机电系统控制2课件

2023/2/6检测与传送第二章检测与传送2.1光电开关与光电断路器2.2激光传感器2.3光栅传感器2.4光纤传感器2.5固态图像传感器2.6角度编码器2.7超声波传感器2.8红外传感器2.9现代新型传感器的发展趋势2.1光电开关与光电断路器

光电开关和光电断路器都是由红外发光二极管和光电接收器件组成的光电器件。按其工作原理，光电开关和光电断路器几乎无差别。一般说来，光电断路器的发光管的功率较小，检测距离较近(几毫米至几十毫米)，其结构多采用机电一体化整体结构，采用直流供电；光电开关的检测距离的范围大，从几毫米至几十米不等，其红外发光管的功率视距离的大小而不同，为防止外界干扰(包括阳光，电磁干扰等)，多采用红外调制光源，供电源采用直流或交流供电。1光电断路器及其应用1）光电断路器的结构和工作原理光电断路器的输入级，一般是砷化镓(GaAs)发光二极管，而输出级的结构和组成则不同。按照结构的不同，常分为槽型(或称透射式)和反射型两大类，如图所示。光电断路器，也称光阻断器，它是一种常见的光电传感器，也是一种光电开关。透射型(槽型)光电断路器工作原理◆红外发光二极管的供电源采用稳定的直流电压，使流过管子的工作电流保持在给定值；◆所发射的红外光通过槽口直射至光电管的窗口；◆光电管将红外光转换成相应的电流(一般为几毫安到几十毫安)；◆当槽口插入不透明物体(工件等)时，光路被阻挡，光电流变小(暗电流约0.1μA左右)，光电管几乎呈截断状态。根据流过光电管及其负载的电流大小，就可判断有无工件通过槽口。透射型(槽型)光电断路器的发光器和受光器在沟槽两侧相对放置，故又称对射式光电断路器。反射型光电断路器工作原理◆反射型光电断路红外发光二极管与光电管成一定角度或平排放置，中间无槽口；◆当被检测的物体(工件)在器件外侧移动时，发光管发出的红外光被物体表面反射，并被光电管接收、光电转换后，再加至检测或识别电路。这种断路器不仅可检测附近有无移动物体，还可根据物体表面反射能力的大小用来检测其上的标记、符号及条形码等。2）光电断路器的外形和基本参数由于被检测的物体形体、尺寸各不相同，检测要求也各不相同，透射型(槽型)光电断路器槽的宽度、深度、透光窗尺寸及输出类型各不相同，其外形尺寸和结构有所不同。下图是常见的槽型光电断路器的外形、结构。对于反射型光电断路器，其发端参数与槽型光电断路器的基本相同，而反射型的光电流较小，响应时间较慢。3）光电断路器的特点和典型应用

（1）光电断路器的特点基于光电断路器的组成和结构，它具有以下特点：

检测是在非接触方式下进行，无损伤，安全可靠；检测范围被限定在器件的槽内(或近侧)红外光路，外来光的干扰小，定位精度高；

红外光／电转换速度快，响应迅速、准确；

光电断路器与CMOS、TTL电路及晶体管电路连接简单，匹配好；

体积小，重量轻，易安装。由于光电断路器的独特优点，它被广泛应用于生产流水线、机电一体化设备、办公设备、家用电器和自动控制设备中，特别适用于薄型或带形材料的检测，如金属板材、木板、合成板、印刷品、磁带、纸张、塑料薄膜、食品袋的加工、检测和识别(色彩)中得到广泛应用。（2）光电断路器的典型应用将槽型光电断路器安装在剪床上，可对卷带材料和板材进行剪切加工，如图所示。在剪床前端加装槽型断路器，当传送来的板材将红外光路遮住后，断路器迅速动作，输出开关控制信号，将传送带停下，剪刀压板随即滑下压住板材，切刀下降将板料切下

槽型光电断路器用于板材和卷带材料的剪切上述加工方法也可用于板材的冲压落料加工，还可用来对卷带材料、塑料板、木板、胶带等进行剪切加工，不仅加工准确、自动化程度高，且安全可靠。2KP型光电断路器及外电路连接

KP－ES－05P(N),KP－ER－0lP(N),KP－EG－02P(N)等型号。◆型号中的KP表示为槽型器件;◆ES表示是红外光源，05表示槽口距离，即检测距离不大于5cm；◆

ER及表示发光源发出的是红色光；EG表示绿色光源；◆型号末端的P或N表示输出电路的类别;N表示其输出应与NPN型晶体管电路连接；P表示应与PNP型管连接。槽型光电断路器的发光器T和受光器R分装在检测端槽口的上、下两侧，相对设置，其内部组成如图所示。它内含光学系统、发光器、受光器、放大器、光电调制电路和开关输出级等，外部有四根引出线。国产槽型开关断路器常见的有：

