傳感器-10光電傳感器(下)課件

第十章光電傳感器（下）

第四節(jié)光電開關(guān)及光電斷續(xù)器

從原理上講，光電開關(guān)及光電斷續(xù)器沒有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關(guān)的檢測距離可達(dá)幾米至幾十米。

2/6/20231一、光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類

光電開關(guān)可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開關(guān)的發(fā)射器和接收器相對安放，軸線嚴(yán)格對準(zhǔn)。當(dāng)有物體在兩者中間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個負(fù)脈沖信號。遮斷型光電開關(guān)的檢測距離一般可達(dá)十幾米，對所有能遮斷光線的物體均可檢測。

反射型光電開關(guān)的發(fā)射器和接收器單側(cè)安裝，當(dāng)有物體在光電開關(guān)面前通過時，紅外光束被反射回來，接收器接收到紅外線，而產(chǎn)生一個正脈沖信號。反射型光電開關(guān)的檢測距離一般不超過1m，對暗色物體無法檢測。2/6/20232

光電開關(guān)外形2/6/20233遮斷型光電開關(guān)示意圖遮斷報警2/6/20235遮斷式光電開關(guān)原理ObjectReceiver遮斷式光電開關(guān)由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器2/6/20236遮斷型光電開關(guān)用于人體保護(hù)2/6/20237光電開關(guān)在產(chǎn)品檢驗中的應(yīng)用遮斷型光電開關(guān)用于產(chǎn)品質(zhì)量控制2/6/20239光幕兩個柱形結(jié)構(gòu)相對而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當(dāng)有物體遮擋住光線時，傳感器發(fā)出報警信號。接收器2/6/202310光幕應(yīng)用當(dāng)有物體遮擋住光線時，傳感器發(fā)出報警信號，起保護(hù)、預(yù)警等作用。光線被遮斷（報警）2/6/202311光幕應(yīng)用（續(xù)）

三維尺寸檢測寬度測量長度測量高度測量2/6/202313光幕應(yīng)用（續(xù)）木材外形截面積檢測2/6/202314光幕應(yīng)用（續(xù)）孔的檢測2/6/202315光幕應(yīng)用（續(xù)）光幕用于自動收費系統(tǒng)的車輛檢測2/6/202317光幕應(yīng)用（續(xù)）鍛壓機(jī)床的安全區(qū)域設(shè)置及入侵報警2/6/202318光幕應(yīng)用（續(xù)）安全區(qū)示警2/6/202319反射型光電開關(guān)反射型光電開關(guān)分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（簡稱散射型）。

反射鏡反射型光電開關(guān)采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光（波動方向嚴(yán)格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。2/6/202321定區(qū)域反射式光電開關(guān)原理

定區(qū)域式光電開關(guān)有一個非常確定的檢測區(qū)域，不經(jīng)過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測距離檢測距離2/6/202322反射型光電開關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身2/6/202323反射鏡反射鏡反射型光電開關(guān)的應(yīng)用塑料瓶的反射光不是偏振光，不會引起報警。2/6/202325反射鏡反射型光電開關(guān)的應(yīng)用（續(xù)）反射鏡反射型檢測有無物體通過2/6/202326反射鏡反射型光電開關(guān)的應(yīng)用（續(xù)）擺放錯誤檢測2/6/202327調(diào)制型光電開關(guān)原理光電開關(guān)的LED多采用中頻（40kHz左右）窄脈沖電流驅(qū)動，從而發(fā)射40kHz調(diào)制光脈沖。相應(yīng)地，接收光電元件的輸出信號經(jīng)40kHz選頻交流放大器及專用的解調(diào)芯片處理，可以有效地防止太陽光、日光燈的干擾，又可減小發(fā)射LED的功耗。

2/6/202329被測物漫反射型光電開關(guān)原理漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測物體經(jīng)過該光電開關(guān)時，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關(guān)信號。額定距離2/6/202330漫反射型光電開關(guān)的應(yīng)用請思考如何將光電開關(guān)用于衛(wèi)生間的自動沖水設(shè)備2/6/202331反射型光電開關(guān)外形電源指示信號指示2/6/202332反射型光電開關(guān)外形（續(xù)）靈敏度調(diào)節(jié)電位器2/6/202333智能化自學(xué)習(xí)型光電開關(guān)

常規(guī)反射型光電開關(guān)的動作距離是不變的（與型號有關(guān)），當(dāng)檢測流水線上的漫反射物體時，必須調(diào)節(jié)安裝距離，十分不方便。自學(xué)習(xí)型光電開關(guān)上設(shè)置了一只閾值開關(guān)，當(dāng)流水線上的被檢測物體到達(dá)光電開關(guān)面前時，按下閾值開關(guān)數(shù)秒，待“學(xué)習(xí)”指示燈閃亮停止后，內(nèi)部的微處理器就記住了兩者之間的距離，就能在一定的允許范圍內(nèi)，可靠地對之后來到的被檢測物體作出反應(yīng)。當(dāng)流水線上的被檢測品種改變時，只需再次“學(xué)習(xí)”，而不必調(diào)節(jié)機(jī)械安裝螺絲。2/6/202334智能化光電開關(guān)的自學(xué)習(xí)過程示意圖閾值開關(guān)學(xué)習(xí)指示燈設(shè)定距離安裝距離2/6/202335表面反射率對于漫反射式光電開關(guān)發(fā)出的光線需要被檢測物表面將足夠的光線反射回接收器，所以檢測距離和被檢測物體的表面反射率及粗糙程度將決定接收器接收到光線強(qiáng)度，被檢測物體的表面還應(yīng)盡量垂直于光電開關(guān)的發(fā)射光線。2/6/202336常用材料的反射率（相對于白紙的估計值）2/6/202337光電開關(guān)的最大指向角示意圖2/6/202338光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）包裝分類檢測2/6/202339光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）IC引腳檢測2/6/202340光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）透明度測量、控制質(zhì)量檢測2/6/202341光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）加工控制2/6/202342光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）機(jī)械手定位2/6/202343光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）三角皮帶脫落檢測暖氣片高度差的測量2/6/202344光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）高度和步距檢測2/6/202345光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）QFP管腳排列的檢測構(gòu)件厚度的測量2/6/202346光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）機(jī)械手定位2/6/202347光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）集成電路方向檢測換向器間隙深度測量2/6/202348光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）商標(biāo)方向檢測2/6/202349光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）芯片厚度測量

