1、長度量光電測量的應用實例長度量光電測量的應用實例一、一、 小尺寸的檢測小尺寸的檢測小尺寸的檢測是指待測物體可與光電器件尺寸相比擬的場合。小尺寸的檢測是指待測物體可與光電器件尺寸相比擬的場合。信號處理信號處理計計數數顯顯示示控制器控制器L Ln np pnpfapnL) 1(式中式中: : f f透鏡焦距透鏡焦距 a a物距物距b b 像距像距 放大倍率放大倍率n n 像元數像元數 p p像元間距像元間距測量原理測量原理長度量光電測量的應用實例長度量光電測量的應用實例二二 、鋼板寬度的非接觸自動測量、鋼板寬度的非接觸自動測量 （大尺寸檢測）（大尺寸檢測） 如圖如圖10-110-1所示為采用所示為

2、采用兩個線陣兩個線陣CCDCCD圖像傳感器對圖像傳感器對鋼板寬度進行非接觸自動測鋼板寬度進行非接觸自動測量系統原理圖。量系統原理圖。探測器探測器1 1與與探測器探測器2 2分別安裝在同一個分別安裝在同一個支撐架的兩端，支撐架的兩端，它們的中心它們的中心距（如圖所示）為距（如圖所示）為l l0 0。 公稱尺寸公稱尺寸L0右右LXIS121左左LLIS2 LL（或（或LX）=np 寬度測量原理寬度測量原理 穩定的遠心照明光源穩定的遠心照明光源1 1與與2 2發出的光使被測鋼板的發出的光使被測鋼板的邊沿邊沿能夠被能夠被成像成像物鏡清楚地物鏡清楚地成像成像在兩個線陣在兩個線陣CCDCCD的像敏面上。的

3、像敏面上。CCD1CCD1與與CCD2CCD2在同步脈沖的驅動下分別輸出信號在同步脈沖的驅動下分別輸出信號U1U1與與U2U2。經二值。經二值化處理或化處理或A/DA/D轉換再提取邊界得到二值化信號轉換再提取邊界得到二值化信號D1D1與與D2D2。D1D1的下降的下降沿對應于沿對應于CCD1CCD1的第的第N1N1個像敏單元，個像敏單元，D2D2的上升沿對應于的上升沿對應于 CCD2CCD2的第的第N N2 2個像敏單元，它們又分別表示鋼板邊緣的像在個像敏單元，它們又分別表示鋼板邊緣的像在CCD1CCD1與與CCD2CCD2像敏像敏面上的位置。鋼板的寬度的計算公式為：面上的位置。鋼板的寬度的計

4、算公式為： )(2021010SNSNlL式中，式中，1 1與與2 2分別為兩個探測器光學成像物鏡的橫向放大倍率，分別為兩個探測器光學成像物鏡的橫向放大倍率，S S0 0為為CCDCCD像敏單元長，式中的正負號要根據像敏單元長，式中的正負號要根據CCDCCD的安裝方向確定。的安裝方向確定。 鋼板寬度的測量范圍與兩探測器的中心距鋼板寬度的測量范圍與兩探測器的中心距l0有關，即與探有關，即與探測器安裝架的調整與鎖定方式有關。鋼板的寬度測器安裝架的調整與鎖定方式有關。鋼板的寬度L L直接與直接與l0有關，有關，若若l0可以大范圍的調整與鎖定，系統的測量范圍將會很大。另可以大范圍的調整與鎖定，系統的測

5、量范圍將會很大。另外，寬度的測量范圍還與兩探測器成像物鏡的橫向放大倍率外，寬度的測量范圍還與兩探測器成像物鏡的橫向放大倍率1 1與與2 2有關，與所選用的有關，與所選用的CCDCCD像敏單元長及像元數像敏單元長及像元數N N等參數有關。等參數有關。 （2 2） 測量精度測量精度 220110NSNSL顯然，測量精度與顯然，測量精度與CCDCCD的像元長度的像元長度S S0 0、光學系統的放大倍率、光學系統的放大倍率等參等參數有關。數有關。 2.2.測量范圍與測量精度測量范圍與測量精度（1 1）測量范圍）測量范圍 )(2021010SNSNlL3.3.測量速度測量速度 線陣線陣CCDCCD測量周

