光电探测器件典型应用

1、长度量光电测量的应用实例长度量光电测量的应用实例一、一、 小尺寸的检测小尺寸的检测小尺寸的检测是指待测物体可与光电器件尺寸相比拟的场合。小尺寸的检测是指待测物体可与光电器件尺寸相比拟的场合。信号处理信号处理计计数数显显示示控制器控制器L Ln np pnpfapnL) 1(式中式中: : f f透镜焦距透镜焦距 a a物距物距b b 像距像距 放大倍率放大倍率n n 像元数像元数 p p像元间距像元间距测量原理测量原理长度量光电测量的应用实例长度量光电测量的应用实例二二 、钢板宽度的非接触自动测量、钢板宽度的非接触自动测量 （大尺寸检测）（大尺寸检测） 如图如图10-110-1所示为采用所示为

2、采用两个线阵两个线阵CCDCCD图像传感器对图像传感器对钢板宽度进行非接触自动测钢板宽度进行非接触自动测量系统原理图。量系统原理图。探测器探测器1 1与与探测器探测器2 2分别安装在同一个分别安装在同一个支撑架的两端，支撑架的两端，它们的中心它们的中心距（如图所示）为距（如图所示）为l l0 0。 公称尺寸公称尺寸L0右右LXIS121左左LLIS2 LL（或（或LX）=np 宽度测量原理宽度测量原理 稳定的远心照明光源稳定的远心照明光源1 1与与2 2发出的光使被测钢板的发出的光使被测钢板的边沿边沿能够被能够被成像成像物镜清楚地物镜清楚地成像成像在两个线阵在两个线阵CCDCCD的像敏面上。的

3、像敏面上。CCD1CCD1与与CCD2CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出信号在同步脉冲的驱动下分别输出信号U1U1与与U2U2。经二值。经二值化处理或化处理或A/DA/D转换再提取边界得到二值化信号转换再提取边界得到二值化信号D1D1与与D2D2。D1D1的下降的下降沿对应于沿对应于CCD1CCD1的第的第N1N1个像敏单元，个像敏单元，D2D2的上升沿对应于的上升沿对应于 CCD2CCD2的第的第N N2 2个像敏单元，它们又分别表示钢板边缘的像在个像敏单元，它们又分别表示钢板边缘的像在CCD1CCD1与与CCD2CCD2像敏像敏面上的位置。钢板的宽度的计算公式为：面上的位置。钢板的宽度的计

4、算公式为： )(2021010SNSNlL式中，式中，1 1与与2 2分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍率，分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍率，S S0 0为为CCDCCD像敏单元长，式中的正负号要根据像敏单元长，式中的正负号要根据CCDCCD的安装方向确定。的安装方向确定。 钢板宽度的测量范围与两探测器的中心距钢板宽度的测量范围与两探测器的中心距l0有关，即与探有关，即与探测器安装架的调整与锁定方式有关。钢板的宽度测器安装架的调整与锁定方式有关。钢板的宽度L L直接与直接与l0有关，有关，若若l0可以大范围的调整与锁定，系统的测量范围将会很大。另可以大范围的调整与锁定，系统的测

5、量范围将会很大。另外，宽度的测量范围还与两探测器成像物镜的横向放大倍率外，宽度的测量范围还与两探测器成像物镜的横向放大倍率1 1与与2 2有关，与所选用的有关，与所选用的CCDCCD像敏单元长及像元数像敏单元长及像元数N N等参数有关。等参数有关。 （2 2） 测量精度测量精度 220110NSNSL显然，测量精度与显然，测量精度与CCDCCD的像元长度的像元长度S S0 0、光学系统的放大倍率、光学系统的放大倍率等参等参数有关。数有关。 2.2.测量范围与测量精度测量范围与测量精度（1 1）测量范围）测量范围 )(2021010SNSNlL3.3.测量速度测量速度 线阵线阵CCDCCD测量周

6、期为其转移脉冲测量周期为其转移脉冲SHSH的周期的周期T T，它由所选线阵，它由所选线阵CCDCCD的像元数的像元数N N及驱动频率及驱动频率f f决定，决定，fNNT)(d式中，式中，N Nd d为大于线阵为大于线阵CCDCCD虚设单元的任意数（由设计驱动器者决虚设单元的任意数（由设计驱动器者决定）。显然，定）。显然，N N与与N Nd d值越大，值越大，SHSH的周期的周期T T越长，而提高驱动频率越长，而提高驱动频率f f将缩短将缩短SHSH的周期的周期T T，提高测量速度。，提高测量速度。若驱动频率为数若驱动频率为数MHzMHz，测量周期常为，测量周期常为msms量级。量级。三三 板材