根據(jù)高度差的測量可不受本底起伏的影響2/6/202350光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）產(chǎn)品長度檢測2/6/202351光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）產(chǎn)品組裝質(zhì)量檢測2/6/202352二、光電斷續(xù)器

光電斷續(xù)器可分為遮斷型和反射型兩種。遮斷型光電斷續(xù)器也稱為槽式光電開關(guān)，通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)。其發(fā)射器和接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，兩者能可靠地對準(zhǔn)，為安裝和使用提供了方便。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生表示檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較可靠，較適合高速檢測。2/6/202353反射式光電

斷續(xù)器光電斷續(xù)器廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、機(jī)電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器中。光電斷續(xù)器的發(fā)光二極管可以用直流電驅(qū)動，亦可用40kHz尖脈沖電流驅(qū)動；紅外LED的正向壓降約為1.1~1.3V，驅(qū)動電流控制在20mA以內(nèi)。2/6/202354光電斷續(xù)器外形2/6/202355光電斷續(xù)器外形（續(xù)）2/6/202356光電斷續(xù)器外形（續(xù)）紅色光柱2/6/202357光電斷續(xù)器示意圖

接收器發(fā)射器槽遮光報警2/6/202358光電斷續(xù)器的應(yīng)用透明簿膜透明物上的標(biāo)記物檢出2/6/202359

齒盤每轉(zhuǎn)過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。光電斷續(xù)器的應(yīng)用（續(xù)）請寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式n=？n2/6/202360

當(dāng)工件經(jīng)過光電斷續(xù)器時，接收器即產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖。光電斷續(xù)器的應(yīng)用（續(xù)）2/6/202361光電傳感器的其他用途注料檢測瓶蓋檢測2/6/202362其他光電傳感器外形2/6/202363光電傳感器的其他用途（續(xù)）閥門手柄位置檢測產(chǎn)品計數(shù)2/6/202364光電傳感器的其他用途（續(xù)）斷裂檢測電梯自動運行條件判斷2/6/202365光電傳感器的其他用途（續(xù)）進(jìn)出檢測磨床行程控制2/6/202366光電傳感器的其他用途（續(xù)）水位上下限控制液面檢測2/6/202367光電傳感器的其他用途（續(xù)）自動注料物位檢測2/6/202368光電傳感器的其他用途（續(xù)）物體倒置辨別轉(zhuǎn)速檢測2/6/202369第五節(jié)CCD圖像傳感器及應(yīng)用

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡稱CCD）具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和傳輸?shù)裙δ?。CCD具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。本節(jié)簡單介紹CCD圖像傳感器的原理及其應(yīng)用。2/6/202370MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片CCD的光敏元結(jié)構(gòu)及存儲電荷的原理

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彩色CCD顯微照片（放大7000倍）2/6/202372

CCD圖像傳感器的分類

1.線陣CCD外形

2/6/2023732.面陣CCD

面陣CCD能在x、y兩個方向都能實現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

2/6/202374面陣CCD外形（續(xù)）200萬和1600萬像素的面陣CCD

2/6/202375面陣CCD外形（續(xù)）

2/6/202376面陣CCD外形（續(xù)）

2/6/202377CCD圖像傳感器的應(yīng)用

線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用

2/6/202378線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用

線陣CCD攝像機(jī)可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控

風(fēng)云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描2/6/202379線陣CCD用于字符識別2/6/202380CCD數(shù)碼照相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)簡稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲器中。數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、取景器、對焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等，但比傳統(tǒng)相機(jī)多了液晶顯示器（LCD），內(nèi)部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門結(jié)構(gòu)也大不相同。

2/6/202381CCD用于圖像記錄

2/6/202382數(shù)碼相機(jī)的外形2/6/202383三基色分離原理

CCD數(shù)碼照相機(jī)的結(jié)構(gòu)2/6/202384數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)解剖圖

CCD及鏡頭2/6/202385CCD數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片2/6/202386CCD數(shù)碼攝像機(jī)

2/6/202387CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡稱CMOS?，F(xiàn)在市售的視頻攝像頭多使用CMOS作為光電轉(zhuǎn)換器件。雖然目前的CMOS圖像傳感器成像質(zhì)量比CCD略低，但CMOS具有體積小、耗電量小、售價便宜的優(yōu)點。隨著硅晶圓加工技術(shù)的進(jìn)步，CMOS的各項技術(shù)指標(biāo)有望超過CCD，它在圖像傳感器中的應(yīng)用也將日趨廣泛。

2/6/202388CMOS視頻攝像頭

帶紅外LED照明的CMOS視頻攝像頭2/6/202389CMOS視頻攝像頭的外部結(jié)構(gòu)

2/6/202390CMOS視頻攝像頭的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2/6/202391紅外熱像傳感器的紅外攝像功能

不同的顏色和亮度代表不同的溫度

任何物體只要溫度高于絕對零度，內(nèi)部原子