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1、第十章第十章 光电传感器（下）光电传感器（下）第四节第四节 光电开关及光电断续器光电开关及光电断续器 从原理上讲，光电开关及光电断续器从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是没有太大的差别，都是由红外线发射元件由红外线发射元件与光敏接收元件组成与光敏接收元件组成，只是，只是光电断续器是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米毫米，而，而光电开关的检测距离可达几米至光电开关的检测距离可达几米至几十米几十米。3/7/20231一、光电开关的结构和分类一、光电开关的结构和分类 光电开关可分为光电开关可分为遮断型遮断型和和反射型反射型两大类。
2、遮断两大类。遮断型光电开关的型光电开关的发射器和接收器相对安放发射器和接收器相对安放，轴线严格，轴线严格对准。对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断断，接收器接收不到红外线而，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关的遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米检测距离一般可达十几米，对所，对所有能遮断光线的物体均可检测。有能遮断光线的物体均可检测。反射型光电开关的发射器和接收器反射型光电开关的发射器和接收器单侧安装单侧安装，当有物体在光电开关面前通过时，红外光束被反射当有物体在光电开关面前通过时，红外光束被反射回来，接
3、收器接收到红外线，而回来，接收器接收到红外线，而产生一个正脉冲信产生一个正脉冲信号号。反射型光电开关的。反射型光电开关的检测距离一般不超过检测距离一般不超过1m1m，对对暗色物体无法检测暗色物体无法检测。3/7/20232 光电开关外形光电开关外形3/7/20233某系列光电开关型号说明某系列光电开关型号说明 3/7/20234遮断型光电开关示意图遮断型光电开关示意图遮断报警遮断报警3/7/20235遮断式光电开关原理遮断式光电开关原理ObjectReceiver 遮遮断断式式光光电电开开关关由由相相互互分分离离且且相相对对安安装装的的光光发发射射器器和和光光接接受受器器组组成成。当当被被检检
4、测测物物体体位位于于发发射射器器和和接接受受器器之之间间时时，光光线线被被阻阻断断，接接受受器器接接受受不不到到红红外外线线而而产产生生开开关关信号。信号。被检测物体光发射器光接收器3/7/20236遮断型遮断型光电开关用于人体保护光电开关用于人体保护3/7/20237 光电开关在光电开关在 流水线上的应用流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）3/7/20238光电开关在产品检验中的应用光电开关在产品检验中的应用遮断型光电开关用于产品质量控制3/7/
5、20239光幕光幕 两个柱两个柱形结构相对形结构相对而立，每隔而立，每隔数十毫米安数十毫米安装一对发光装一对发光二极管和光二极管和光敏接收管，敏接收管，形成光幕，形成光幕，当有物体遮当有物体遮挡住光线时，挡住光线时，传感器发出传感器发出报警信号。报警信号。接收器接收器3/7/202310 光幕应用光幕应用 当有物当有物体遮挡住光体遮挡住光线时，传感线时，传感器发出报警器发出报警信号，起保信号，起保护、预警等护、预警等作用。作用。光线被遮断（报警）光线被遮断（报警）3/7/202311 光幕应用（续）光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量3/7/202312 光幕应用（续）光幕应用（续）三维尺寸
6、三维尺寸检测检测宽度宽度 测量测量长度长度 测量测量高度高度 测量测量3/7/202313 光幕应用（续）光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测3/7/202314 光幕应用（续）光幕应用（续）孔的检测孔的检测3/7/202315 光幕应用（续）光幕应用（续）纠偏纠偏 光光幕幕可可检检测测出出带带材材在在卷卷曲曲过过程程中中的的偏偏移移，经经控控制制器器和和执执行行机机构构使使带带材材向向正正确确的的方方向向运运动动（纠偏）。（纠偏）。3/7/202316 光幕应用（续）光幕应用（续）光幕用于光幕用于 自动收费系统的自动收费系统的车辆检测车辆检测3/7/202317 光幕应用（续）
7、光幕应用（续）锻压机床的锻压机床的 安全区域设置安全区域设置 及入侵报警及入侵报警3/7/202318 光幕应用（续）光幕应用（续）安全区示警安全区示警3/7/202319 光幕应用（续）光幕应用（续）手的手的安全区保护安全区保护3/7/202320反射型光电开关反射型光电开关 反射型光电开关分为两种情况：反射型光电开关分为两种情况：反反射镜反射型射镜反射型及及被测物漫反射型被测物漫反射型（简称散射（简称散射型）。型）。反射镜反射型光电开关采用较为方便反射镜反射型光电开关采用较为方便的的单侧安装单侧安装方式，但需要方式，但需要调整反射镜的角调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果度以取得最佳的反射
