光电探测器件典型应用

放 大 器
报 警 电 路
图1 光电报警原理方框图
• 1、用NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源。 NE555集成电路用它构成占空比为50%的多谐振荡器原理 图如图2所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选 择。
R2
VCC
D
A
R1 6 2
7
8
NE 555
4 3 5
VO
1
C1
图2 多谐振荡器
R2
3. 定长裁剪系统精度分析
若裁剪系统的光电传感器采用面积为 S 的 硅光电池（或硅光电二极管），在光敏面 全被入射光照射时，光电流IL很大，变换 电路的输出为低电位，用做整形的非门电 路输出为高电平。当光敏面部分被遮挡时， 光电流IL减少，变换电路的输出电位增高， 当它高于阈值电位 Uth 值时，非门电路输 出将由高变低。输出控制传输系统和剪刀 动作的命令。
L l0 (
N1 S 0
1

N 2 S0
2
)
式中，β1与β2分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍率， S0为CCD像敏单元长，式中的正负号要根据CCD的安装方向确定。
2.测量范围与测量精度
1 2 （1）测量范围 钢板宽度的测量范围与两探测器的中心距l0有关，即与探 测器安装架的调整与锁定方式有关。钢板的宽度L直接与l0有关， 若l0可以大范围的调整与锁定，系统的测量范围将会很大。另 外，宽度的测量范围还与两探测器成像物镜的横向放大倍率β1 与β2有关，与所选用的CCD像敏单元长及像元数N等参数有关。
式中，Nd为大于线阵CCD虚设单元的任意数（由设计驱动器者决 定）。显然，N与Nd值越大，SH的周期T越长，而提高驱动频率f
将缩短SH的周期T，提高测量速度。
若驱动频率为数MHz，测量周期常为ms量级。
三 板材定长剪切系统
在板材（钢带、铝带、玻璃板、塑料板等板材）的生产、加工 过程中，经常遇到定长度的剪切的工作。采用光电非接触测量系统
CCD玻管测控仪
仪器的技术要求 1.测量范围：φ20mm～φ28mm 2.测量精度：外径φ20±0.3mm，φ28±0.4mm； 壁厚1.2±0.05mm，2±0.07mm
3.显示内容：实测玻管直径、壁厚、上下偏差及超差报警。
4. 过程控制：玻管控制速度，吹气量及合格品筛选控制信号的 输出。
仪器的工作原理
1
D1
R5
6 E 5
R 6
+V
8
1 LF 353 2
7
R8
R2
R3
V
C1
-V
LED
R
7
图4 报警用参考电路
VCC
39
1K
红 外 发 射 二 极 管
图3 驱动电路
• 2、信号放大及报警用参考电路原理 • 先用 1 LF 353 构成一个放大电路，将光敏二极管所接收的 2 电流信号放大。再用 1 LF 353 构成一个比较器，放大器的 2 正端加2V左右偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时， 从放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经RC低通滤
CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出信号U1与U2。经二值 化处理或A/D转换再提取边界得到二值化信号D1与D2。D1的下降 沿对应于CCD1的第N1个像敏单元，D2的上升沿对应于 CCD2的第 N2个像敏单元，它们又分别表示钢板边缘的像在CCD1与CCD2像敏 面上的位置。钢板的宽度的计算公式为：
可以使板材定长加工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的
效果。 • 1. 定长裁剪系统的结构 被裁板材经传动轮和从动导轮展 开，并以一定的速度v经裁减装 置(剪刀)输送到光电检测系统。
光电检测系统由光源、光学成像
系统(图中未画)和光电器件构成。
2. 定长裁剪原理
当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光电器件输 出的信号经处理系统（图中省略）后，发出执行命令信号。剪刀 在裁剪控制系统接受执行命令操作裁剪系统执行裁剪动作。 设光电系统的中心安装在距裁剪剪刀口 l0 远处。当被裁板材沿箭
（10-7）
表明，控制精度与反向电路的电压鉴别量有关，采用电压比较器模 块可以获得微伏级的鉴别精度，由式（10-8）推导的理论控制精度 可以达到微米量级。但是，由于光源的稳定度和生产环境（灰尘）， 震动，背景光等因素的影响可能带来远远超过计算的误差。选用 PSD、线阵列光电二极管器件或线阵CCD等传感器为光电探测器，可 以克服上述因素带来的误差，使实际控制精度得到提高。
长度量光电测量的应用实例
一、 小尺寸的检测 小尺寸的检测是指待测物体可与光电器件尺寸相比拟的场合。
测量原理
信号处理 计 数 显 示 式中: f’—透镜焦距 a——物距 b ——像距 β——放大倍率 n ——像元数 p——像元间距
L
n· p
控制器
L
n p
a ( 1) np f'
长度量光电测量的应用实例 二 、钢板宽度的非接触自动测量
D
A
R1 6 2
7
8
NE 555
4 3 5
1
1 Vcc Vcc 3 T1 R2C1 ln R2C1 ln 2 0.7 R2C1 2 Vcc Vcc 3
VCC
VO
在前半周期，VCC通过R2、D对C1充 电，由于二极管D的作用，电流不 经过R1，因此其充电时间T1为：
C1
而在后半周期，电容放电时，二极 管反向电阻无穷大，555内部的三极 管导通，电流通过R1至7脚直接放电， 此时其放电时间T2为： 1 Vcc Vcc 3 T2 R1C1 ln R1C1 ln 2 0.7 R1C1 2 Vcc Vcc 3
波器后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于
或等于正输入端电位。则放大器输出电压近似为零，LED管 截止，当光线被阻断时，信号消失。放大器只有正端加正 电压，输出为正电压，LED指示管导通发出红色光（或发声） 以示报警。电阻是LED限流电阻。
R4
R1
1
V
3 2
光 敏 二 极 管
1 LF 353 2
2 汽车车灯全自动控制器
一般汽车前灯都有强弱二档，按规定，汽车在晚上行驶如 遇对面有车驶来，须将车灯打至弱档，以免对方司机眩目 而造成撞车事故。然而，由于种种原因，有些司机很难做 到这一点，因而晚间事故时有发生。车灯亮度全自动控制 系统由光电传感器和单片微机 ( 或计算机 ) 系统组成，根 据入射光信号的不同，自动将车灯置于强档、弱档或关闭 状态。 (1) 白天行驶时，光电传感器接收到较强的且强度 基本不变的光信号，车灯将关闭。 (2) 当汽车晚上行驶在城市或装有路灯的马路上时， 光电传感器接收到近似于正弦变化规律的且比较弱的光信 号，车灯将开启在弱档。
头所示方向运动到光电探测系统的视场内，被裁板材边缘的像成
在光电器件的光敏面上，使光电器件输出的光电流减小，输出电 压降低。而且，随着板材的运动输出电压将越来越小。当它减小
到一定程度，判别电路将输出电压跳变，使板材的运动停止，裁
剪系统启动，剪刀下落将板材剪掉。
板材被剪掉后，光电器件又被光完全照亮，光电流又恢复到 最大值，它使剪刀抬起，启动传动系统使板材继续沿箭头方向运 动。实现传动与裁剪的自动控制。
L l0 (
N1 S 0

