光电传感器应用举例.

四、光电式坐标传感器
4.1 功能介绍
小区域坐标测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。
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少。
源自文库
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。
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。
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。
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。
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
传统的电能表为机械式电能表，它是利用电表中的电压元件和 电流元件在铝盘上产生的移进磁场而感生的电涡流，与磁场相互作 用而产生的铝盘转矩作为动力来驱动由蜗杆、蜗轮及齿轮组等元件 构成的传动机构，从而带动转动式机械计数器的滚轮组来反映铝盘 的转数的。由于铝盘的转数N与负载功率P和时间t成正比，且有 N=CP t=CA (1) (1)式中，N为铝盘的转数，A=Pt为负载在时间t内消耗的电能(单位： kW*h)，C为电能表常数［单位：r/(kW*h)］。因此，可用机械计数 器滚轮组上的数字显示累计电能(kW*h即度数)的大小。 显然，机械计数器的结构是不能满足自动抄表系统的要求的。 为能实现电能表的自动抄表，就必须借助于相应的传感器，并由传 感器接口电路将信息传送到由CPU为核心所组成的最小计算机系统。 而且，为构成现代化的电能表自动抄表系统，也必须选用合适的检 测传感器。