《机电系统控制》课件.ppt

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1、,2023/5/31,内蒙古工业大学,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

2、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。,按照输出级的不同，除采用光电三极管外，还有达林顿输出型和集成电路输出型等，如图所示。,图(b)所示槽型光电断路器，其输出级的光电三极管和晶体三极管构成的复合级，即达林顿输出级，驱动能力较强，可直接驱动小功率器件，如

3、触发可控硅小功率电动机或电磁继电器等。图(c)电路的输出级为集成电路型，由光电管(二极管或三极管)、放大器、整形电路、稳压电路和输出放大级等组成，输出波形好，驱动能力强，可直接驱动负载或后级电路。,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0.1A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

4、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

5、形、结构。,槽型光电断路器，由于其外形和结构所限，它的检测范围被严格地限制在槽内，检测距离较小，一般为几厘米。反射型光电断路器，由于采用光电一体化结构，加之发射的红外功率较小，故检测距离也较小。通常，将功率较大、检测距离远的器件，划归为反射型光电开关。光电断路器的发端一般采用红外发光二极管，输出级有光电三极管、达林顿输出级和集成电路输出型等。下表给出了透射型(槽型)光电断路器的发端参数和输出参数。,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：

6、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

7、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。,槽型光电断路器用于卷带材料的横向走偏校正,卷带材料在加工过程中，常因牵引力变化或厚度不匀容易横向走偏。在卷筒机上加装槽型光电断路器可构成光电式横向走偏校正装置，如图所示。图(a)中的PS1，PS2为加装在卷材左、右两侧的槽型光电断路器。在卷材不走偏时，PS1，PS2的光束均被挡住，PS1，

8、PS2均输出低电平，与它们相连的负载电路呈“常开”状态；当卷材向右偏时，左侧的PS1的光束遮挡不了，发、收间形成光路，PS1动作，输出高电平，经负载(如继电器等)转换后，得到驱动电压u1。该电压控制卷材的推拉杆，将杆左移，纠正卷带；当卷带偏向左时，则PS2输出高电平，转换成驱动电压u2，将推拉杆右移，使卷带走正。当卷材被切断后，PS1，PS2的两条光路均不受遮挡，PS1，PS2均输出高电平信号，二信号相与后，与门输出u3控制信号，将卷筒机电源切断，卷筒无电自停。,2 KP型光电断路器及外电路连接,KPES 05P(N),KP ER 0lP(N),KP EG 02P(N)等型号。型号中的KP表示

9、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

10、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。,图(a)为防盗报叫电路图。S为电路供电开关，推进抽屉的将S合上，电路通电;槽型光电断路器IC1的发光二极管发出红外光。由于挡板的插

11、入，将光路遮挡，IC1的受光器得不到光照呈高阻(几兆欧)，a点呈高电平(接近VDD)，VT1(PNP型)截止;与其相接的IC2无电不工作;当有人撬屉拉出抽屉时，挡板随即离开断路器的槽口，红外光路不再被遮挡，光电三极管受到光照，将光信号转换成电信号，光电流达十几毫安，光电三极管呈低电阻，a点呈低电平，使VT1饱和导通，IC2得电并触发，随即发出报警信号。,IC2采用LH169A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。LH169A的工作电压为2.45v

12、，典型电压为4.5v，静态下耗电甚微，其静态电流Isb1A。LH619A采用片状黑膏软封装，外形尺寸为24mm135mm，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GP1501，GP1S05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

13、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(16CD40106)整形后，加至IC3的CP端。IC3IC5为三只十进制加减计数译码锁存驱动器集成电路CD40110，将IC3IC5接成三级加计数电路。C1、R26微分电路用于电路加电时对IC3IC5自动清零。SA为手动清零开关。,CD40110为LE的锁存控制端，TE为触发控制端，接低电平(VSS)使电路呈计数状态。CP端为脉冲触发端，上升沿有效，

14、其CP端每加来一个上跳变脉冲，经IC3IC5计数、译码后，分别加至IC6IC8共阴极数码管的ag相应端，显示累计的计数值。当反射型光电断路器IC1所监测的传送带无物件(工件)传过时，IC1的光电管呈静态，输出呈低电乎，VT1截止，IC3的CP端无脉冲，计数器停止计数，显示电路保持原来的显示数字。待再有物件传送时，再累计计数，最大计数为999。若待计的物件超过999，在本电路基础上，可再级联多级计数和显示电路，计数、显示原理相同。IC1选用反射型光电断路器了LP903，LP908或ON2502，P2058型等，其输出级均为光电三极管型。,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

15、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(Light ON)；当被检测物件插

16、入或通过槽口时，光路被遮挡，光接收器得不到光照呈高阻(1M以上)，光电管只有暗电流(约1A或更低)，呈截止状态，即处于暗态(Dark ON)。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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、涉测长,由计数值k根据左式就可计算出被测位移l,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

23、（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

24、计,超声波流量计,倒车雷达,2.8 红外传感器,红外检测利用的是物体的热辐射性质。物体的辐射能量与物体的温度、性质及表面状态有关，若测得物体的辐射能量，就可确定物体的温度或鉴别物体的性质。据此制成的传感器称为红外传感器或红外探测器。,电磁波谱图,2.8.1 红外探测器,透射式红外探测器的光学系统,反射式红外探测器的光学系统,2.8.2 红外传感器的应用,1.红外无损检测,焊接缺陷的检测,铸件内部缺陷的检测,疲劳裂纹的检测,红外热像仪,2.8.2 红外传感器的应用,2.红外测温,以锻件温度红外检测为核心的锻造自动线,红外测温仪,2.9 现代传感技术的发展方向,发现并利用新现象,开发利用新的功能材

25、料,采用新的制造工艺,开发多功能集成传感器,开发智能传感器,开发仿生传感器,扩散硅压力变送器,溅射薄膜压力传感器,三维力传感器,六维力传感器,智能传感器（SmartSensor）,智能RS232倾角传感器,智能电涡流传感器,智能转子流量计,智能椭圆齿轮流量计,智能压力变送器,智能涡轮流量计,智能压力网络传感器,振动网络传感器,IC总线数字温度传感器,本章小结,现代新型传感器有着许多为传统传感器所不具备的优点。这些新型传感器大多利用了新的物理现象、新的材料、新的制造工艺等现代科学技术成果，它们的出现大大扩展了测试工作的范围，改善了测试系统的性能，提高了测试精度和测试的可靠性，还导致了一些新的测试技术手段的出现。本章所介绍的几种新型传感器仅仅是现代新型传感器中的一小部分，它们是机电工程领域中应用较多的现代新型传感器。诸如生物传感器、化学传感器、仿生传感器、智能传感器等也都是现代科学技术的产物。,