8、效果。反射镜通常使。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用感，有的还采用偏光镜偏光镜，它能将光源发出，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，光）反射回去，提高抗干扰能力提高抗干扰能力。3/7/202321定定区域反射式光电开关原理区域反射式光电开关原理 定定区区域域式式光光电电开开关关有有一一个个非非常常确确定定的的检检测测区区域域，不不经经过过该该区区域域的的被被测测物物体体不不会会引引起起光光电电开开关关产产生生开关信号开关信号。检测距离检测距离3/7/202322反射
9、型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜三角反射镜集发射、接收器集发射、接收器于一身于一身3/7/202323反射镜反射镜反射型反射型光电开关光电开关工作原理工作原理反射镜使用偏光三角棱镜，反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。回来的偏振光。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光3/7/202324反射镜反射镜反射镜反射型反射镜反射型光电开关的应用光电开关的应用 塑料塑料瓶的反射瓶的反射光不
10、是偏光不是偏振光，不振光，不会引起报会引起报警。警。3/7/202325反射镜反射型反射镜反射型光电开关的应用光电开关的应用（续）（续）反射镜反射型检测有无物体通过反射镜反射型检测有无物体通过3/7/202326反射镜反射型反射镜反射型光电开关的应用光电开关的应用（续）（续）摆放错误检测摆放错误检测3/7/202327反射镜反射型反射镜反射型光电开关的应用光电开关的应用（续）（续）遮光检测遮光检测3/7/202328调制型光电开关原理调制型光电开关原理 光电开关的光电开关的LED多采用中频（多采用中频（40kHz左右）窄脉左右）窄脉冲电流驱动，从而发射冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。
11、相应地，调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。的功耗。3/7/202329被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线 漫漫反反射射型型光光电电开开关关集集光光发发射射器器和和光光接接受受器器于于一一体体。当当被被测测物物体体经经过过该该光光电电开开关关时时，发发射射器器发发出出的的光光线线经经被被测测物物体体表表
12、面面反反射射由由接接受受器器接接受受，于于是是产产生生开关信号开关信号。额定距离额定距离3/7/202330漫反射型漫反射型光电开关的应用光电开关的应用请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备请思考如何将光电开关用于卫生间的自动冲水设备3/7/202331反射型光电开关外形反射型光电开关外形电源电源指示指示信号信号指示指示3/7/202332反射型光电开关外形反射型光电开关外形（续）（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器3/7/202333 智能化自学习型光电开关智能化自学习型光电开关 常规反射型光电开关的动作距离是不变的常规反射型光电开关的动作距离是不变的（与型号有关），当检测流水线上的
13、漫反射物（与型号有关），当检测流水线上的漫反射物体时，必须调节安装距离，十分不方便。体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学自学习型光电开关上设置了一只阈值开关习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下按下阈值开关数秒，待阈值开关数秒，待“学习学习”指示灯闪亮停止后指示灯闪亮停止后，内部的微处理器就记住了两者之间的距离内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就，就能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的被检测物体作出反应。当流水线上的被检测品被检测物体作出反应。当流水线上的被
14、检测品种改变时，只需再次种改变时，只需再次“学习学习”，而，而不必调节机不必调节机械安装螺丝械安装螺丝。3/7/202334 智能化光电开关的自学习过程示意图智能化光电开关的自学习过程示意图阈值开关阈值开关学习指示灯学习指示灯设定距离设定距离安装距离安装距离3/7/202335表面反射率表面反射率 对于漫反射式光电开关发出的光线需对于漫反射式光电开关发出的光线需要要被检测物表面将足够的光线反射回接收被检测物表面将足够的光线反射回接收器器，所以检测距离和被检测物体的表面反，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，强度，被检测物