6、期為其轉移脈沖測量周期為其轉移脈沖SHSH的周期的周期T T，它由所選線陣，它由所選線陣CCDCCD的像元數的像元數N N及驅動頻率及驅動頻率f f決定，決定，fNNT)(d式中，式中，N Nd d為大于線陣為大于線陣CCDCCD虛設單元的任意數（由設計驅動器者決虛設單元的任意數（由設計驅動器者決定）。顯然，定）。顯然，N N與與N Nd d值越大，值越大，SHSH的周期的周期T T越長，而提高驅動頻率越長，而提高驅動頻率f f將縮短將縮短SHSH的周期的周期T T，提高測量速度。，提高測量速度。若驅動頻率為數若驅動頻率為數MHzMHz，測量周期常為，測量周期常為msms量級。量級。三三 板材

7、定長剪切系統板材定長剪切系統 1. 1. 定長裁剪系統的結構定長裁剪系統的結構 在板材（鋼帶、鋁帶、玻璃板、塑料板等板材）的生產、加工在板材（鋼帶、鋁帶、玻璃板、塑料板等板材）的生產、加工過程中，經常遇到定長度的剪切的工作。采用光電非接觸測量系統過程中，經常遇到定長度的剪切的工作。采用光電非接觸測量系統可以使板材定長加工自動化，并獲得高精度、高速度、質量穩定的可以使板材定長加工自動化，并獲得高精度、高速度、質量穩定的效果。效果。 被裁板材經傳動輪和從動導輪展被裁板材經傳動輪和從動導輪展開，并以一定的速度開，并以一定的速度v v經裁減裝經裁減裝置置( (剪刀剪刀) )輸送到光電檢測系統。輸送到光

8、電檢測系統。光電檢測系統由光源、光學成像光電檢測系統由光源、光學成像系統系統( (圖中未畫圖中未畫) )和光電器件構成。和光電器件構成。2. 2. 定長裁剪原理定長裁剪原理 當板材進入光電系統，遮擋光路到一定程度時，光電器件輸當板材進入光電系統，遮擋光路到一定程度時，光電器件輸出的信號經處理系統（圖中省略）后，發出執行命令信號。剪刀出的信號經處理系統（圖中省略）后，發出執行命令信號。剪刀在裁剪控制系統接受執行命令操作裁剪系統執行裁剪動作。在裁剪控制系統接受執行命令操作裁剪系統執行裁剪動作。 設光電系統的中心安裝在距裁剪剪刀口設光電系統的中心安裝在距裁剪剪刀口l l0 0遠處。當被裁板材沿箭遠處

9、。當被裁板材沿箭頭所示方向運動到光電探測系統的視場內，被裁板材邊緣的像成頭所示方向運動到光電探測系統的視場內，被裁板材邊緣的像成在光電器件的光敏面上，使光電器件輸出的光電流減小，輸出電在光電器件的光敏面上，使光電器件輸出的光電流減小，輸出電壓降低。而且，隨著板材的運動輸出電壓將越來越小。當它減小壓降低。而且，隨著板材的運動輸出電壓將越來越小。當它減小到一定程度，判別電路將到一定程度，判別電路將輸出電壓跳變輸出電壓跳變，使板材的運動停止，裁使板材的運動停止，裁剪系統啟動，剪刀下落將板材剪掉。剪系統啟動，剪刀下落將板材剪掉。 板材被剪掉后，光電器件又被光完全照亮，光電流又恢復到板材被剪掉后，光電器

10、件又被光完全照亮，光電流又恢復到最大值，它使剪刀抬起，啟動傳動系統使板材繼續沿箭頭方向運最大值，它使剪刀抬起，啟動傳動系統使板材繼續沿箭頭方向運動。實現傳動與裁剪的自動控制。動。實現傳動與裁剪的自動控制。3. 3. 定長裁剪系統精度分析定長裁剪系統精度分析 若裁剪系統的光電傳感器采用面積為若裁剪系統的光電傳感器采用面積為S S的的硅光電池（或硅光電二極管），硅光電池（或硅光電二極管），在光敏面在光敏面全全被入射光照射被入射光照射時，光電流時，光電流I IL L很大，變換很大，變換電路的輸出為電路的輸出為低電位低電位，用做整形的非門電，用做整形的非門電路輸出為路輸出為高電平高電平。當光敏面部分被

