光電檢測技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和發(fā)展

1、 光機(jī)電檢測技術(shù)結(jié)課論文光電檢測技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用摘要：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(jī)，包裝機(jī)械，洗衣機(jī)當(dāng)中的應(yīng)用，論述了在工藝上應(yīng)該注意的問題。關(guān)鍵詞：光電檢測，機(jī)械前言：檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(dòng)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(yuǎn)距離、抗干擾能力強(qiáng)、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

2、檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。1.光電檢測的基本原理圖1 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(shí),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2。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?yàn)榘雽?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

3、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(shí)和普通二極管一樣具有單向?qū)щ娦?使用時(shí)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(qiáng)度的變化在負(fù)載電阻的兩端就會產(chǎn)生隨光強(qiáng)度變化的光電壓,經(jīng)檢波、放大處理去推動(dòng)控制系統(tǒng)。圖22.光電檢測在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 光電檢測技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)上多用于位置檢測，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無接觸檢測，因而可以將機(jī)械動(dòng)態(tài)檢測變成光電靜態(tài)檢測，從而可顯著簡化機(jī)械結(jié)構(gòu).除此之外在很多場合還可省去調(diào)整操作，

4、如印刷機(jī)上的紙X到位檢測采用光電檢測技術(shù)后，紙X厚度可在相當(dāng)大的X圍內(nèi)變化，而無需調(diào)整檢測部件;相反在采用機(jī)械檢測方法時(shí)，紙X稍有變化(如0.02mm )就要調(diào)整檢測裝置，否則機(jī)器就可能不正常工作，由于印刷機(jī)上所用紙X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X厚度變化而發(fā)愁了，同樣在紡織機(jī)械、軋鋼機(jī)械等其它設(shè)備上也可用光電檢測技術(shù)代替機(jī)械檢測。1) 印刷機(jī)上的應(yīng)用透射式光電管在印刷機(jī)上主要用于位置檢測和雙X檢測，其位置檢測實(shí)際結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(A)所示.圖中光電管1是通用的槽形光耦 ，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

5、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X2到達(dá)接收管3，紙X厚度或透明度發(fā)生變化后，接收管3輸出的信號強(qiáng)度也隨之變化，因而在用一X紙調(diào)試好后(即接收管輸出的信號在正常規(guī)定的X圍內(nèi))，當(dāng)有兩X紙或多X紙通過發(fā)光管和接收管之間時(shí)，接收管的輸出信號強(qiáng)度減弱，從而發(fā)出雙X或多X控制信號. 圖（3）射式光電管主要用于位置檢測，其在印刷機(jī)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X到達(dá)光電管下面時(shí)，紙X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(gè)紙到的輸出信號.反之如果紙X沒有到達(dá)光電管下面

6、，則光電管無輸出信號.圖（4）2）包裝機(jī)械中的應(yīng)用 光電檢測技術(shù)在包裝機(jī)械中多用于計(jì)數(shù)、容器定位、料面控制和色質(zhì)檢測等方面。其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無接觸檢測,可將機(jī)械動(dòng)態(tài)檢測變成光電靜態(tài)檢測,從而顯著簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。如圖2所示為牙膏灌裝機(jī)上的商標(biāo)對準(zhǔn)裝置原理圖。牙膏管尾端夾扁必須與商標(biāo)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(shí),凸輪通過杠桿將牙膏帶底座從支架上托起,由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慢速旋轉(zhuǎn),當(dāng)牙膏管上的標(biāo)記(代表商標(biāo)位置)與光電接受頭對準(zhǔn)時(shí),該有色標(biāo)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(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)進(jìn)行尾端夾扁即能與商標(biāo)在同一平面上。圖

