測(cè)量精度（1）測(cè)量范圍第6頁/共34頁3.測(cè)量速度

線陣CCD測(cè)量周期為其轉(zhuǎn)移脈沖SH的周期T，它由所選線陣CCD的像元數(shù)N及驅(qū)動(dòng)頻率f決定，式中，Nd為大于線陣CCD虛設(shè)單元的任意數(shù)（由設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器者決定）。顯然，N與Nd值越大，SH的周期T越長(zhǎng)，而提高驅(qū)動(dòng)頻率f將縮短SH的周期T，提高測(cè)量速度。若驅(qū)動(dòng)頻率為數(shù)MHz，測(cè)量周期常為ms量級(jí)。第7頁/共34頁三板材定長(zhǎng)剪切系統(tǒng)1.定長(zhǎng)裁剪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在板材（鋼帶、鋁帶、玻璃板、塑料板等板材）的生產(chǎn)、加工過程中，經(jīng)常遇到定長(zhǎng)度的剪切的工作。采用光電非接觸測(cè)量系統(tǒng)可以使板材定長(zhǎng)加工自動(dòng)化，并獲得高精度、高速度、質(zhì)量穩(wěn)定的效果。被裁板材經(jīng)傳動(dòng)輪和從動(dòng)導(dǎo)輪展開，并以一定的速度v經(jīng)裁減裝置(剪刀)輸送到光電檢測(cè)系統(tǒng)。光電檢測(cè)系統(tǒng)由光源、光學(xué)成像系統(tǒng)(圖中未畫)和光電器件構(gòu)成。第8頁/共34頁2.定長(zhǎng)裁剪原理

當(dāng)板材進(jìn)入光電系統(tǒng)，遮擋光路到一定程度時(shí)，光電器件輸出的信號(hào)經(jīng)處理系統(tǒng)（圖中省略）后，發(fā)出執(zhí)行命令信號(hào)。剪刀在裁剪控制系統(tǒng)接受執(zhí)行命令操作裁剪系統(tǒng)執(zhí)行裁剪動(dòng)作。設(shè)光電系統(tǒng)的中心安裝在距裁剪剪刀口l0遠(yuǎn)處。當(dāng)被裁板材沿箭頭所示方向運(yùn)動(dòng)到光電探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)，被裁板材邊緣的像成在光電器件的光敏面上，使光電器件輸出的光電流減小，輸出電壓降低。而且，隨著板材的運(yùn)動(dòng)輸出電壓將越來越小。當(dāng)它減小到一定程度，判別電路將輸出電壓跳變，使板材的運(yùn)動(dòng)停止，裁剪系統(tǒng)啟動(dòng)，剪刀下落將板材剪掉。第9頁/共34頁

板材被剪掉后，光電器件又被光完全照亮，光電流又恢復(fù)到最大值，它使剪刀抬起，啟動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)使板材繼續(xù)沿箭頭方向運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)與裁剪的自動(dòng)控制。3.定長(zhǎng)裁剪系統(tǒng)精度分析若裁剪系統(tǒng)的光電傳感器采用面積為S的硅光電池（或硅光電二極管），在光敏面全被入射光照射時(shí)，光電流IL很大，變換電路的輸出為低電位，用做整形的非門電路輸出為高電平。當(dāng)光敏面部分被遮擋時(shí)，光電流IL減少，變換電路的輸出電位增高，當(dāng)它高于閾值電位Uth值時(shí)，非門電路輸出將由高變低。輸出控制傳輸系統(tǒng)和剪刀動(dòng)作的命令。第10頁/共34頁

設(shè)光源所發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后均勻地投射到光電器件上，光敏面上的照度為E。當(dāng)光電器件為矩形硅光電池時(shí)，它輸出的光電流IL與入射光照度E的關(guān)系為

IL=SφEA

（10-4）其中，Sφ矩形硅光電池的靈敏度，A為光電器件的受光面積，顯然，在被裁板材沒進(jìn)入視場(chǎng)時(shí)為整個(gè)光電器件的光敏面。

當(dāng)被裁板材進(jìn)入視場(chǎng)后，受光面積A將減少，必將引起光電流IL的下降?？紤]硅光電池的靈敏度Sφ為常數(shù)，光源所發(fā)出的光是穩(wěn)定的，故也是常數(shù)，則，光電流IL的變化只與受光面積A有關(guān)，對(duì)于矩形硅光電池，面積為光電池的寬度b與長(zhǎng)度L的乘積，即