11、遮擋時當光敏面部分被遮擋時，光電流光電流I IL L減少，變換電路的輸出減少，變換電路的輸出電位增高電位增高，當它當它高于閾值電位高于閾值電位U Uthth值時，值時，非門電路輸非門電路輸出將由高變低。出將由高變低。輸出控制傳輸系統和剪刀輸出控制傳輸系統和剪刀動作的命令。動作的命令。 設光源所發出的光經光學系統后均勻地投射到光電器件上，設光源所發出的光經光學系統后均勻地投射到光電器件上，光敏面上的照度為光敏面上的照度為E E。當光電器件為矩形硅光電池時，它輸出的光。當光電器件為矩形硅光電池時，它輸出的光電流電流I IL L與入射光照度與入射光照度E E的關系為的關系為 I IL L= =S S

12、 E A E A （10-410-4）其中，其中，S S矩形硅光電池的靈敏度，矩形硅光電池的靈敏度，A A為光電器件的受光面積，顯然，為光電器件的受光面積，顯然，在被裁板材沒進入視場時為整個光電器件的光敏面。在被裁板材沒進入視場時為整個光電器件的光敏面。 當被裁板材進入視場后，受光面積當被裁板材進入視場后，受光面積A A將減少，必將引起光電流將減少，必將引起光電流I IL L的下降。考慮硅光電池的靈敏度的下降。考慮硅光電池的靈敏度S S為常數，光源所發出的光是穩為常數，光源所發出的光是穩定的，故也是常數，則，定的，故也是常數，則，光電流光電流I IL L的變化只與受光面積的變化只與受光面積A

13、A有關有關，對，對于矩形硅光電池，面積為光電池的寬度于矩形硅光電池，面積為光電池的寬度b b與長度與長度L L的乘積，即的乘積，即 I IL=S E b L （10-510-5）被裁板材進入視場后，設光電池被遮擋的長度為被裁板材進入視場后，設光電池被遮擋的長度為l l，光電流變為，光電流變為 IL=S E b（L-l） （10-610-6） 顯然，光電流的變化與光電池被遮擋的長度顯然，光電流的變化與光電池被遮擋的長度l l有關，對式有關，對式（10-610-6）取微分得）取微分得 （10-710-7）式中的負號表明式中的負號表明光電流隨遮擋量的增加而減少。光電流隨遮擋量的增加而減少。 可以推出

14、圖可以推出圖10-510-5中中U U隨遮擋量的變化關系為隨遮擋量的變化關系為 U=SE b RL l （10-810-8） 表明，控制精度與反向電路的電壓鑒別量有關，采用電壓比較器模表明，控制精度與反向電路的電壓鑒別量有關，采用電壓比較器模塊可以獲得微伏級的鑒別精度，由式（塊可以獲得微伏級的鑒別精度，由式（10-810-8）推導的理論控制精度）推導的理論控制精度可以達到微米量級。但是，由于光源的穩定度和生產環境（灰塵），可以達到微米量級。但是，由于光源的穩定度和生產環境（灰塵），震動，背景光等因素的影響可能帶來遠遠超過計算的誤差。選用震動，背景光等因素的影響可能帶來遠遠超過計算的誤差。選用P

15、SDPSD、線陣列光電二極管器件或線陣、線陣列光電二極管器件或線陣CCDCCD等傳感器為光電探測器，可等傳感器為光電探測器，可以克服上述因素帶來的誤差，使實際控制精度得到提高。以克服上述因素帶來的誤差，使實際控制精度得到提高。 lEbSILCCDCCD玻管測控儀玻管測控儀儀器的技術要求儀器的技術要求1.1.測量范圍：測量范圍：20mm20mm28mm28mm2.2.測量精度：外徑測量精度：外徑20200.3mm0.3mm，28280.4mm0.4mm； 壁厚壁厚1.21.20.05mm0.05mm，2 20.07mm 0.07mm 3.3.顯示內容：實測玻管直徑、壁厚、上下偏差及超差報警。顯示

