機(jī)電系統(tǒng)控制2課件

2023/2/6檢測(cè)與傳送第二章檢測(cè)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(shì)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(wú)差別。一般說(shuō)來(lái)，光電斷路器的發(fā)光管的功率較小，檢測(cè)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(cè)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(yáng)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(jí)，一般是砷化鎵(GaAs)發(fā)光二極管，而輸出級(jí)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(guò)管子的工作電流保持在給定值；◆所發(fā)射的紅外光通過(guò)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(shí)，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?cái)酄顟B(tài)。根據(jù)流過(guò)光電管及其負(fù)載的電流大小，就可判斷有無(wú)工件通過(guò)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(duì)放置，故又稱對(duì)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(wú)槽口；◆當(dāng)被檢測(cè)的物體(工件)在器件外側(cè)移動(dòng)時(shí)，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(cè)或識(shí)別電路。這種斷路器不僅可檢測(cè)附近有無(wú)移動(dòng)物體，還可根據(jù)物體表面反射能力的大小用來(lái)檢測(cè)其上的標(biāo)記、符號(hào)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(cè)的物體形體、尺寸各不相同，檢測(cè)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(duì)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(shí)間較慢。3）光電斷路器的特點(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(cè)是在非接觸方式下進(jìn)行，無(wú)損傷，安全可靠；檢測(cè)范圍被限定在器件的槽內(nèi)(或近側(cè))紅外光路，外來(lái)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(jiǎn)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(dòng)控制設(shè)備中，特別適用于薄型或帶形材料的檢測(cè)，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(cè)和識(shí)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(duì)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(lái)的板材將紅外光路遮住后，斷路器迅速動(dòng)作，輸出開關(guān)控制信號(hào)，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(lái)對(duì)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(dòng)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(hào)?！粜吞?hào)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(cè)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(hào)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(cè)端槽口的上、下兩側(cè)，相對(duì)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(jí)等，外部有四根引出線。國(guó)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(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(shí)動(dòng)作，負(fù)載RH接通，此時(shí)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(shí)動(dòng)作，負(fù)載RH應(yīng)接在綠線(3)與VDD之間。對(duì)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(yǔ)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(duì)，平時(shí)擋板正好插入槽口中央，如圖(b)所示?！?/p>

IC2采用LH—169A系列語(yǔ)言集成電路，這是一種CMOS大規(guī)模集成器件，內(nèi)儲(chǔ)各種語(yǔ)音信號(hào)。選用內(nèi)儲(chǔ)“抓賊呀”語(yǔ)音的器件，它一旦得電并觸發(fā)，便迅即播出內(nèi)儲(chǔ)的信號(hào)，經(jīng)VT2放大后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出“抓賊呀”的報(bào)叫聲?！?/p>

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(yǔ)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(jí)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(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(jí)為紅外發(fā)光二極管，輸出級(jí)為光電三極管型?！舢?dāng)被檢測(cè)的物件接近光電斷路器時(shí)，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(1／6CD40106)整形后，加至IC3的CP端?！?/p>

IC3～I(xiàn)C5為三只十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)／譯碼／鎖存／驅(qū)動(dòng)器集成電路CD40110，將IC3～I(xiàn)C5接成三級(jí)加計(jì)數(shù)電路。C1、R26微分電路用于電路加電時(shí)對(duì)IC3～I(xiàn)C5自動(dòng)清零。SA為手動(dòng)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(jí)是紅外發(fā)光二極管，輸出級(jí)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(wú)多大區(qū)別，但光電開關(guān)的檢測(cè)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(dá)林頓型光電管和集成電路型等。在槽口無(wú)阻擋下，光路直通，光電開關(guān)呈“亮通”狀態(tài)(LightON)；當(dāng)被檢測(cè)物件插入或通過(guò)槽口時(shí)，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?fàn)顟B(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(shí)，開關(guān)輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，完成一次開關(guān)動(dòng)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(duì)射分離式光電開關(guān)。發(fā)、收距離可長(zhǎng)(幾十米)、可短(幾十厘米)，視實(shí)際檢測(cè)場(chǎng)所或物件而定。當(dāng)被檢測(cè)物件通過(guò)時(shí)，光路被遮擋，光接收器就輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，完成一次控制動(dòng)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(wú)被檢測(cè)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(cè)物件通過(guò)將光路遮擋時(shí)，光電管收不到反射光，接收狀態(tài)變化，光電開關(guān)動(dòng)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(wú)被檢測(cè)物件時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的光向前方散開，光接收器收不到光信號(hào)，處于靜態(tài)；當(dāng)檢測(cè)物件通過(guò)時(shí)，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(gè)開關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一次開關(guān)轉(zhuǎn)換。

圖(e)為聚焦式檢測(cè)工作方式，用于定點(diǎn)精測(cè)檢測(cè)，如產(chǎn)品標(biāo)志的識(shí)別等。它是在檢測(cè)頭的前方放置一個(gè)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(cè)物件在通過(guò)該聚焦點(diǎn)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

圖(f)是采用光纖式光電開關(guān)和光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)傳輸光波和進(jìn)行檢測(cè)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(duì)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(dòng)控制場(chǎng)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(cè)距離小至幾厘米，遠(yuǎn)至10m左右。供電源為交流、直流兩用。

(4)長(zhǎng)方形光電開關(guān)圖(e)為長(zhǎng)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(cè)距離小至50cm，遠(yuǎn)至10m左右，適于檢測(cè)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(zhǎng)方型光電開關(guān)的N型基本相同，但從檢測(cè)頭只看到一個(gè)檢測(cè)頭(透鏡)。它的發(fā)光源有紅色(ER)和綠色(EG)可見光。檢測(cè)距離一般較近，15mm，25mm兩種。由于檢測(cè)頭內(nèi)有聚光透鏡，適用于檢測(cè)精細(xì)物件和彩色標(biāo)記等的識(shí)別、檢測(cè)，如傳送帶上物件的計(jì)數(shù)、位置檢測(cè)、標(biāo)志的識(shí)別、薄板、薄帶的傳送、監(jiān)測(cè)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(zhǎng)方型的N型光電開關(guān)相似，但除開關(guān)本體外，還有通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)載時(shí)，輸出三極管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(duì)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(dòng)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(guò)給定范圍造成不穩(wěn)定時(shí)，綠色指示燈滅后，應(yīng)能給出自診斷信號(hào)。2.2激光傳感器2.2.1激光干涉測(cè)長(zhǎng)由計(jì)數(shù)值k根據(jù)左式就可計(jì)算出被測(cè)位移Δl

邁克爾遜干涉測(cè)長(zhǎng)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(cè)量目標(biāo)鏡（貓眼逆反射器）測(cè)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(zhǎng)光柵與圓光柵2.3.2莫爾條紋的形成原理及特點(diǎn)■對(duì)應(yīng)關(guān)系——一個(gè)柵距變化對(duì)應(yīng)一個(gè)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(cè)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(cè)量位移激光多普勒測(cè)速光纖測(cè)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(cè)■作為自動(dòng)控制、檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)

熱軋鋁板寬度檢測(cè)系統(tǒng)2.6角度編碼器2.6.1脈沖式編碼器2.6.2絕對(duì)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(zhǎng)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(shí)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(cè)厚儀超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)液位超聲波液位計(jì)超聲波流量計(jì)倒車?yán)走_(dá)2.8紅外傳感器

紅外檢測(cè)利用的