IL=SφEbL

（10-5）被裁板材進(jìn)入視場(chǎng)后，設(shè)光電池被遮擋的長(zhǎng)度為l，光電流變?yōu)?/p>

IL=SφEb（L-l）

（10-6）第11頁/共34頁

顯然，光電流的變化與光電池被遮擋的長(zhǎng)度l有關(guān)，對(duì)式（10-6）取微分得

（10-7）式中的負(fù)號(hào)表明光電流隨遮擋量的增加而減少?？梢酝瞥鰣D10-5中U隨遮擋量的變化關(guān)系為

ΔU=SφEbRLΔl

（10-8）表明，控制精度與反向電路的電壓鑒別量有關(guān)，采用電壓比較器模塊可以獲得微伏級(jí)的鑒別精度，由式（10-8）推導(dǎo)的理論控制精度可以達(dá)到微米量級(jí)。但是，由于光源的穩(wěn)定度和生產(chǎn)環(huán)境（灰塵），震動(dòng)，背景光等因素的影響可能帶來遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算的誤差。選用PSD、線陣列光電二極管器件或線陣CCD等傳感器為光電探測(cè)器，可以克服上述因素帶來的誤差，使實(shí)際控制精度得到提高。第12頁/共34頁CCD玻管測(cè)控儀儀器的技術(shù)要求1.測(cè)量范圍：φ20mm～φ28mm2.測(cè)量精度：外徑φ20±0.3mm，φ28±0.4mm； 壁厚1.2±0.05mm，2±0.07mm3.顯示內(nèi)容：實(shí)測(cè)玻管直徑、壁厚、上下偏差及超差報(bào)警。4.過程控制：玻管控制速度，吹氣量及合格品篩選控制信號(hào)的輸出。第13頁/共34頁儀器的工作原理照明成像系統(tǒng)線陣CCD、驅(qū)動(dòng)二值化電路微機(jī)數(shù)據(jù)采集接口電路STD工業(yè)控制計(jì)算機(jī)外徑、壁厚實(shí)測(cè)值及偏差輸出外徑、壁厚給定值、偏差量輸入調(diào)光電源玻管控制信號(hào)第14頁/共34頁U（脈沖數(shù)）ab上壁厚下壁厚外徑Cn1n2n30t外徑Cab上壁厚： 下壁厚：外徑： －－放大率光強(qiáng)分布：管壁為暗帶，中間部分為亮帶。第15頁/共34頁光電二極管實(shí)際應(yīng)用電路自動(dòng)感應(yīng)水龍頭第16頁/共34頁光控繼電器的應(yīng)用光控電焊眼罩原理圖1光控電焊眼罩當(dāng)液晶屏P不通電時(shí)，液晶是透明的，眼睛可以通過液晶屏看到焊點(diǎn)的情況。當(dāng)液晶屏P通電時(shí),液晶發(fā)生偏轉(zhuǎn)，透光度大大減小。電焊光不會(huì)對(duì)眼睛產(chǎn)生危害。圖中，RD2用來接收電焊強(qiáng)光，RD1用來接收外界自然光。第17頁/共34頁2汽車車燈全自動(dòng)控制器

一般汽車前燈都有強(qiáng)弱二檔，按規(guī)定，汽車在晚上行駛?cè)缬鰧?duì)面有車駛來，須將車燈打至弱檔，以免對(duì)方司機(jī)眩目而造成撞車事故。然而，由于種種原因，有些司機(jī)很難做到這一點(diǎn)，因而晚間事故時(shí)有發(fā)生。車燈亮度全自動(dòng)控制系統(tǒng)由光電傳感器和單片微機(jī)(或計(jì)算機(jī))系統(tǒng)組成，根據(jù)入射光信號(hào)的不同，自動(dòng)將車燈置于強(qiáng)檔、弱檔或關(guān)閉狀態(tài)。

(1)

白天行駛時(shí)，光電傳感器接收到較強(qiáng)的且強(qiáng)度基本不變的光信號(hào)，車燈將關(guān)閉。

(2)

當(dāng)汽車晚上行駛在城市或裝有路燈的馬路上時(shí)，光電傳感器接收到近似于正弦變化規(guī)律的且比較弱的光信號(hào)，車燈將開啟在弱檔。

第18頁/共34頁2汽車車燈全自動(dòng)控制器(3)

當(dāng)汽車晚上行駛在郊外時(shí)，光電傳感器接收不到或接收到很弱的光信號(hào)，車燈將開啟在強(qiáng)檔。(4)

當(dāng)對(duì)面有車開來時(shí)，光電傳感器接收到的光信號(hào)強(qiáng)度逐步增大（說明對(duì)方車正在接近）或強(qiáng)度突然大幅度變?。ㄕf明對(duì)方已關(guān)閉強(qiáng)光燈），車燈將開啟至弱檔，直到接收不到光信號(hào)（說明車已經(jīng)交會(huì)），才重新點(diǎn)亮強(qiáng)光燈。(5)