16、內容：實測玻管直徑、壁厚、上下偏差及超差報警。4.4.過程控制：玻管控制速度，吹氣量及合格品篩選控制信號的過程控制：玻管控制速度，吹氣量及合格品篩選控制信號的輸出。輸出。儀器的工作原理儀器的工作原理照明照明成成 像像 系系 統統線陣線陣CCDCCD、驅動、驅動二值化電路二值化電路微機數據采集微機數據采集接口電路接口電路STDSTD工業控制工業控制計算機計算機外徑、壁厚實測外徑、壁厚實測值及偏差輸出值及偏差輸出外徑、壁厚給定外徑、壁厚給定值、偏差量輸入值、偏差量輸入調光電源調光電源玻管玻管控制信號控制信號U U（脈沖數）（脈沖數）a ab b上壁厚上壁厚下壁厚下壁厚外徑外徑C Cn n1 1n

17、n2 2n n3 30t t外徑外徑C Ca ab b上壁厚：上壁厚： 下壁厚：下壁厚： 外徑：外徑： 放大率放大率光強分布：光強分布：管壁為暗帶，中間部分為亮帶。管壁為暗帶，中間部分為亮帶。pna1pnb3pnnnC321象元的中心距p光電二極管實際應用電路光電二極管實際應用電路自動感應水龍頭自動感應水龍頭光控繼電器的應用光控繼電器的應用光控電焊眼罩原理圖光控電焊眼罩原理圖1 1 光控電焊眼罩光控電焊眼罩當液晶屏當液晶屏P P不通電時，液晶是透明的，眼睛可以通過液晶屏不通電時，液晶是透明的，眼睛可以通過液晶屏看到焊點的情況。當液晶屏看到焊點的情況。當液晶屏P P通電時通電時, ,液晶發生偏轉

18、，透光度液晶發生偏轉，透光度大大減小。電焊光不會對眼睛產生危害。圖中，大大減小。電焊光不會對眼睛產生危害。圖中，RD2 RD2 用來接用來接收電焊強光，收電焊強光，RD1 RD1 用來接收外界自然光。用來接收外界自然光。2 2 汽車車燈全自動控制器汽車車燈全自動控制器 一般汽車前燈都有強弱二檔，按規定，汽車在晚上行駛如一般汽車前燈都有強弱二檔，按規定，汽車在晚上行駛如遇對面有車駛來，須將車燈打至弱檔，以免對方司機眩目遇對面有車駛來，須將車燈打至弱檔，以免對方司機眩目而造成撞車事故。然而，由于種種原因，有些司機很難做而造成撞車事故。然而，由于種種原因，有些司機很難做到這一點，因而晚間事故時有發生

19、。車燈亮度全自動控制到這一點，因而晚間事故時有發生。車燈亮度全自動控制系統由光電傳感器和單片微機系統由光電傳感器和單片微機( (或計算機或計算機) ) 系統組成，根系統組成，根據入射光信號的不同，自動將車燈置于強檔、弱檔或關閉據入射光信號的不同，自動將車燈置于強檔、弱檔或關閉狀態。狀態。 (1)(1) 白天行駛時，光電傳感器接收到較強的且強度白天行駛時，光電傳感器接收到較強的且強度基本不變的光信號，車燈將關閉。基本不變的光信號，車燈將關閉。 (2)(2) 當汽車晚上行駛在城市或裝有路燈的馬路上時，當汽車晚上行駛在城市或裝有路燈的馬路上時，光電傳感器接收到近似于正弦變化規律的且比較弱的光信光電傳