7、定长剪切系统板材定长剪切系统 1. 1. 定长裁剪系统的结构定长裁剪系统的结构 在板材（钢带、铝带、玻璃板、塑料板等板材）的生产、加工在板材（钢带、铝带、玻璃板、塑料板等板材）的生产、加工过程中，经常遇到定长度的剪切的工作。采用光电非接触测量系统过程中，经常遇到定长度的剪切的工作。采用光电非接触测量系统可以使板材定长加工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的可以使板材定长加工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的效果。效果。 被裁板材经传动轮和从动导轮展被裁板材经传动轮和从动导轮展开，并以一定的速度开，并以一定的速度v v经裁减装经裁减装置置( (剪刀剪刀) )输送到光电检测系统。输送到光

8、电检测系统。光电检测系统由光源、光学成像光电检测系统由光源、光学成像系统系统( (图中未画图中未画) )和光电器件构成。和光电器件构成。2. 2. 定长裁剪原理定长裁剪原理 当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光电器件输当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光电器件输出的信号经处理系统（图中省略）后，发出执行命令信号。剪刀出的信号经处理系统（图中省略）后，发出执行命令信号。剪刀在裁剪控制系统接受执行命令操作裁剪系统执行裁剪动作。在裁剪控制系统接受执行命令操作裁剪系统执行裁剪动作。 设光电系统的中心安装在距裁剪剪刀口设光电系统的中心安装在距裁剪剪刀口l l0 0远处。当被裁板材沿箭远处

9、。当被裁板材沿箭头所示方向运动到光电探测系统的视场内，被裁板材边缘的像成头所示方向运动到光电探测系统的视场内，被裁板材边缘的像成在光电器件的光敏面上，使光电器件输出的光电流减小，输出电在光电器件的光敏面上，使光电器件输出的光电流减小，输出电压降低。而且，随着板材的运动输出电压将越来越小。当它减小压降低。而且，随着板材的运动输出电压将越来越小。当它减小到一定程度，判别电路将到一定程度，判别电路将输出电压跳变输出电压跳变，使板材的运动停止，裁使板材的运动停止，裁剪系统启动，剪刀下落将板材剪掉。剪系统启动，剪刀下落将板材剪掉。 板材被剪掉后，光电器件又被光完全照亮，光电流又恢复到板材被剪掉后，光电器

10、件又被光完全照亮，光电流又恢复到最大值，它使剪刀抬起，启动传动系统使板材继续沿箭头方向运最大值，它使剪刀抬起，启动传动系统使板材继续沿箭头方向运动。实现传动与裁剪的自动控制。动。实现传动与裁剪的自动控制。3. 3. 定长裁剪系统精度分析定长裁剪系统精度分析 若裁剪系统的光电传感器采用面积为若裁剪系统的光电传感器采用面积为S S的的硅光电池（或硅光电二极管），硅光电池（或硅光电二极管），在光敏面在光敏面全全被入射光照射被入射光照射时，光电流时，光电流I IL L很大，变换很大，变换电路的输出为电路的输出为低电位低电位，用做整形的非门电，用做整形的非门电路输出为路输出为高电平高电平。当光敏面部分被

11、遮挡时当光敏面部分被遮挡时，光电流光电流I IL L减少，变换电路的输出减少，变换电路的输出电位增高电位增高，当它当它高于阈值电位高于阈值电位U Uthth值时，值时，非门电路输非门电路输出将由高变低。出将由高变低。输出控制传输系统和剪刀输出控制传输系统和剪刀动作的命令。动作的命令。 设光源所发出的光经光学系统后均匀地投射到光电器件上，设光源所发出的光经光学系统后均匀地投射到光电器件上，光敏面上的照度为光敏面上的照度为E E。当光电器件为矩形硅光电池时，它输出的光。当光电器件为矩形硅光电池时，它输出的光电流电流I IL L与入射光照度与入射光照度E E的关系为的关系为 I IL L= =S S

