光電檢測技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用與發(fā)展.doc

光電檢測技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用與發(fā)展摘要：本文通過對光電檢測基本原理的描述，通過討論了光電檢測技術(shù)在印刷機，包裝機械，洗衣機，表面粗糙度的測定當(dāng)中的應(yīng)用，論述了在工藝上應(yīng)該注意的問題，同時展望了光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢關(guān)鍵詞：光電檢測 機械前言：檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟的各個行業(yè)中,起著舉足輕重的作用,無論科學(xué)研究、產(chǎn)品質(zhì)量及自動控制都需要檢測,利用現(xiàn)代光電子技術(shù)作為檢測手段,具有無接觸、無損、遠距離、抗干擾能力強、受環(huán)境影響小、檢測速度快、測量精度高等優(yōu)越性,是當(dāng)今檢測技術(shù)發(fā)展的主要方向。光電檢測技術(shù)是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計算機運算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。光電檢測在機械設(shè)計中的應(yīng)用也越來越多。1.光電檢測的基本原理光電檢測系統(tǒng)主要由投光器(光源)、受光器、信號處理裝置等組成。根據(jù)受光器所感知的信號判斷被測對象的有無、形狀、方位和顏色時,按投光器和受光器的相對位置不同可分為反射型和透過型兩種型式,見圖1。作為光電檢測媒介的光可以是自然光如白熾燈、螢光燈或鹵素?zé)舭l(fā)出的光。隨著光電技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)常用的是一種特殊的經(jīng)過調(diào)制的光,它是反光二極管在電壓作用下發(fā)出的光。因為半導(dǎo)體沒有熱慣性,可以在通電的瞬間發(fā)光,并且可發(fā)出與電流波形相同的光,這大大提高了其抗干擾能力。投光器發(fā)出的光采用不同形式接觸被測物后照射在受光器上,而受光器是在光照射下產(chǎn)生電流(或電導(dǎo)率發(fā)生變化),即所謂的具有光電效應(yīng)的光敏元件,常用的有光電二極管和光電三極管。光電二極管的PN結(jié)在沒有光照時和普通二極管一樣具有單向?qū)щ娦?使用時處于反向偏置;光線照射管芯,會產(chǎn)生光生載流子,在反向電壓作用下,生載流子導(dǎo)電產(chǎn)生光電流,即隨入射光強度的變化在負載電阻的兩端就會產(chǎn)生隨光強度變化的光電壓,經(jīng)檢波、放大處理去推動控制系統(tǒng)。 圖（2） 2.光電檢測在機械設(shè)計中的應(yīng)用光電檢測技術(shù)在機械設(shè)計上多用于位置檢測，其特點是可以實現(xiàn)無接觸檢測，因而可以將機械動態(tài)檢測變成光電靜態(tài)檢測，從而可顯著簡化機械結(jié)構(gòu).除此之外在很多場合還可省去調(diào)整操作，如印刷機上的紙張到位檢測采用光電檢測技術(shù)后，紙張厚度可在相當(dāng)大 的范圍內(nèi)變化，而無需調(diào)整檢測部件;相反在采用機械檢測方法時，紙張稍有變化(如0.02mm )就要調(diào)整檢測裝置，否則機器就可能不正常工作，由于印刷機上所用紙張是經(jīng)常變化的，因而采用光電檢測技術(shù)后，就不必再為紙張厚度變化而發(fā)愁了，同樣在紡織機械、軋鋼機械等其它設(shè)備上也可用光電檢測技術(shù)代替機械檢測。1) 印刷機上的應(yīng)用透射式光電管在印刷機上主要用于位置檢測和雙.張檢測，其位置檢測實際結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(A)所示.