15、体的表面还应尽量垂直于被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。光电开关的发射光线。3/7/202336常用材料的反射率（相对于白纸的估计值）常用材料的反射率（相对于白纸的估计值）3/7/202337光电开关的最大指向角示意图光电开关的最大指向角示意图3/7/202338 光电开关应用（续）光电开关应用（续）包装分类检测包装分类检测3/7/202339 光电开关应用（续）光电开关应用（续）IC引脚检测引脚检测3/7/202340 光电开关应用（续）光电开关应用（续）透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测3/7/202341 光电开关应用（续）光电开关应用（续）加工控制加工控制
16、3/7/202342 光电开关应用（续）光电开关应用（续）机械手定位机械手定位3/7/202343光电开关应用（续）光电开关应用（续）三角皮带脱落检测三角皮带脱落检测暖气片高度差暖气片高度差的测量的测量3/7/202344 光电开关应用（续）光电开关应用（续）高度和步距检测高度和步距检测3/7/202345 光电开关应用（续）光电开关应用（续）QFP管脚排列管脚排列的检测的检测 构件厚度构件厚度 的测量的测量3/7/202346光电开关应用（续）光电开关应用（续）机械手定位机械手定位3/7/202347 光电开关应用（续）光电开关应用（续）集成电路方向检测集成电路方向检测换向器间隙深度测量换向
17、器间隙深度测量3/7/202348光电开关应用（续）光电开关应用（续）商标方向检测商标方向检测3/7/202349光电开关应用（续）光电开关应用（续）芯片厚度测量芯片厚度测量 根据高度差的测量可根据高度差的测量可不受本底起伏的影响不受本底起伏的影响3/7/202350光电开关应用（续）光电开关应用（续）产品长度检测产品长度检测3/7/202351光电开关应用（续）光电开关应用（续）产品组装质量检测产品组装质量检测3/7/202352二、二、光电断续器光电断续器 光电断续器可分为光电断续器可分为遮断型遮断型和和反射型反射型两种。两种。遮断型光电断续器也称为遮断型光电断续器也称为槽式光电开关槽式光
18、电开关，通常，通常是标准的是标准的U字型结构。字型结构。其发射器和接收器其发射器和接收器做在做在体积很小的同一塑料壳体中，体积很小的同一塑料壳体中，分别位于分别位于U型槽型槽的两边，并形成一光轴的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过被检测物体经过U U型槽且阻断光轴时型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测较适合高速检测。3/7/202353反射式反射式 光电光电断续器断续器 光电断续器广泛应用于自
19、动控制系统、生产流光电断续器广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器的发光二极管可以用直流电驱动，亦可光电断续器的发光二极管可以用直流电驱动，亦可用用40kHz40kHz尖脉冲电流驱动；红外尖脉冲电流驱动；红外LEDLED的正向压降约为的正向压降约为1.11.1 1.3V1.3V，驱动电流控制在驱动电流控制在20mA20mA以内。以内。3/7/202354光电断续器外形光电断续器外形3/7/202355光电断续器外形（续）光电断续器外形（续）3/7/202356光电断续器外形（续）光电断续器外形（续）红色红
20、色光柱光柱3/7/202357光电断续器示意图光电断续器示意图 接收器接收器发射器发射器槽槽遮光报警遮光报警3/7/202358光电断续器的应用光电断续器的应用透明簿膜透明簿膜透明物上的透明物上的标记物检出标记物检出3/7/202359 齿齿 盘盘 每每转转过过一一个个齿齿，光光电电断断续续器器就就输输出出一一个个脉脉冲冲。通通过过脉脉冲冲频频率率的的测测量量或或脉脉冲冲计计数数，即即可可获获得得齿齿盘盘转转速速和和角位移。角位移。光电断续器的应用（续）光电断续器的应用（续）请写出转速与频率的关系式请写出转速与频率的关系式n=？n3/7/202360 当当 工工 件件经经过过光光电电断断续续器
21、器时时，接接收收器器即即产产生生一一个个计计数数脉脉冲。冲。光电断续器的应用（续）光电断续器的应用（续）3/7/202361光电传感器的其他用途光电传感器的其他用途注料注料检测检测瓶盖瓶盖检测检测3/7/202362其他光电传感器外形其他光电传感器外形3/7/202363光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）阀门手柄阀门手柄位置检测位置检测产品计数产品计数3/7/202364光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）断裂检测断裂检测电梯自动运行电梯自动运行条件判断条件判断3/7/202365光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）进出检测进出检测磨床行程控制
22、磨床行程控制3/7/202366光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）水位上下限控制水位上下限控制液面检测液面检测3/7/202367光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）自动注料自动注料物位检测物位检测3/7/202368光电传感器的其他用途（续）光电传感器的其他用途（续）物体倒置辨别物体倒置辨别转速检测转速检测3/7/202369第五节第五节 CCD图像传感器及应用图像传感器及应用 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称简称CCD）具有光电转换、信息存储和传输具有光电转换、信息存储和传输等功能。等功能。CCD具有具有集成度高