整個(gè)控制系統(tǒng)電源受汽車電門鑰匙控制，只要汽車發(fā)動(dòng)，一切進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。

第19頁/共34頁2汽車車燈全自動(dòng)控制器車燈亮度全自動(dòng)控制原理框圖由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)單片機(jī)無法工作，故采用了光電隔離器。另外，系統(tǒng)的電源線、控制線和印刷電路板等都要采取屏蔽措施，減少外界干擾和內(nèi)部噪聲。濾去高頻干擾信號(hào)第20頁/共34頁光電報(bào)警（主動(dòng)）光電報(bào)警系統(tǒng)是一種重要的監(jiān)視系統(tǒng)，目前其種類已經(jīng)日益增多。有對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等軍事目標(biāo)入侵進(jìn)行的報(bào)警系統(tǒng)，也有對(duì)機(jī)場(chǎng)、重要設(shè)施或危禁區(qū)域防范進(jìn)行報(bào)警的系統(tǒng)。一般說來，被動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的保密性好，但是設(shè)備比較復(fù)雜；而主動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可以利用特定的調(diào)制編碼規(guī)律，達(dá)到一定的保密效果，設(shè)備比較簡(jiǎn)單。第21頁/共34頁光電報(bào)警（主動(dòng)）本系統(tǒng)可由圖1所示的五個(gè)部分組成。調(diào)制電源提供紅外發(fā)射二極管確定規(guī)律變化的調(diào)制電流，使發(fā)光管發(fā)出紅外調(diào)制光，在一定距離以外用光電二極管接收調(diào)制光。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)放大，檢波后控制報(bào)警器。下面對(duì)調(diào)制電源和檢波、報(bào)警電路各舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。圖1光電報(bào)警原理方框圖第22頁/共34頁1、用NE555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器作調(diào)制電源。

NE555集成電路用它構(gòu)成占空比為50%的多諧振蕩器原理圖如圖2所示。下面對(duì)照電路圖簡(jiǎn)述其工作原理及參數(shù)選擇。圖2多諧振蕩器第23頁/共34頁

在前半周期，VCC通過R2、D對(duì)C1充電，由于二極管D的作用，電流不經(jīng)過R1，因此其充電時(shí)間T1為：而在后半周期，電容放電時(shí)，二極管反向電阻無窮大，555內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，電流通過R1至7腳直接放電，此時(shí)其放電時(shí)間T2為：第24頁/共34頁當(dāng)A點(diǎn)電壓上升到上限閾值電壓（約2VCC/3）時(shí)，定時(shí)器輸出翻轉(zhuǎn)成低電平。這時(shí)，A點(diǎn)電壓將隨放電而按指數(shù)規(guī)律下降。當(dāng)A點(diǎn)下降到下限閾值電壓（約VCC/3）時(shí)，定時(shí)器輸出又變成高電平，調(diào)整R1、R2的電阻值得到嚴(yán)格的方波輸出。當(dāng)R1=R2時(shí)，輸出為方波信號(hào)。其輸出頻率為：第25頁/共34頁用NE555組成振蕩器來驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管BT401時(shí)，由于紅外發(fā)光管BT401的工作電流在30mA以上，因此一定加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路。使輸出電流大于或等于紅外發(fā)光管的最小工作電流。其驅(qū)動(dòng)電路的參考電路圖如下圖3：圖3驅(qū)動(dòng)電路第26頁/共34頁2、信號(hào)放大及報(bào)警用參考電路原理先用構(gòu)成一個(gè)放大電路，將光敏二極管所接收的電流信號(hào)放大。再用構(gòu)成一個(gè)比較器，放大器的正端加2V左右偏壓，負(fù)端加信號(hào)電壓。當(dāng)光線未阻斷時(shí)，從放大器來的交流信號(hào)經(jīng)二極管檢波電路，再經(jīng)RC低通濾波器后得到直流電壓，使后面的放大器負(fù)輸入端電位大于或等于正輸入端電位。則放大器輸出電壓近似為零，LED管截止，當(dāng)光線被阻斷時(shí)，信號(hào)消失。放大器只有正端加正電壓，輸出為正電壓，LED指示管導(dǎo)通發(fā)出紅色光（或發(fā)聲）以示報(bào)警。電阻是LED限流電阻。第27頁/共34頁圖4報(bào)警用參考電路-V+V186R17RLEDR13VV57光敏二極管R8E+R56R4D1C12+-R2R3第28頁/共34頁參考參數(shù)值：R1：1KΩR2：1KΩR3：120KΩR4：68KΩR5：1KΩR6：5.6KΩR7：2.2KΩR8：1KΩC1：