N 2 S0
)
（2） 测量精度
L
S0
1
N1
2
S0
N 2
显然，测量精度与CCD的像元长度S0、光学系统的放大倍率β等参 数有关。
3.测量速度 线阵CCD测量周期为其转移脉冲SH的周期T，它由所选线阵 CCD的像元数N及驱动频率f决定，
(N Nd ) T f
1 1 f T1 T2 2 R1C1 ln 2
R2
D
A
R1 6 2
7
8
NE 555
4 3 5
VO
R1 5.6K，R2 5.6K，C1 0.1uF
1
C1
ห้องสมุดไป่ตู้
f 1.44
2R1C1
1.3KH Z
• 用NE555组成振荡器来驱动红外发光管BT401时，由于红外 发光管BT401的工作电流在30mA以上，因此一定加一个三 极管驱动电路。使输出电流大于或等于红外发光管的最小 工作电流。其驱动电路的参考电路图如下图3：
2 汽车车灯全自动控制器
车灯亮度全自动控制原理框图
滤去高频干扰信号
由于汽车发动机工作时会产生较大的干扰信号，严重时单片机 无法工作，故采用了光电隔离器。另外，系统的电源线、控制 线和印刷电路板等都要采取屏蔽措施，减少外界干扰和内部噪 声。
光电报警（主动）
• 光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种 类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入 侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危 禁区域防范进行报警的系统。一般说来，被动报 警系统的保密性好，但是设备比较复杂；而主动 报警系统可以利用特定的调制编码规律，达到一 定的保密效果，设备比较简单。
IL=Sφ E b L
（10-5）
被裁板材进入视场后，设光电池被遮挡的长度为l，光电流变为 IL=Sφ E b（L-l） （10-6）
显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度 l 有关，对式 （10-6）取微分得
I L S Ebl
式中的负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。 可以推出图10-5中U随遮挡量的变化关系为 ΔU=SφE b RL Δl （10-8）
• 当A点电压上升到上限阈值电压（约2VCC/3）时，定时器 输出翻转成低电平。这时，A点电压将随放电而按指数规 律下降。当 A 点下降到下限阈值电压（约 VCC/3 ）时，定 时器输出又变成高电平，调整R1 、R2的电阻值得到严格 的方波输出。当R1=R2时，输出为方波信号。其输出频率 为：
VCC