23、、功耗小、分辨力高、集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于图像传感器被广泛应用于生活、天生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统和自动控制系统。本节简单介绍。本节简单介绍CCD图像传图像传感器的感器的原理及其应用原理及其应用。3/7/202370MOS电容器组成的电容器组成的光敏元光敏元及及数据面数据面的显微照片的显微照片CCD读出移位寄存器读出移位寄存器的的数据面显微照片数据面显微照片CCD的光敏元结构及存储电荷的原理的光敏元结构及存储电荷的原理 3/7/202371 彩色彩色CCD
24、显微照片（放大显微照片（放大7000倍）倍）3/7/202372 CCD图像传感器的分类图像传感器的分类 1.1.线阵线阵CCD外形外形 3/7/2023732.面阵面阵CCD 面阵面阵CCD能在能在x、y两两个方向都能实现电子个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。自扫描，可以获得二维图像。3/7/202374面阵面阵CCD外形（续）外形（续）200万和万和1600万像素的面阵万像素的面阵CCD 3/7/202375面阵面阵CCD外形（续）外形（续）3/7/202376面阵面阵CCD外形（续）外形（续）3/7/202377CCD图像传感器的应用图像传感器的应用 线阵线阵CCD在在 扫描仪
25、中的应用扫描仪中的应用 3/7/202378线阵线阵CCD在图像扫描中的应用在图像扫描中的应用 线线阵阵CCD摄像机可摄像机可用于彩色印刷中的套用于彩色印刷中的套色工艺监控色工艺监控 风云一号卫星可以对风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布地球上空的云层分布 进行逐行扫描进行逐行扫描3/7/202379线阵线阵CCD用于字符识别用于字符识别3/7/202380CCD数码照相机数码照相机 数码相机简称数码相机简称DC，它采用它采用CCD作为光作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、数码相机从
26、外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。结构也大不相同。3/7/202381CCD用于图像记录用于图像记录 3/7/202382数码相机的外形数码相机的外形3/7/202383三基色分离原理三基色分离原理 CCD数码照相机的结构数码照相机的结构3/7/202384数码相机的数码相机的结构结构解剖图解剖图CCD及镜头及镜头3/7/202385CCD数码显微镜数码显微镜拍摄的金属表面显微照片拍摄的金属表
27、面显微照片3/7/202386CCD数码摄像机数码摄像机 3/7/202387CMOS图像传感器图像传感器 CMOS图像传感器是采用图像传感器是采用互补金属互补金属-氧化氧化物物-半导体工艺制作半导体工艺制作的另一类图像传感器，的另一类图像传感器，简称简称CMOS。现在市售的现在市售的视频摄像头视频摄像头多使用多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传图像传感器感器成像质量比成像质量比CCD略低，略低，但但CMOS具有具有体积体积小、耗电量小、售价便宜小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，加工技术的进步，CMOS的各
28、项技术指标有望的各项技术指标有望超过超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。广泛。3/7/202388CMOS视频摄像头视频摄像头 带红外带红外LED照明的照明的CMOS视频摄像头视频摄像头3/7/202389CMOS视频摄像头的外部结构视频摄像头的外部结构 3/7/202390CMOS视频摄像头的外形及内部结构视频摄像头的外形及内部结构 3/7/202391红外热像传感器的红外摄像功能红外热像传感器的红外摄像功能 不同的颜色和亮度不同的颜色和亮度代表不同的温度代表不同的温度 任何物体只要任何物体只要温温度高于绝对零度度高于绝对零度，内，内部原子就会作无规
29、则部原子就会作无规则运动，并运动，并不断地辐射不断地辐射出热红外能量出热红外能量。红红外外探探测测器可器可将物体将物体辐辐射射的的红红外功率信号外功率信号转换转换成成电电信号信号，在，在计计算机算机成像系成像系统统的的显显示屏上示屏上，将将得到与物体表面得到与物体表面热热分布相分布相对应对应的的热热像像图图。3/7/202392红外热像传感器的红外摄像功能红外热像传感器的红外摄像功能 断指断指狗狗手枪钻的手枪钻的发热部位发热部位3/7/202393热成像仪的使用热成像仪的使用 3/7/202394各种热像各种热像变电站的热像变电站的热像从热像中可以从热像中可以判断过热位置判断过热位置3/7/202395白天的图像与热像的对比白天的图像与热像的对比 热像热像3/7/202396各种输电设备的热像各种输电设备的热像输电线接头过热输电线接头过热3/7/202397 休休 息息 一一 下下3/7/202398