20、感器接收到近似于正弦變化規律的且比較弱的光信號，車燈將開啟在弱檔。號，車燈將開啟在弱檔。 2 2 汽車車燈全自動控制器汽車車燈全自動控制器(3)(3) 當汽車晚上行駛在郊外時，光電傳感器接收不到或接收當汽車晚上行駛在郊外時，光電傳感器接收不到或接收到很弱的光信號，車燈將開啟在強檔。到很弱的光信號，車燈將開啟在強檔。(4)(4) 當對面有車開來時，光電傳感器接收到的光信號強度逐當對面有車開來時，光電傳感器接收到的光信號強度逐步增大（說明對方車正在接近）或強度突然大幅度變小步增大（說明對方車正在接近）或強度突然大幅度變小（說明對方已關閉強光燈），車燈將開啟至弱檔，直到接（說明對方已關閉強光燈），車

21、燈將開啟至弱檔，直到接收不到光信號（說明車已經交會），才重新點亮強光燈。收不到光信號（說明車已經交會），才重新點亮強光燈。(5)(5) 整個控制系統電源受汽車電門鑰匙控制，只要汽車發動，整個控制系統電源受汽車電門鑰匙控制，只要汽車發動，一切進入自動控制狀態。一切進入自動控制狀態。 2 2 汽車車燈全自動控制器汽車車燈全自動控制器車燈亮度全自動控制原理框圖車燈亮度全自動控制原理框圖由于汽車發動機工作時會產生較大的干擾信號，嚴重時單片機由于汽車發動機工作時會產生較大的干擾信號，嚴重時單片機無法工作，故采用了光電隔離器。另外，系統的電源線、控制無法工作，故采用了光電隔離器。另外，系統的電源線、控制線

22、和印刷電路板等都要采取屏蔽措施，減少外界干擾和內部噪線和印刷電路板等都要采取屏蔽措施，減少外界干擾和內部噪聲。聲。濾去高頻干擾信號濾去高頻干擾信號光電報警（主動）光電報警（主動） 光電報警系統是一種重要的監視系統，目前其種光電報警系統是一種重要的監視系統，目前其種類已經日益增多。有對飛機、導彈等軍事目標入類已經日益增多。有對飛機、導彈等軍事目標入侵進行的報警系統，也有對機場、重要設施或危侵進行的報警系統，也有對機場、重要設施或危禁區域防范進行報警的系統。一般說來，被動報禁區域防范進行報警的系統。一般說來，被動報警系統的保密性好，但是設備比較復雜；而警系統的保密性好，但是設備比較復雜；而主動主動

23、報警系統報警系統可以利用特定的調制編碼規律，達到一可以利用特定的調制編碼規律，達到一定的保密效果，設備比較簡單。定的保密效果，設備比較簡單。光電報警（主動）光電報警（主動） 本系統可由圖本系統可由圖1 1所示的五個部分組成。調制電源提供紅外所示的五個部分組成。調制電源提供紅外發射二極管確定規律變化的調制電流，使發光管發出紅外發射二極管確定規律變化的調制電流，使發光管發出紅外調制光，在一定距離以外用光電二極管接收調制光。轉換調制光，在一定距離以外用光電二極管接收調制光。轉換后的信號經放大，檢波后控制報警器。下面對調制電源和后的信號經放大，檢波后控制報警器。下面對調制電源和檢波、報警電路各舉一個簡

24、單的例子。檢波、報警電路各舉一個簡單的例子。調制電源紅外發射管光敏二極管放大器報警電路圖圖1 1 光電報警原理方框圖光電報警原理方框圖 1 1、用、用NE555NE555定時器構成多諧振蕩器作調制電源。定時器構成多諧振蕩器作調制電源。 NE555NE555集成電路用它構成占空比為集成電路用它構成占空比為50%50%的多諧振蕩器原理的多諧振蕩器原理圖如圖圖如圖2 2所示。下面對照電路圖簡述其工作原理及參數選所示。下面對照電路圖簡述其工作原理及參數選擇。擇。555NE1234568OVCCV2R1R1CA7D圖圖2 2 多諧振蕩器多諧振蕩器 在前半周期，在前半周期，V VCCCC通過通過R2R2、