12、 E A E A （10-410-4）其中，其中，S S矩形硅光电池的灵敏度，矩形硅光电池的灵敏度，A A为光电器件的受光面积，显然，为光电器件的受光面积，显然，在被裁板材没进入视场时为整个光电器件的光敏面。在被裁板材没进入视场时为整个光电器件的光敏面。 当被裁板材进入视场后，受光面积当被裁板材进入视场后，受光面积A A将减少，必将引起光电流将减少，必将引起光电流I IL L的下降。考虑硅光电池的灵敏度的下降。考虑硅光电池的灵敏度S S为常数，光源所发出的光是稳为常数，光源所发出的光是稳定的，故也是常数，则，定的，故也是常数，则，光电流光电流I IL L的变化只与受光面积的变化只与受光面积A

13、A有关有关，对，对于矩形硅光电池，面积为光电池的宽度于矩形硅光电池，面积为光电池的宽度b b与长度与长度L L的乘积，即的乘积，即 I IL=S E b L （10-510-5）被裁板材进入视场后，设光电池被遮挡的长度为被裁板材进入视场后，设光电池被遮挡的长度为l l，光电流变为，光电流变为 IL=S E b（L-l） （10-610-6） 显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度l l有关，对式有关，对式（10-610-6）取微分得）取微分得 （10-710-7）式中的负号表明式中的负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。光电流随遮挡量的增加而减少。 可以推出

14、图可以推出图10-510-5中中U U随遮挡量的变化关系为随遮挡量的变化关系为 U=SE b RL l （10-810-8） 表明，控制精度与反向电路的电压鉴别量有关，采用电压比较器模表明，控制精度与反向电路的电压鉴别量有关，采用电压比较器模块可以获得微伏级的鉴别精度，由式（块可以获得微伏级的鉴别精度，由式（10-810-8）推导的理论控制精度）推导的理论控制精度可以达到微米量级。但是，由于光源的稳定度和生产环境（灰尘），可以达到微米量级。但是，由于光源的稳定度和生产环境（灰尘），震动，背景光等因素的影响可能带来远远超过计算的误差。选用震动，背景光等因素的影响可能带来远远超过计算的误差。选用P

15、SDPSD、线阵列光电二极管器件或线阵、线阵列光电二极管器件或线阵CCDCCD等传感器为光电探测器，可等传感器为光电探测器，可以克服上述因素带来的误差，使实际控制精度得到提高。以克服上述因素带来的误差，使实际控制精度得到提高。 lEbSILCCDCCD玻管测控仪玻管测控仪仪器的技术要求仪器的技术要求1.1.测量范围：测量范围：20mm20mm28mm28mm2.2.测量精度：外径测量精度：外径20200.3mm0.3mm，28280.4mm0.4mm； 壁厚壁厚1.21.20.05mm0.05mm，2 20.07mm 0.07mm 3.3.显示内容：实测玻管直径、壁厚、上下偏差及超差报警。显示

16、内容：实测玻管直径、壁厚、上下偏差及超差报警。4.4.过程控制：玻管控制速度，吹气量及合格品筛选控制信号的过程控制：玻管控制速度，吹气量及合格品筛选控制信号的输出。输出。仪器的工作原理仪器的工作原理照明照明成成 像像 系系 统统线阵线阵CCDCCD、驱动、驱动二值化电路二值化电路微机数据采集微机数据采集接口电路接口电路STDSTD工业控制工业控制计算机计算机外径、壁厚实测外径、壁厚实测值及偏差输出值及偏差输出外径、壁厚给定外径、壁厚给定值、偏差量输入值、偏差量输入调光电源调光电源玻管玻管控制信号控制信号U U（脉冲数）（脉冲数）a ab b上壁厚上壁厚下壁厚下壁厚外径外径C Cn n1 1n

17、n2 2n n3 30t t外径外径C Ca ab b上壁厚：上壁厚： 下壁厚：下壁厚： 外径：外径： 放大率放大率光强分布：光强分布：管壁为暗带，中间部分为亮带。管壁为暗带，中间部分为亮带。pna1pnb3pnnnC321象元的中心距p光电二极管实际应用电路光电二极管实际应用电路自动感应水龙头自动感应水龙头光控继电器的应用光控继电器的应用光控电焊眼罩原理图光控电焊眼罩原理图1 1 光控电焊眼罩光控电焊眼罩当液晶屏当液晶屏P P不通电时，液晶是透明的，眼睛可以通过液晶屏不通电时，液晶是透明的，眼睛可以通过液晶屏看到焊点的情况。当液晶屏看到焊点的情况。当液晶屏P P通电时通电时, ,液晶发生偏转