圖中光電管1是通用的槽形光禍，控制圓盤2用來控制光電管1發(fā)光管和接收管之間的通與斷，控制圓盤2固定在回轉(zhuǎn)軸3上，因而可以用來檢測回轉(zhuǎn)軸3的相對位置，從而根據(jù)工藝要求發(fā)出相應(yīng)的控制信號，厚度檢測如圖2(B)所示，由發(fā)光管1發(fā)出的信號經(jīng)過紙張2到達接收管3，紙張厚度或透明度發(fā)生變化后，接收管3輸出的信號強度也隨之變化，因而在用一張紙調(diào)試好后(即接收管輸出的信號在正常規(guī)定的范圍內(nèi))，當(dāng)有兩張紙或多張紙通過發(fā)光管和接收管之間時，接收管的輸出信號強度減弱，從而發(fā)出雙張或多張控制信號. 圖（3）射式光電管主要用于位置檢測，其在印刷機的應(yīng)用過程如圖3所示，光電管1上面裝有發(fā)光管和接收管兩部分，當(dāng)紙張到達光電管下面時，紙張上面的反射信號回到光電管1的接收管內(nèi)，從而在接收管的外圍線路里產(chǎn)生一個紙到的輸出信號.反之如果紙張沒有到達光電管下面，則光電管無輸出信號.圖（4）2）包裝機械中的應(yīng)用光電檢測技術(shù)在包裝機械中多用于計數(shù)、容器定位、料面控制和色質(zhì)檢測等方面。其特點是可以實現(xiàn)無接觸檢測,可將機械動態(tài)檢測變成光電靜態(tài)檢測,從而顯著簡化機械結(jié)構(gòu)。如圖2所示為牙膏灌裝機上的商標對準裝置原理圖。牙膏管尾端夾扁必須與商標圖案在同一平面,采用反射型光電控制裝置。當(dāng)灌裝好的牙膏傳送到該工位時,凸輪通過杠桿將牙膏帶底座從支架上托起,由步進電動機帶動慢速旋轉(zhuǎn),當(dāng)牙膏管上的標記(代表商標位置)與光電接受頭對準時,該有色標記將無反射光,受光器即接受光信號轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)放大整形處理控制步進電動機迅速停止轉(zhuǎn)動,這時進行尾端夾扁即能與商標在同一平面上。圖3所示為用光電檢測裝置控制充填的實例。該裝置為透射式,當(dāng)包裝容器輸送到位時,擋住了發(fā)光器投射到受光器上的光線,說明具備了充填條件,光敏元件發(fā)送出電信號,由充填控制裝置控制的充填執(zhí)行機構(gòu)方能動作。圖（5）圖（6）3）模糊控制洗衣機中的應(yīng)用模糊控制洗衣機主要是在普通洗衣機的基礎(chǔ)上,在硬件系統(tǒng)中增加了對被洗衣物質(zhì)料、衣物重量、臟污程度、臟污性質(zhì)和洗滌劑量等參數(shù)檢測所需的一些傳感器及其接口電路和相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電路,通過這些傳感器檢測被洗衣物的質(zhì)料、重量、溫度等信息,單片機根據(jù)采集到的信息,經(jīng)過模糊計算與推理,采用最佳的洗滌策略進行洗滌,在洗滌過程中,利用光電傳感器實時檢測洗滌液及水的混濁度變化,以此來確定洗滌時間和洗滌過程何時結(jié)束。根據(jù)模糊控制洗衣機的工作原理,設(shè)計模糊控制洗衣機檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖（7） 洗衣機通過負載傳感器、衣物質(zhì)料檢測系統(tǒng)、電動機慣性響應(yīng)檢測系統(tǒng)、光電傳感器、溫度傳感器、水位變化檢測系統(tǒng)分別對衣物重量、衣物質(zhì)料、臟污程度、臟污性質(zhì)、水溫和水位等進行檢測3,并通過單片機控制系統(tǒng)輸出相應(yīng)的值,以便于進行模糊計算與推理,進而推斷出洗滌時間、電動機轉(zhuǎn)速、清洗時間、脫水時間和水位等參量用以實時控制洗衣機進行工作。2.1光電檢測技術(shù)在衣物重量和衣物質(zhì)料檢測方面的應(yīng)用衣物重量和衣物質(zhì)料是洗衣機實現(xiàn)模糊控制最重要的兩個輸入量,它對洗滌時間的長短、水位的高低、洗衣粉的投放量有著直接的影響。