25、D D對對C1C1充充電，由于二極管電，由于二極管D D的作用，電流不的作用，電流不經過經過R1R1，因此其充電時間，因此其充電時間T1T1為：為： 12121217 . 02ln3231lnCRCRVVVVCRTcccccccc而在后半周期，電容放電時，二極而在后半周期，電容放電時，二極管反向電阻無窮大，管反向電阻無窮大，555555內部的三極內部的三極管導通，電流通過管導通，電流通過R1R1至至7 7腳直接放電，腳直接放電，此時其放電時間此時其放電時間T2T2為：為：11111127 . 02ln3231lnCRCRVVVVCRTcccccccc555NE1234568OVCCV2R1R1

26、CA7D 當當A A點電壓上升到上限閾值電壓（約點電壓上升到上限閾值電壓（約2V2VCCCC/3/3）時，定時器）時，定時器輸出翻轉成低電平。這時，輸出翻轉成低電平。這時，A A點電壓將隨放電而按指數規點電壓將隨放電而按指數規律下降。當律下降。當A A點下降到下限閾值電壓（約點下降到下限閾值電壓（約V VCCCC/3/3）時，定時）時，定時器輸出又變成高電平，調整器輸出又變成高電平，調整R1 R1 、R2R2的電阻值得到嚴格的的電阻值得到嚴格的方波輸出。當方波輸出。當R1=R2R1=R2時，輸出為方波信號。其輸出頻率為：時，輸出為方波信號。其輸出頻率為：2ln2111121CRTTf1uF.

27、0CK.RK.R1216565，ZKHCRf3 . 1244. 111555NE1234568OVCCV2R1R1CA7D 用用NE555NE555組成振蕩器來驅動紅外發光管組成振蕩器來驅動紅外發光管BT401BT401時，由于紅外時，由于紅外發光管發光管BT401BT401的工作電流在的工作電流在30mA30mA以上，因此一定加一個三以上，因此一定加一個三極管驅動電路。使輸出電流大于或等于紅外發光管的最小極管驅動電路。使輸出電流大于或等于紅外發光管的最小工作電流。其驅動電路的參考電路圖如下圖工作電流。其驅動電路的參考電路圖如下圖3 3：圖圖3 3 驅動電路驅動電路 2 2、信號放大及報警用參

28、考電路原理、信號放大及報警用參考電路原理 先用先用 構成一個放大電路，將光敏二極管所接收的構成一個放大電路，將光敏二極管所接收的電流信號放大。再用電流信號放大。再用 構成一個比較器，放大器的構成一個比較器，放大器的正端加正端加2V2V左右偏壓，負端加信號電壓。當光線未阻斷時，左右偏壓，負端加信號電壓。當光線未阻斷時，從放大器來的交流信號經二極管檢波電路，再經從放大器來的交流信號經二極管檢波電路，再經RCRC低通濾低通濾波器后得到直流電壓，使后面的放大器負輸入端電位大于波器后得到直流電壓，使后面的放大器負輸入端電位大于或等于正輸入端電位。則放大器輸出電壓近似為零，或等于正輸入端電位。則放大器輸出

29、電壓近似為零，LEDLED管管截止，當光線被阻斷時，信號消失。放大器只有正端加正截止，當光線被阻斷時，信號消失。放大器只有正端加正電壓，輸出為正電壓，電壓，輸出為正電壓，LEDLED指示管導通發出紅色光（或發聲）指示管導通發出紅色光（或發聲）以示報警。電阻是以示報警。電阻是LEDLED限流電阻。限流電阻。35321LF35321LF圖圖4 4 報警用參考電路報警用參考電路-V+V186R17RLEDR13VV57光敏二極管R8ER56R4D1C12R2R335321LF35321LF 參考參數值：參考參數值： R1R1：1K R21K R2：1K1K R3R3：120K R4120K R4：68K68K R5R5：1K R61K R6：5.6K5.6K R7R7：2. 2K R82. 2K R8：1K1K C1C1：10uF 10uF 紅外光電聲光報警參考電路紅外光電聲光報警參考電路2 248762153V+(+5V)R12.2kR251kC10.2uFR339DHG413NE555圖圖1 1 發光電路發光電路V+(+5V)R26.2