KP型槽型光电断路器可根据实际电路要求，选用N型(NPN型)连接，或P型(PNP型)连接。图(b)所示的N型连接，棕线(1)接电源VDD，蓝线(4)接VSS端。若需要在光路通时动作，负载RH接通，此时应把RH接在黑线(2)与VDD之间，即所谓亮通；若需要光路遮挡时动作，负载RH应接在绿线(3)与VDD之间。对于P型连接，其负载RH连接如图(c)所示。

KP型槽型光电断路器是在原三线式基础上改进为四线的，可方便地进行亮通或暗，进行常开或常闭选择。本电路如图所示。它由槽型光电断路器、语言发声电路等组成。槽型光电断路器安装在抽屉背后，其槽口的插匙挡板固定在抽屉后板处，与断路器的槽口相对，平时挡板正好插入槽口中央，如图(b)所示。◆

IC2采用LH—169A系列语言集成电路，这是一种CMOS大规模集成器件，内储各种语音信号。选用内储“抓贼呀”语音的器件，它一旦得电并触发，便迅即播出内储的信号，经VT2放大后，驱动扬声器发出“抓贼呀”的报叫声。◆

LH—169A的工作电压为2.4～5v，典型电压为4.5v，静态下耗电甚微，其静态电流Isb＜1μA。LH—619A采用片状黑膏软封装，外形尺寸为24mm×13．5mm，安装方便;◆调节外接的振荡电阻器R4的电阻值，可改变其语音的频率和音调。阻值大，声音慢而低沉，阻值小，声调高而快。◆

IC1选用槽型光电断路器，如GP—1501，GP—1S05型或MSA9010型等，其输出级均为光电三极管；VT1，VT2分别选用小功率三极管9012(PNP型)，9013(NPN型)，B采用小体积的内磁式扬声器，如YD50--1型等。3采用反射式光电断路器的计数器电路如图所示。它由反射式光电断路器、整形电路、计数／译码电路和显示电路等组成。◆

IC1为反射式光电断路器TLP903，输入级为红外发光二极管，输出级为光电三极管型。◆当被检测的物件接近光电断路器时，发光管发出的红外光被物件反射，并由光电管接收，光电管将光能转换成光电流，其收集极电流达十几毫安，其发射极输出高电平脉冲，经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为三只十进制加减计数／译码／锁存／驱动器集成电路CD40110，将IC3～IC5接成三级加计数电路。C1、R26微分电路用于电路加电时对IC3～IC5自动清零。SA为手动清零开关。4光电开关及其应用

光电开关与光电断路器都是光电转换(传感)器件，初级是红外发光二极管，输出级为光电三极管、达林顿型管或光电集成电路等。从原理上讲，光电开关与光电断路器无多大区别，但光电开关的检测距离较大、从几厘米到十几米；在结构上，光电开关不像光电断路器完全是整体结构，也可以是发、收分开的。

1）光电开关的分类和工作方式光电开关可按其结构、光的传感方式、光的接收方式、光的发、收方式等分类，有不同的分类或工作方式。

图(a)为槽型光电开关，它的槽口两侧分置发光二极管和光接收器。发光器有红外发光管和可见光发光管，光接收器可分为光电三极管、达林顿型光电管和集成电路型等。在槽口无阻挡下，光路直通，光电开关呈“亮通”状态(LightON)；当被检测物件插入或通过槽口时，光路被遮挡，光接收器得不到光照呈高阻(1MΩ以上)，光电管只有暗电流(约1μA或更低)，呈截止状态，即处于暗态(DarkON)。槽型光电开关从亮态到暗态的变化时，开关输出一个开关控制信号，完成一次开关动作。

图(b)是由两地分离的发光器和光接收器组成的光电开关，这种发、收控制称为对射分离式光电开关。发、收距离可长(几十米)、可短(几十厘米)，视实际检测场所或物件而定。当被检测物件通过时，光路被遮挡，光接收器就输出一个开关信号，完成一次控制动作。5光电开关的分类和工作方式光电开关可按其结构、光的传感方式、光的接收方式、光的发、收方式等分类，有不同的分类或工作方式。

图(c)所示的光电开关为机电一体化结构，在其前方安放一块反光板，利用光反射原理实现光电转换和控制。在无被检测物件下，反射光路畅通，光电接收器呈导通状态；当被检测物件通过将光路遮挡时，光电管收不到反射光，接收状态变化，光电开关动作，完成一次控制转换。

图(d)为扩散反射式工作方式，在前方无被检测物件时，发射管发出的光向前方散开，光接收器收不到光信号，处于静态；当检测物件通过时，光被阻挡并将光反射至光接收器，经放大、处理后，光接收器输出一个开关控制信号，实现一次开关转换。

图(e)为聚焦式检测工作方式，用于定点精测检测，如产品标志的识别等。它是在检测头的前方放置一个光学透镜，使光在特定的距离上聚焦，聚焦光斑可小至0.5mm左右。当被检测物件在通过该聚焦点，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