對于衣物重量的檢測,采用通過斷電后測量其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)推算出衣物重量的方法,其檢測依據(jù)是不同的布量產(chǎn)生不同的布阻抗,使電機斷電后滾筒停轉(zhuǎn)的時間不同,為了適應(yīng)不同類型的電動機,我們直接測量與滾筒相連的皮帶輪的轉(zhuǎn)速,在洗衣機上均布六個光電傳感器,在未加水的情況下,皮帶輪轉(zhuǎn)動時,傳感器發(fā)出光電信號,通過光電接收裝置采集信號,測出每兩個相鄰傳感器收到信號的時間間隔和光電信號的脈沖數(shù)量,由相應(yīng)軟件推算出在斷電后電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動的圈數(shù),進而推算出衣物的重量。衣物質(zhì)料的檢測通過檢測多點水位測量并采用通過斷電后測量其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)進而推算出衣物質(zhì)料的方法。其檢測原理為:通過向洗衣機內(nèi)膽注入一定量的水A升,在此期間,測量n次水位。若無被洗衣物,則水位應(yīng)為H1,H2,Hn,若有被洗物,則水位為h1,h2,hn。因為相同質(zhì)料的衣物吸水性能是相同的,而相同衣物重量不同質(zhì)料的衣物吸水性能是不同的,所以在水位H附近,兩個水位差值Hi- hi(Hi,hi均小于H)變化曲線可反映被洗衣物的吸水性能,通過吸水性能可判斷布質(zhì)。其具體步驟為:當(dāng)洗衣機水位高于H后,被洗衣物的重量和質(zhì)料都會影響水位的變化,當(dāng)水位達到hn時,轉(zhuǎn)動內(nèi)膽,使衣物充分吸水,得到水位值He,這時在已知質(zhì)料的前提下,兩個水位差值Hi- hi(Hi,hi均大于H)變化規(guī)則和Hn與He的差值,可作為判斷被洗衣物的布量的一個因素。在洗衣機內(nèi)膽轉(zhuǎn)動到一定速度后,讓電機停止轉(zhuǎn)動,由于不同衣物重量的被洗衣物的阻抗不同,因此電機停止的不同,通過接近開關(guān)可測量電機在慣性作用下的脈沖數(shù),可作為判斷布量的第二個因素。根據(jù)以上兩個判斷因素可推斷出被洗衣物的質(zhì)料。4）檢測表面粗糙度中的應(yīng)用采用半導(dǎo)體激光器、光學(xué)纖維和更合理的光路結(jié)構(gòu)，具有功耗低、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、測量范圍大、體積小、成本低等特點。其原理為:當(dāng)一束光入射到粗糙表面時，受表面微觀不平度的調(diào)制，散射光強度呈特定的空間角分布，當(dāng)表面較為光滑時，散射角分布正比于表面的功率譜密度，如果表面較為粗糙，則與表面的輪廓角分布成比例。對大多數(shù)表面而言，散射光強度角分布為正態(tài)型，而且其形狀特征與表材料和入射光強無關(guān)。因此表面散射光角分布與表面粗糙度具有一一對應(yīng)的關(guān)系。圖1為激光表面粗糙度檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為激光表面粗糙度檢測裝置結(jié)構(gòu)原理圖。圖（8）（9）激光表面粗糙度檢測裝置由測量頭和電箱兩部分組成。測量頭包括半導(dǎo)體激光器2、光纖自聚焦透鏡3、測量物鏡4和聚光鏡6等。被測工件表面5和光電三極管陣列7分別位于測量物鏡4的物、像方焦平面處。電箱包括激光電源1、前置放大器8、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器9、MCS一51單片微機10、LED顯示11和鍵盤12等。由自穩(wěn)功率激光電源1提供電能使半導(dǎo)體激光器2輸出恒定功率的光.經(jīng)光纖白聚焦透鏡3成為平行光.通過測量物鏡4聚焦于被測工件表面5，表面的散射光經(jīng)測量物鏡后變?yōu)槠叫泄?表面上的光斑相當(dāng)于系統(tǒng)的光柵，構(gòu)成遠心光路.可減小物鏡調(diào)焦不準帶來的影響.聚光透鏡6將散射光聚集于光電氣極管陣列7上.其作用是提高接收光的效率.擴大測量范圍.陣列將散射光角分布變?yōu)殡娦盘枺?jīng)前置放大器及A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器9送入單片微機10進行處理.