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机 电类 传感器与检测技术项目教程 模块八 光学量检测课件统一书号 ISBN978 7 111 48817 0课程配套网站www sensor 或2015年2月第1版 作者 梁森 黄杭美 王明霄 王侃夫 1 2020 3 21 本模块介绍 光学量 的基本概念 各种光电元件 例如 紫外光电管 光敏电阻 光敏二极管 光敏晶体管 光电池 介绍各种光电元件的应用 还介绍了光导纤维传感器及其应用 内容简介 今天是 2020年3月21日星期六 2 医药交流课件 2020 3 10Tuesday 模块八 光学量检测 中 目录 上 知识链接光学量的基本概念 上 项目一 光电元件及应用电路 中 项目二 光电传感器的应用拓展阅读光导纤维传感器及应用 現在時間是 01 10 3 医药交流课件 2020 3 10Tuesday 项目二光电传感器的应用 项目教学目标 知识目标1 了解光电传感器4种类型的应用 2 了解锅炉炉膛火焰的检测方法 技能目标1 掌握转速测量中的 1误差分析 2 掌握边缘位置的检测和纠偏方法 4 2020 3 21 光电传感器的几种基本应用型式 图8 23光电传感器的4种应用型式a 被测物是光源b 被测物吸收部分光c 被测物是有反射能力的表面d 被测物遮蔽部分光 光电传感器的几种应用形式的演示 5 2020 3 21 任务一被测物本身是光源的检测 光的照度E的单位是lx 勒克斯 表示受照物体被照亮的程度 可以用照度计 也称勒克斯计 来测量 光电池 外加柔光罩 6 2020 3 21 一 照度计 是一种专门测量光的照度的仪器仪表 又称勒克斯计 照度计通常是由硅光电池 或硒光电池 与微安表 模拟式 或数字电路组成 a 原理图b 外形1 余弦角度补偿器2 V 修正滤光片3 磷硅玻璃4 氮化硅减反射膜5 SnO2半透明栅线前电极6 光电池7 银铝浆电极8 微安表9 液晶屏10 控制键 图8 24 7 2020 3 21 照度计的技术指标 技术指标 示值切换范围 1 999 10nlx n 1 5 取样率 2 5次 秒操作环境 0 50 相对湿度 70 RH 8 2020 3 21 照度计中的补偿器 1 受照面的亮度与光源的入射角度有关 当光源入射角度不与柔光罩垂直时 必须进行余弦补偿 斜向光照 2 光电池对不同颜色光的转换效率不同 必须进行颜色补偿 光电池的峰值波长约为0 78微米 9 2020 3 21 二 火焰探测器 1 火焰探测器的用途在大型锅炉的燃烧过程中 需要利用火焰探测器来检测火焰的燃烧和熄灭 并检测火焰的稳定性 火焰探测器与炉膛吹扫 送风机 给煤粉机等组成FSSS 或BMS 燃烧器管理系统 可以防止火焰突然熄灭时 炉膛内积存的可燃性气体在高温下发生炉膛爆燃事故 2 火焰的特点较强的火焰能发射出几乎连续的发光光谱 包含红外光 可见光和紫外光 多数火焰的燃烧信号是一种不规则的脉动信号 频率信号包含信号的频谱 带宽 峰峰值等参数 要对这部分信号进行滤波 从中提取火焰的燃烧特征 锅炉中的煤粉火焰存在着3种闪烁频率 15 50Hz时火焰正常 7 15Hz时火焰不稳定 小于7Hz时火焰丧失 10 2020 3 21 火焰信号的特点 火力发电厂 图8 25锅炉炉膛的辐射强度变化 跳动的火焰 11 2020 3 21 3 火焰探测器的结构 图8 26锅炉火焰检测原理图1 火焰2 高温镜头3 红外滤除片4 成像光导纤维束5 光导纤维外壳6 火焰成像7 光电池 12 2020 3 21 图8 27火焰探头的光谱响应 图8 28炉膛火焰探测器的安装 13 2020 3 21 锅炉安全保护系统FSSS系统 14 2020 3 21 三 色彩传感器 也称颜色传感器 色标传感器等 色彩是光源 物体和观察者之间交互的结果 例如 红纸会吸收光谱中大多数带绿色的部分和带蓝色的部分 同时反射光谱中红色的部分 因此对观察者会表现为红色 叶绿素吸收红 蓝 紫光 反射绿色光 任何一个物体的颜色都可用红 绿 蓝 R G B 三原色的光功率谱的函数来表示 射入眼睛的光线刺激视网膜上对不同颜色有不同灵敏度的视觉细胞 并通过视神经传送到大脑 从而感觉到色彩 15 2020 3 21 色彩 色度图 色彩传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点 它是通过与非色标区相比较来实现色标检测 视网膜中的三种视锥细胞对颜色的感应 三基色光合成 16 2020 3 21 色彩传感器 续 图8 29色彩传感器及信号处理示意图1 红 绿 蓝滤色片2 玻璃基板3 Si4 透明导电膜5 公共电极6 背面引出电极7 遮光保护树脂8 电流 电压转换器 17 2020 3 21 色彩传感器 续 18 2020 3 21 色彩传感器 续 