图(f)是采用光纤式光电开关和光导纤维(简称光纤)传输光波和进行检测的传输方式。光纤式光电开关是光电开关系列中的一类，由于光纤和光缆的广泛应用，这类开关发展迅猛，品种日益增多。光纤式光电开关可分为对射式、反光极反射式、扩散反射式等类型；使用的发光源有红外光，也有可见光。6光电开关的结构类型和主要功能光电开关有不同的分类方式，有按其结构分类的，有按工作原理分类的。

(1)槽型光电开关槽型光电开关，也称沟型光电开关。它与前面介绍槽型光电断路器的工作原理类同，但其槽口〔沟距)距离可从几毫米到几十厘米，比槽型光电断路器要大。

(2)圆柱型光电开关这类开关的最大特点是安装、使用方便、灵活，可使用在各种自动控制场合，通用性强。

(3)扁方型和薄型光电开关扁方型光电开关的外形如图(c)所示。它的外形呈矩形体，外壳采用工程塑料。发光源均采用红外光(ES)，检测距离小至几厘米，远至10m左右。供电源为交流、直流两用。

(4)长方形光电开关图(e)为长方型光电开关的外形，其形体比扁方型(KF)的大，壳体材料为塑料。所用光源为红外光(ES)，检测距离小至50cm，远至10m左右，适于检测车辆、包装品、集装箱等大型物件。常见的有KE型和N型等。

(5)聚焦式光电开关图(f)为聚焦式光电开关，其外型与长方型光电开关的N型基本相同，但从检测头只看到一个检测头(透镜)。它的发光源有红色(ER)和绿色(EG)可见光。检测距离一般较近，15mm，25mm两种。由于检测头内有聚光透镜，适用于检测精细物件和彩色标记等的识别、检测，如传送带上物件的计数、位置检测、标志的识别、薄板、薄带的传送、监测等。

(6)光纤式光电开关图(g)为光纤式光电开关的外形，与长方型的N型光电开关相似，但除开关本体外，还有通过光纤连接的发光头和受光头，故光纤式光电开关又称为光分离型光电开关。光电开关的检测端有接插光纤的小孔、螺纹管或插座。发光源可分为红外光(ES)和红色可见光(ER)两种，检测距离较小，在2mm--150mm范围。由于传输光纤的线径小、重量轻、传输频带宽、耐腐蚀、抗干扰能力强，光纤式光电开关在通信、遥控、位置检测等领域有广泛的应用。具有亮通和暗通的光电隔离的固态继电器输出的光电开关电路

具有输出短路保护电路舶光电开关。当出现短路或过载时，输出三极管VT被关断，稳压二极管VDW也起保护作用。VT接成集电极开路形式。具有一定的自诊断功能是指对于工作环境变化(如尘埃粘附于透镜或窗口、受背景光干扰、由振动导致的光轴的偏移等)不应影响其主要功能(即光电开关的指标有多余度)，其表示正常工作的指示灯(绿色)应点亮。若环境变化超过给定范围造成不稳定时，绿色指示灯灭后，应能给出自诊断信号。2.2激光传感器2.2.1激光干涉测长由计数值k根据左式就可计算出被测位移Δl

迈克尔逊干涉测长原理三维激光干涉仪激光干涉仪2.2.2激光跟踪空间坐标测量目标镜（猫眼逆反射器）测量原理激光跟踪干涉仪2.3光栅传感器2.3.1光栅传感器的组成、种类及结构■透射光栅与反射光栅■长光栅与圆光栅2.3.2莫尔条纹的形成原理及特点■对应关系——一个栅距变化对应一个莫尔条纹变化■放大作用——■平均作用特点：光栅尺光栅读数头2.4光纤传感器物性型光纤传感器测量压力2.4.1物性型光纤传感器2.4.2结构型（传光型）光纤传感器传光型光纤传感器测量位移激光多普勒测速光纤测头2.5固态图像传感器（CCD）■零件尺寸、形状、以及物位等的检测■作为自动控制、检测系统中的敏感器件■作为光学信息处理装置的传感元件■作为机器人的视觉主要应用摄像头

SHARP公司生产的CCD零件尺寸检测系统

热轧铝板宽度检测系统2.6角度编码器2.6.1脉冲式编码器2.6.2绝对式光电编码器2.7超声波传感器超声波的特点：■频率高、波长短、能量大、穿透力强；■方向性好，遵循几何光学的基本规律；■在固体、液体介质中传播时的衰减小。2.7.1超声波的发生与接收超声波探头2.7.2超声波传感器的应用穿透法探伤反射法探伤超声波探伤仪超声波测厚仪超声波测厚超声波测液位超声波液位计超声波流量计倒车雷达2.8红外传感器

红外检测利用的