并由數(shù)碼管LED顯示器11顯示出對應(yīng)的R“、尺:或舊國標的相應(yīng)級別。對于不同的加工方法，其光學(xué)散射特征值召、與R“值的關(guān)系不一致，由實驗歸結(jié)為三類表面，測量時由鍵盤12進行選擇。3光電檢測技術(shù)工藝問題分析光電檢測技術(shù)相對并不復(fù)雜，但是要投人生產(chǎn)應(yīng)用還有很多工藝上的問題要解決，一般情況下以下幾方面問題需要予以考慮.(1)光電管的選用原則通過上面分析可以看出，采用反射或透射式光電管都可進行位置檢測，因而要進行位置檢測的話，選用哪一種都可以，一般情況下透射式光電管靈敏度要高一些，主要是其可使光路更短，但是透射式光電管要在上下兩個位置安裝，且需要對中，因而給安裝和調(diào)試帶來不方便.尤其是印刷機上零部件比較多，一般情況下都使用反射式光禍，只有在無法用反射光禍的情況下才考慮使用透射式光禍，如印刷機用的光電雙張檢測裝置，光電管的靈敏度也是選用光電管時應(yīng)考慮的一個基本準則，光電管并不是越靈敏越好，因為如果過于靈敏有可能產(chǎn)生噪聲信號;反之過于遲鈍也不行.具體選什么樣靈敏度的管子要根據(jù)實際情況而定.(2)抗干擾問題干擾是設(shè)計電路時所要考慮的一個重要問題，如果能在設(shè)計電路時就將干擾考慮進去的話，那將大大節(jié)約研制成本.首先要考慮環(huán)境干擾，光電管是靠其接收端接收光信號而工作.如果周圍光源比較強就有可能造成光電管誤動作，所以在可能的情況下應(yīng)盡量將光電管處于密封狀態(tài).光電管本身也存在噪聲信號，有時盡管發(fā)光管不發(fā)光，接收管仍有信號輸出，因而要避免其誤動作就要在設(shè)計時選擇合適的比較電平，除上述所提到的兩種干擾外，還有開關(guān)，繼電器之類部件吸合或斷開時也有可能產(chǎn)生噪聲信號，這在設(shè)計時也是必須考慮的.(3)防臟問題由于光電管要對可見的物體進行檢測，因而其表面上臟后容易造成其誤動作，所以印刷機上用的光電管大多采用封裝結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)其表面有臟時只要用刷子輕輕擦一下即可，采用封裝結(jié)構(gòu)既可防止灰塵沽到光電管表面，又可防止?jié)櫚嬉旱雀g性液體濺到光電管表面.(4)可維修性問題光電管的壽命一般以其開關(guān)次數(shù)做為衡量指標，從使用角度看一般其壽命可以達到1護次數(shù)(相當(dāng)于機器運轉(zhuǎn)5一8年)以上，所以基本上不存在壽命問題，但是有些光電管由于本身質(zhì)量問題或由人為造成光電管損壞等故障則會影響其正常工作，這時候就要考慮其可更換問題，充分考慮產(chǎn)品的可維修性問題是產(chǎn)品工程化設(shè)計的最基本原則.4.發(fā)展趨勢激光光電傳感器可用于二次組裝或制造過程中的零件或安裝工具的定位。過去，這種控制都靠極限開關(guān)和電感接近傳感器實現(xiàn)，如今在許多場合，由于原件尺寸的微型化或者安裝密度的提高，要求極其精確的定位，從而導(dǎo)致視頻系統(tǒng)和高成本激光測控系統(tǒng)的應(yīng)用。而最新的激光器，由于光束直徑小，可使簡單通斷開關(guān)的重復(fù)性優(yōu)于0.0001in.，這種方法改進可用于硅片加工中。檢測小零件和設(shè)備激光光電傳感器可用來提高性能的另一個領(lǐng)域是檢測極小的零件，因為激光光束極細，而且能發(fā)射特定模式的強光，所以這種裝置現(xiàn)在可檢測細如細導(dǎo)線的場合，可用傳感器檢驗導(dǎo)線的穿繞是否正確。這種功能也可用于檢測任意小的零件。例如，激光傳感器可用來對集成電路的引腳計數(shù)或檢驗微型鉆頭的出現(xiàn)隨著精密度和功能特性的提高，光電檢測技術(shù)將越來越多的代替機械檢測。參考文獻：1) 蔡吉飛 趙鴻賓 光電檢測技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用 機械設(shè)計與制造 1999.2 第1期2）周梅方 光電檢測技術(shù)在包裝機械中的應(yīng)用 糧油加工與食品機械 2001年第4期