无定型硅 Si 制成的色彩传感器能得到三色信号 在玻璃基板上按顺序粘贴红 绿 蓝滤色镜 分别与R G B三个输出电极处于同一轴线上 Si本身的光谱灵敏度与人眼十分接近 峰值波长约为0 5 0 6 m 当光线透过红 绿 蓝滤光片后 就可以分别得到R G B三根光谱特性 图8 29色彩传感器及信号处理示意图 19 2020 3 21 色标传感器的原理及应用 颜色传感器中 有一类称为 色标传感器 常用于检测特定色标或物体上的斑点 它是通过与非色标区相比较来实现色标检测 而不是直接测量颜色 可用于包装 印刷 制药 纺织 涂料 化妆品 农业 血液诊断 尿样分析和假牙等 还可用于彩色材料的定位 定长 分切 纠偏 计数等功能 20 2020 3 21 各种色标传感器外形 色标传感器能区别红 绿 蓝 或其他 颜色 21 2020 3 21 色标传感器外形 续 22 2020 3 21 色标传感器在流水线上检测产品的颜色 23 2020 3 21 用多个色标传感器测量薄板的颜色 24 2020 3 21 产品包装色彩检测 分选 25 2020 3 21 任务二被测物吸收部分光的检测 一 人体指尖脉搏仪 放大图见后一页 图8 31光电式指尖脉搏仪示意图a 电原理框图b 各关键点信号波形1 中指2 遮光盒3 红色发光二极管4 光敏晶体管5 基座 26 2020 3 21 波形放大图见后一页 图8 31 27 2020 3 21 28 2020 3 21 1误差 因时间闸门开启和关闭时与时钟脉冲的边沿不同步而致 使计数脉冲群的首尾可能多一个脉冲或少一个脉冲 从而产生 1误差 可以提高 时钟 频率 来相对地减小 1误差 29 2020 3 21 人体指尖脉搏仪原理 续 每分钟的脉搏数值 8 8 式 8 8 给出的理论分辨率可达1 1000 因时间闸门开启和关闭时与时钟脉冲的边沿不同步 致使计数脉冲群的首尾可能多一个或少一个脉冲 称为 1误差 当脉搏在99次 min以下时 小数点设置在倒数第二位 分辨力为0 1次 min 当脉搏在99次 min以上时 不设小数点 30 2020 3 21 血氧 脉搏检测仪 脉搏血氧饱和度测量的基本原理是 还原血红蛋白 RHb 与氧气结合后变成氧合血红蛋白 HbO2 呈暗红色 氧合血红蛋白呈鲜红色 两者对红光和红外光的吸收不同 在波长为660nm的红光处 还原血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白强十倍以上 而在波长为940nm的红外光处 还原血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白弱得多 31 2020 3 21 二 透射式光电浊度仪 水的 混浊程度 可以用 浊度 来表示 当水体中有体积较大的悬浮颗粒物时 通过水体的部分光线会被吸收 多次反射及散射 此时需采用吸收法测量水样的 吸光度 水的浊度值越高 透射光就越弱 32 2020 3 21 透射式光电浊度仪原理 将一定量的白色高分子聚合物作为浊度标准溶液的基准物质 1L水中含有1mg的硫酸肼与六次甲基胺聚合的浊度定义为1FNU 图8 32透射式光电吸光度仪原理图1 恒流源2 遮光盒3 波长为850nm的LED4 小孔5 半反半透镜6 全反射镜7 含沙被测水样8 11 光电池9 12 电流 电压转换器10 标准水样 参比通道 抵消外界影响 33 2020 3 21 透射式光电浊度仪参比通道与测量通道 放大图 34 2020 3 21 光电式含沙量测量 将装有浊水的试管插入仪器中 35 2020 3 21 透射式光电浊度仪原理 续 红外光从小孔4射出 经过半反半透镜5分成两束强度相等的光线 一路光线穿过标准水样10 有时也采用标准衰减板 到达光电池11 产生作为被测水样浊度的参比信号 另一路光线经全反射镜6后 穿过含沙被测水样7到达光电池8 其中一部分光线被样品介质吸收 36 2020 3 21 透射式光电浊度仪原理 续 样品水样越混浊 光线衰减量越大 到达光电池8的光通量就越小 上下两路光信号分别为转换成电压信号Uo1和Uo2 由运算器计算出Uo1 Uo2的比值以及被测水样的浊度 采用半反半透镜5 标准水样10以及光电池11作为参比通道的好处是 当光源的光通量由于种种原因有所变化或环境温度变化引起光电池灵敏度发生改变时 由于两个通道的结构完全一样 所以在计算Uo1 Uo2值时 上述误差可自动抵消 37 2020 3 21 任务三被测物反射部分光的检测 一 散射式浊度仪将一束光照射一定厚度的待测水样 穿过待测水样的入射光束被待测水样中的悬浮颗粒所散射 按照国际标准所规定 在与入射光90 的方向上测量散射光强 可以得到水样的浊度 散射光浊度仪的准确度 精度 重现性和重复性都较好 600mm波长的光线照射在胶体颗粒上的散射3种状况 38 2020 3 