18、，透光度液晶发生偏转，透光度大大减小。电焊光不会对眼睛产生危害。图中，大大减小。电焊光不会对眼睛产生危害。图中，RD2 RD2 用来接用来接收电焊强光，收电焊强光，RD1 RD1 用来接收外界自然光。用来接收外界自然光。2 2 汽车车灯全自动控制器汽车车灯全自动控制器 一般汽车前灯都有强弱二档，按规定，汽车在晚上行驶如一般汽车前灯都有强弱二档，按规定，汽车在晚上行驶如遇对面有车驶来，须将车灯打至弱档，以免对方司机眩目遇对面有车驶来，须将车灯打至弱档，以免对方司机眩目而造成撞车事故。然而，由于种种原因，有些司机很难做而造成撞车事故。然而，由于种种原因，有些司机很难做到这一点，因而晚间事故时有发生

19、。车灯亮度全自动控制到这一点，因而晚间事故时有发生。车灯亮度全自动控制系统由光电传感器和单片微机系统由光电传感器和单片微机( (或计算机或计算机) ) 系统组成，根系统组成，根据入射光信号的不同，自动将车灯置于强档、弱档或关闭据入射光信号的不同，自动将车灯置于强档、弱档或关闭状态。状态。 (1)(1) 白天行驶时，光电传感器接收到较强的且强度白天行驶时，光电传感器接收到较强的且强度基本不变的光信号，车灯将关闭。基本不变的光信号，车灯将关闭。 (2)(2) 当汽车晚上行驶在城市或装有路灯的马路上时，当汽车晚上行驶在城市或装有路灯的马路上时，光电传感器接收到近似于正弦变化规律的且比较弱的光信光电传

20、感器接收到近似于正弦变化规律的且比较弱的光信号，车灯将开启在弱档。号，车灯将开启在弱档。 2 2 汽车车灯全自动控制器汽车车灯全自动控制器(3)(3) 当汽车晚上行驶在郊外时，光电传感器接收不到或接收当汽车晚上行驶在郊外时，光电传感器接收不到或接收到很弱的光信号，车灯将开启在强档。到很弱的光信号，车灯将开启在强档。(4)(4) 当对面有车开来时，光电传感器接收到的光信号强度逐当对面有车开来时，光电传感器接收到的光信号强度逐步增大（说明对方车正在接近）或强度突然大幅度变小步增大（说明对方车正在接近）或强度突然大幅度变小（说明对方已关闭强光灯），车灯将开启至弱档，直到接（说明对方已关闭强光灯），车

21、灯将开启至弱档，直到接收不到光信号（说明车已经交会），才重新点亮强光灯。收不到光信号（说明车已经交会），才重新点亮强光灯。(5)(5) 整个控制系统电源受汽车电门钥匙控制，只要汽车发动，整个控制系统电源受汽车电门钥匙控制，只要汽车发动，一切进入自动控制状态。一切进入自动控制状态。 2 2 汽车车灯全自动控制器汽车车灯全自动控制器车灯亮度全自动控制原理框图车灯亮度全自动控制原理框图由于汽车发动机工作时会产生较大的干扰信号，严重时单片机由于汽车发动机工作时会产生较大的干扰信号，严重时单片机无法工作，故采用了光电隔离器。另外，系统的电源线、控制无法工作，故采用了光电隔离器。另外，系统的电源线、控制线

22、和印刷电路板等都要采取屏蔽措施，减少外界干扰和内部噪线和印刷电路板等都要采取屏蔽措施，减少外界干扰和内部噪声。声。滤去高频干扰信号滤去高频干扰信号光电报警（主动）光电报警（主动） 光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。一般说来，被动报禁区域防范进行报警的系统。一般说来，被动报警系统的保密性好，但是设备比较复杂；而警系统的保密性好，但是设备比较复杂；而主动主动

23、报警系统报警系统可以利用特定的调制编码规律，达到一可以利用特定的调制编码规律，达到一定的保密效果，设备比较简单。定的保密效果，设备比较简单。光电报警（主动）光电报警（主动） 本系统可由图本系统可由图1 1所示的五个部分组成。调制电源提供红外所示的五个部分组成。调制电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制电流，使发光管发出红外发射二极管确定规律变化的调制电流，使发光管发出红外调制光，在一定距离以外用光电二极管接收调制光。转换调制光，在一定距离以外用光电二极管接收调制光。转换后的信号经放大，检波后控制报警器。下面对调制电源和后的信号经放大，检波后控制报警器。下面对调制电源和检波、报警电路各举一个简

