光电传感器应用举例

光电传感器介绍
光电传感器的基本转换原理是将被测量参数转换成光信号的变 化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。常用的光 电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某 一点。如果在该点有障碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于 偏置状态，PN结截止，反向电流很小。当没有障碍物遮挡时，光照 到光敏二极管上时，PN结附近产生电子——空穴对，并在外电场和 内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与 光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。 具体方法是在光源侧使用发光二极管，在受光侧使用光敏二极 管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小， 可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少， 可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。 近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品， 其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在日 常生活和各种轻工自动机上获得广泛的应用。
二、包装物料的光电色质检测
图3为包装物料的光电色质检测原理。若包装物品规 定底色为白色，因质量不佳，有的出现泛黄，在产品包 装前先由光电检测色质，物品泛黄时就有比较电压差输 出，接通电磁阀，由压缩空气将泛黄物品吹出。
图3 包装物料的光电色质检测原理
三、光电传感器在电能表自动抄表系统中的应用
电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转 矩驱动而旋转。采用光电传感器则可将铝盘的转数 转换成脉冲数。如：在旋转的光亮的铝盘上局部涂 黑，再配以反射式光电发射接收对管，则当铝盘旋 转时，在局部涂黑处便产生脉冲，并可将铝盘的转 数采样转换为相应的脉冲数，并经光电耦合隔离电 路，送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合 隔离器可有效地防止干扰信号进入微机。图4为光电 传感器检测示意图。
图7 图8
4.4 坐标算法
当被测物坐标发生时，圆盘7转动，光敏二极管4和光敏二极管6通道的信号发 生变化，通过接口电路自动传输到计算机里，计算机自动对输入通道的信号进行 数据采集。如果前进或者后退的角度发生变化，位移圆盘9角度也随着发生变化， 通过传动轴转动带动方向圆盘产生转动，使得圆盘9上的狭缝通断光敏二极管上 的光照，发出与前进或后退相应的电脉冲信号，通过接口电路自动传输到计算机 里，对输入通道的信号进行数据采集。并将采集的数据进行储存，形成数据库， 以备计算机通过数据计算确定自身的坐标位置，并通过相应接口进行数据输出。 相对坐标XN 、YN 计算公式如下：
图中D1和P1组成光电发射接收对管，P1接收涂黑部 分的反射光而在A点处将产生的电脉冲输入到光电耦合 隔离器01，01以发光二极管为输入端、光敏三极管为输 出端。01的输出信号则输入到单片机的T0端。T0端为单 片机8031的并行口P3.4的第二功能端——定时器/计数 器0计数脉冲外部输入端，接收传感器的计数脉冲输入。 R3为上拉电阻，用于电平转换。CPU的串行输入、输出 口RXD、TXD (P3.0、P3.1 的第二功能)在控制指令指挥 下工作。RXD为接收端，TXD为发送端，工作于一定方式。 若在铝盘上加工一狭缝隙或小孔，则可用透射式光 电发射接收对管，同样可将铝盘的转数采样转换为相应 的脉冲数，后续电路与上相同。 由式(1)可见，测得铝盘的转数N，即可检测出用户 消耗的电能A (A=N/C)。这样组成的电能基表就构成了 脉冲电度表。
图 5
图 6
4.3 光电式坐标传感器的结构设计及坐标算法
在实际的设计过程中，首先根据需要设计传感器的测量 精度及范围。精度可以通过计算圆盘上的狭缝密度完成， 传感器圆盘的形状及尺寸大小由测量范围来确定，整个传 感器系统结构框图如图7所示。
测量结构如图8所示，由四个光敏二极管(元件1、2、4、 6)、两个光源（发光二极管3、5）、位移圆盘7、方向圆 盘9及传动轴8组成。将传感器垂直配置，分别代表位移z 和Φ 移动方向 ，组成一个二维传感器。
4.2 传感器的结构设计 如果将被测旋转圆盘置于光电断续器的发光与受光侧之间， 圆盘上有许多狭缝，圆盘旋转，光源发出的光间隔地被狭缝遮 挡，受光侧得到断续的强光和弱光信号。如图5所示，若旋转圆 盘没有旋转，光路检测的光束没有被遮挡，测量电路中，X光敏 二极管上输出电压波形，Y光敏二极管上的输出电压波形是相同 的，相位是相差π /2的。若圆盘旋转，双输出型的输出电压波 形如图6所示，（仅画出Q1的时序图，Q2的时序图道理一样）圆 盘转动方向若向左，Q2输出电压相位落后被屏蔽；反之，圆盘 向右旋转，Q1输出电压相位超落后被屏蔽。因此，两个输出电 压的相位关系反映圆盘的旋转方向，圆盘的位移可以通过Q1， Q2输出脉冲个数的代数和得到。
图1 带材跑偏检测器工作原理
图2 带材跑偏检测器测量电路
图2为测量电路简图。R1、R2是同型号的光敏电 阻。R1作为测量元件装在带材下方，R2用遮光罩罩 住，起温度补偿作用。当带材处于正确位置（ 中 间位）时，由R1、R2、R3、R4组成的电桥平衡，使 放大器输出电压U0为0。当带材左偏时，遮光面积减 少，光敏电阻R1阻值减少，电桥失去平衡。差动放 大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值， 它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右 偏时，U0为正值。输出信号U0一方面由显示器显示 出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统 提供纠偏信号。
一、带材跑偏检测器
带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工 中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏 控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送 纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑 偏检测器原理如图1所示。光源发出的光线经 过透镜1会聚为平行光束，投向透镜2，随后 被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2 的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡， 使传到光敏电阻的光通量减量技术有着重要的工程应用价值，坐标传感器是 这一领域的关键部件，采用光电元件设计是因为以其高精度、高分 辨率、大动态范围，利用光敏元件上的光电流随光强变动而变化这 一现象实现几何增量，设计成光电传感器，可广泛地应用于静态测 量、动态测量及自动化控制等领域。为了满足实际工程的需要，小 区域坐标测量技术正逐步受到重视，下面就光电式坐标传感器的电 路设计进行论述。