21 散射式浊度仪工作原理 图8 33散射式光电浊度仪原理图1 恒流源2 遮光盒3 波长为850nm的LED4 出光孔5 被测浊度水样玻璃杯 顶视图 6 悬浮颗粒7 90 散射光8 散射光测量光电池9 散射光电流 电压转换器10 参比透射光11 参比透射光光电池12 透射光电流 电压转换器 39 2020 3 21 二 光电反射式烟雾报警器 1 火灾报警器物质在燃烧过程中一般有下列现象发生 1 产生热量 使环境温度升高 可以用各种温度传感器来测量 2 产生可燃性气体 释放出可燃性气体 如CO等 可以用可燃性气体传感器来检测 3 产生烟雾 粒子直径大于10nm 当烟雾潜入烟雾传感器的检测室时 可引起烟雾室电流增大 4 产生火焰 火焰辐射出红外线 可见光和紫外线 利用紫外线管能够有效地监测火焰发出的紫外线 但应避开太阳光的照射 以免引起误动作 40 2020 3 21 2 离子式烟雾报警器 离子式烟雾报警器中的关键元件是离子室 被安装在天花板下 离子室所用放射元素为镅241 强度约为0 8微居里 正常状态下离子室的电流很小 约10 A 当有烟尘进入电离室后 产生大量的正负电离子 在电场的作用下 各自向负电极和正电极移动 报警电路检测到离子电流 毫安数量级 超过设定的阈值时发出报警信号 41 2020 3 21 离子式烟雾报警器的安装 42 2020 3 21 3 光电式烟雾报警器 光电反射式烟雾报警器由总线供电 总线上可以连接几百个报警器 与火灾报警控制器联网 组成一个报警系统 报警时主机有声 光提示 值班人员可以根据感烟报警器的地址编码发现报警的物理位置 房间号码 43 2020 3 21 光电式烟雾报警器原理 放大图见下页 没有烟雾时 由于红外对管相互垂直 烟雾室内又涂有黑色吸光材料 所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏晶体管 当烟雾进入烟雾室后 烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射 使部分红外光到达光敏晶体管 44 2020 3 21 光电式烟雾报警器原理 续 a 原理示意图b 外形1 红外发光二极管2 烟雾检测室3 透烟孔4 红外光敏晶体管5 黑色吸光绒布6 烟雾 图8 34 45 2020 3 21 烟雾报警器 续 在没有烟雾时 由于红外对管相互垂直 烟雾室内又涂有黑色吸光材料 所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏晶体管 当烟雾进入烟雾室后 烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射 使部分红外光到达光敏晶体管 报警 46 2020 3 21 无线烟雾报警器内部结构 可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器 47 2020 3 21 无线火灾烟雾传感器 无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上 它内部使用一节9伏层叠电池供电 工作在警戒状态时 工作电流仅为15微安 报警发射时工作电流为20毫安 当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时 传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的断续报警声 工作指示灯快速连续闪烁 无线发射器发出无线报警信号 通知远方的接收主机 将报警信息传递出去 无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米 在有阻挡的普通房间结构中 可以达到20米 可穿透200mm砖墙 48 2020 3 21 火灾感知传感器及玻璃球洒水喷头 烟雾传感器 当发生火灾时 温度升高使玻璃球爆裂 高压自来水自动喷出 49 2020 3 21 反射式烟雾报警器演示 红外LED的激励电流用40kHz调制 所以红外光敏晶体管接收到的光信号也是同频率的调制光 光敏晶体输出40kHz电信号 经窄带选频放大器放大 检波后成为直流电压 再经低放和阈值比较器输出报警信号 室内的灯光 太阳光即使泄露进烟雾检测室也无法通过40kHz选频放大器 50 2020 3 21 三 光电式转速表 1 光电式转速表的基本原理 工程中 转速是指每分钟内旋转物体转动的圈数 它的单位是r min 或rpm 光电式转速表可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速 由于光电器件的动态特性较好 所以可以用于高转速的测量而又不干扰被测物的转动 51 2020 3 21 图8 35光电式转速表a 