7、3所示為用光電檢測裝置控制充填的實(shí)例。該裝置為透射式,當(dāng)包裝容器輸送到位時(shí),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(jī)構(gòu)方能動(dòng)作。圖（5）圖（6）3）模糊控制洗衣機(jī)中的應(yīng)用 模糊控制洗衣機(jī)主要是在普通洗衣機(jī)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(jī)根據(jù)采集到的信息,經(jīng)過模糊計(jì)算與推理,采用最佳的洗滌策略進(jìn)行洗滌,在洗滌過程中,利用光電傳感器實(shí)時(shí)檢測洗滌液及水的混濁度變化,以

8、此來確定洗滌時(shí)間和洗滌過程何時(shí)結(jié)束。根據(jù)模糊控制洗衣機(jī)的工作原理,設(shè)計(jì)模糊控制洗衣機(jī)檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖（7） 洗衣機(jī)通過負(fù)載傳感器、衣物質(zhì)料檢測系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)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(jìn)行檢測3,并通過單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出相應(yīng)的值,以便于進(jìn)行模糊計(jì)算與推理,進(jìn)而推斷出洗滌時(shí)間、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、清洗時(shí)間、脫水時(shí)間和水位等參量用以實(shí)時(shí)控制洗衣機(jī)進(jìn)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(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制最重要的兩個(gè)輸入量,它對洗滌時(shí)間的長短、水位的高低、洗衣粉的

9、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(dòng)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(jī)斷電后滾筒停轉(zhuǎn)的時(shí)間不同,為了適應(yīng)不同類型的電動(dòng)機(jī),我們直接測量與滾筒相連的皮帶輪的轉(zhuǎn)速,在洗衣機(jī)上均布六個(gè)光電傳感器,在未加水的情況下,皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),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(gè)相鄰傳感器收到信號的時(shí)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù),進(jìn)而推算出衣物的重量。衣物質(zhì)料的檢測通過檢測多點(diǎn)水位測量并采用通過斷電后測量其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)進(jìn)而推算出衣物質(zhì)料的方法。其檢測原理為:通過向洗衣機(jī)

10、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?yàn)橄嗤|(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(gè)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(jī)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(dá)到hn時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)膽,使衣物充分吸水,得到水位值He,這時(shí)在已知質(zhì)料的前提下,兩個(gè)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(gè)因素

11、。在洗衣機(jī)內(nèi)膽轉(zhuǎn)動(dòng)到一定速度后,讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),由于不同衣物重量的被洗衣物的阻抗不同,因此電機(jī)停止的不同,通過接近開關(guān)可測量電機(jī)在慣性作用下的脈沖數(shù),可作為判斷布量的第二個(gè)因素。根據(jù)以上兩個(gè)判斷因素可推斷出被洗衣物的質(zhì)料。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(jìn)行位置檢測，因而要進(jìn)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(gè)位置安裝，且需要對中，因而

12、給安裝和調(diào)試帶來不方便.尤其是印刷機(jī)上零部件比較多，一般情況下都使用反射式光耦 ，只有在無法用反射光耦的情況下才考慮使用透射式光耦，如印刷機(jī)用的光電雙X檢測裝置，光電管的靈敏度也是選用光電管時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)基本準(zhǔn)則，光電管并不是越靈敏越好，因?yàn)槿绻^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(shí)際情況而定.(2)抗干擾問題干擾是設(shè)計(jì)電路時(shí)所要考慮的一個(gè)重要問題，如果能在設(shè)計(jì)電路時(shí)就將干擾考慮進(jìn)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(qiáng)就有可能造成光電管誤動(dòng)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)

13、.光電管本身也存在噪聲信號，有時(shí)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(dòng)作就要在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)也有可能產(chǎn)生噪聲信號，這在設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行檢測，因而其表面上臟后容易造成其誤動(dòng)作，所以印刷機(jī)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(shí)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(biāo)，從使用角度看一般其壽命可以達(dá)到1護(hù)次數(shù)(相當(dāng)于機(jī)器運(yùn)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(shí)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(jì)的最基本原則. 隨著精密度和功能特性的提高，光電檢測技術(shù)將越來越多地代替機(jī)械檢測，在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也會越來越廣