24、单的例子。检波、报警电路各举一个简单的例子。调制电源红外发射管光敏二极管放大器报警电路图图1 1 光电报警原理方框图光电报警原理方框图 1 1、用、用NE555NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源。定时器构成多谐振荡器作调制电源。 NE555NE555集成电路用它构成占空比为集成电路用它构成占空比为50%50%的多谐振荡器原理的多谐振荡器原理图如图图如图2 2所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。择。555NE1234568OVCCV2R1R1CA7D图图2 2 多谐振荡器多谐振荡器 在前半周期，在前半周期，V VCCCC通过通过R2R2、

25、D D对对C1C1充充电，由于二极管电，由于二极管D D的作用，电流不的作用，电流不经过经过R1R1，因此其充电时间，因此其充电时间T1T1为：为： 12121217 . 02ln3231lnCRCRVVVVCRTcccccccc而在后半周期，电容放电时，二极而在后半周期，电容放电时，二极管反向电阻无穷大，管反向电阻无穷大，555555内部的三极内部的三极管导通，电流通过管导通，电流通过R1R1至至7 7脚直接放电，脚直接放电，此时其放电时间此时其放电时间T2T2为：为：11111127 . 02ln3231lnCRCRVVVVCRTcccccccc555NE1234568OVCCV2R1R1

26、CA7D 当当A A点电压上升到上限阈值电压（约点电压上升到上限阈值电压（约2V2VCCCC/3/3）时，定时器）时，定时器输出翻转成低电平。这时，输出翻转成低电平。这时，A A点电压将随放电而按指数规点电压将随放电而按指数规律下降。当律下降。当A A点下降到下限阈值电压（约点下降到下限阈值电压（约V VCCCC/3/3）时，定时）时，定时器输出又变成高电平，调整器输出又变成高电平，调整R1 R1 、R2R2的电阻值得到严格的的电阻值得到严格的方波输出。当方波输出。当R1=R2R1=R2时，输出为方波信号。其输出频率为：时，输出为方波信号。其输出频率为：2ln2111121CRTTf1uF.

27、0CK.RK.R1216565，ZKHCRf3 . 1244. 111555NE1234568OVCCV2R1R1CA7D 用用NE555NE555组成振荡器来驱动红外发光管组成振荡器来驱动红外发光管BT401BT401时，由于红外时，由于红外发光管发光管BT401BT401的工作电流在的工作电流在30mA30mA以上，因此一定加一个三以上，因此一定加一个三极管驱动电路。使输出电流大于或等于红外发光管的最小极管驱动电路。使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流。其驱动电路的参考电路图如下图工作电流。其驱动电路的参考电路图如下图3 3：图图3 3 驱动电路驱动电路 2 2、信号放大及报警用参

28、考电路原理、信号放大及报警用参考电路原理 先用先用 构成一个放大电路，将光敏二极管所接收的构成一个放大电路，将光敏二极管所接收的电流信号放大。再用电流信号放大。再用 构成一个比较器，放大器的构成一个比较器，放大器的正端加正端加2V2V左右偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时，左右偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时，从放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经从放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经RCRC低通滤低通滤波器后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于波器后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于或等于正输入端电位。则放大器输出电压近似为零，或等于正输入端电位。则放大器输出

29、电压近似为零，LEDLED管管截止，当光线被阻断时，信号消失。放大器只有正端加正截止，当光线被阻断时，信号消失。放大器只有正端加正电压，输出为正电压，电压，输出为正电压，LEDLED指示管导通发出红色光（或发声）指示管导通发出红色光（或发声）以示报警。电阻是以示报警。电阻是LEDLED限流电阻。限流电阻。35321LF35321LF图图4 4 报警用参考电路报警用参考电路-V+V186R17RLEDR13VV57光敏二极管R8ER56R4D1C12R2R335321LF35321LF 参考参数值：参考参数值： R1R1：1K R21K R2：1K1K R3R3：120K R4120K R4：68K68K R5R5：1K R61K R6：5.6K5.6K R7R7：2. 2K R82. 2K R8：1K1K C1C1：10uF 10uF 红外光电声光报警参考电路红外光电声光报警参考电路2 248762153V+(+5V)R12.2kR251kC10.2uFR339DHG413NE555图图1 1 发光电路发光电路V+(+5V)R26.2