下壁厚：
b
n3 p

－－放大率 p 象元的中心距 光强分布：管壁为暗带，中间部分为亮带。
光电二极管实际应用电路
自动感应水龙头
光控继电器的应用
1 光控电焊眼罩
光控电焊眼罩原理图
当液晶屏P不通电时，液晶是透明的，眼睛可以通过液晶屏 看到焊点的情况。当液晶屏P通电时,液晶发生偏转，透光度 大大减小。电焊光不会对眼睛产生危害。图中，RD2 用来接 收电焊强光，RD1 用来接收外界自然光。
2 汽车车灯全自动控制器
(3) 当汽车晚上行驶在郊外时，光电传感器接收不到或接 收到很弱的光信号，车灯将开启在强档。 (4) 当对面有车开来时，光电传感器接收到的光信号强度 逐步增大（说明对方车正在接近）或强度突然大幅度变小 （说明对方已关闭强光灯），车灯将开启至弱档，直到接 收不到光信号（说明车已经交会），才重新点亮强光灯。 (5) 整个控制系统电源受汽车电门钥匙控制，只要汽车发 动，一切进入自动控制状态。
设光源所发出的光经光学系统后均匀地投射到光电器件上， 光敏面上的照度为 E 。当光电器件为矩形硅光电池时，它输出的光 电流IL与入射光照度E的关系为
IL =Sφ E A
（10-4）
其中，Sφ矩形硅光电池的灵敏度，A为光电器件的受光面积，显然， 在被裁板材没进入视场时为整个光电器件的光敏面。 当被裁板材进入视场后，受光面积 A 将减少，必将引起光电流 IL的下降。考虑硅光电池的灵敏度Sφ为常数，光源所发出的光是稳 定的，故也是常数，则，光电流 IL 的变化只与受光面积 A 有关，对 于矩形硅光电池，面积为光电池的宽度b与长度L的乘积，即
光电报警（主动）
• 本系统可由图1所示的五个部分组成。调制电源提供红外 发射二极管确定规律变化的调制电流，使发光管发出红外 调制光，在一定距离以外用光电二极管接收调制光。转换 后的信号经放大，检波后控制报警器。下面对调制电源和 检波、报警电路各举一个简单的例子。
调 制 电 源
红 外 发 射 管
光 敏 二 极 管
照明 玻管
成 像 系 统
线阵CCD、驱动
调光电源
二值化电路
微机数据采集 接口电路
外径、壁厚给定 值、偏差量输入
STD工业控制 计算机
控制信号
外径、壁厚实测 值及偏差输出
U（脉冲数） n1
n2
n3 a
外径C
0 a b t b
上壁厚
外径C
下壁厚
上壁厚： a
n1 p
外径： C n1 n2 n3 p
如图10-1所示为采用 两个线阵CCD图像传感器对 （大尺寸检测）
钢板宽度进行非接触自动测
量系统原理图。探测器1与 探测器2分别安装在同一个 支撑架的两端，它们的中心 距（如图所示）为l0。
IS1
β1
IS2
β2
左LL
公称尺寸L0
右LX
LL（或LX）=
np
• ⒈ 宽度测量原理
稳定的远心照明光源 1 与 2 发出的光使被测钢板的边沿能够 被成像物镜清楚地成像在两个线阵CCD的像敏面上。