工作原理b 各关键点波形c 外形1 光源 红色LED 2 6 聚焦透镜3 被测旋转物4 反光纸5 遮光罩7 光敏二极管8 施密特整形电路9 秒信号闸门 放大图见后页 52 2020 3 21 图8 35光电式转速表 53 2020 3 21 光电反射式转速表 光电式转速表属于反射式光电传感器 它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速 n 60 f z n 每分钟转速f 输出脉冲频率z 齿轮的齿数 54 2020 3 21 光电反射式转速计用于水泵转速测量 55 2020 3 21 光源 红色LED 发出的光线经聚焦透镜2会聚成平行光束 照射到被测旋转物3上 光线经事先粘贴在旋转物体上的反光纸4反射回来 经透镜6聚焦后落在光敏二极管7上 旋转物体每转一圈 光敏二极管就产生一个脉冲信号 经放大 整形电路8得到TTL电平的脉冲信号 该信号在与门 秒信号闸门 9中和 秒信号 的高电平相 与 与门在1s的时间间隔内输出的脉冲数正比于旋转物体每秒钟的转数 由LCD显示器显示出被测旋转物每分钟的转数 r min 由于被测旋转物体上只有一个反光片 所以每转只产生1个脉冲 则转速 8 10 可以用单片机来实现与上述逻辑电路相同的功能 56 2020 3 21 2 数字量检测时的 1误差 测频误差主要有两个 闸门时间t闸门的误差 可以使用晶振来提高t闸门的准确性 量化误差 又称为 1误差 测频时 有N个脉冲在闸门为高电平的时间段里通过闸门 图8 35中的与门 进入计数器 则被测频率f N t门控 由于闸门开启时刻 秒信号的上升沿 和被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机的 因此在第二个1s闸门时间里 可能比在第一个1s闸门时间多计数或少计数了一个脉冲 见图8 31中的uk波形 图8 35中的ud波形 每个脉冲所代表的频率 误差 f 1 t门控 8 11 当被测频率f较低时 1误差所产生的示值相对误差明显增大 57 2020 3 21 1误差引起的示值相对误差 续 例如 当t门控 1s时 1个脉冲所产生的 1误差代表 f 1Hz 当被测频率f 1000Hz时 示值相对误差 f1000 1Hz 1000Hz 100 0 1 当被测频率f 10Hz t门控仍然为1s时 示值相对误差 f1000 1Hz 100Hz 100 10 所以当被测频率f较低时 应增加门控时间 以减小 1误差 例如 当t门控增加到10s时 每一个脉冲代表 f 1 t门控 1 10s 0 1Hz 当被测频率f 10Hz时 根据f N t门控 在10s的时间间隔里 可以得到N ft门控 10Hz 10s 100个脉冲 所产生的示值相对误差只有t门控为1s时的1 10 f10 0 1Hz 10Hz 100 1 58 2020 3 21 例8 5图8 35中 当t门控 0 1s 被测频率f 1kHz时 求 1 每个脉冲代表多少赫兹 2 在0 1s的时间间隔里 可以得到多少个脉冲 3 所产生的示值误差为百分之几 解1 每一个 1脉冲代表的频率 f 1 t门控 1 0 1s 10Hz 2 在0 1s的时间间隔里 可以得到N ft门控 1kHz 0 1s 100个脉冲 3 所产生的示值误差为 f1000 10Hz 1000Hz 100 1 或 f1000 1个脉冲 100个脉冲 100 1 59 2020 3 21 四 反射式光电开关 光电开关可分为遮断式和反射式两类 反射式又可分为两种情况 反射镜反射式传感器安装时 需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果 它的检测距离不如遮断式 反射镜使用偏光三角棱镜 对安装角度的变化不太敏感 能将光源发出的光转变成偏振光 波动方向严格一致的光 反射回去 光敏元件表面覆盖一层偏光透膜 只能接收反射镜反射回来的偏振光 而不响应表面光亮物体反射回来的各种非偏振光 这种设计使它也能用于检测诸如罐头 玻璃瓶等具有反光面的物体 反射镜反射式光电开关的检测距离可达几米 只要不是全黑的物体均能产生漫反射 散射式光电开关的安装较为方便 但检测距离比遮断式小 通常只有几百毫米 60 2020 3 21 图8 36光电开关类型及应用 a 遮断式b 反射镜反射式c 散射式1 发射器2 接收器3 被测物4 偏振光反射镜5 带偏振光滤光片的接收器 61 2020 3 21 反射式光电传感器实例 光电自动门 自动门光电传感器局部放大图 有效检测区域 62 2020 3 21 反射式光电开关的安装 反射镜反射式传感器的发射器和接收器单侧安装 反射镜在远侧安装 本质上仍然是遮断式传感器 偏光三角棱镜能将发射器发出的光以固定的偏振方向反射回去 安装时 需要在360 平面上调整反射镜的偏振方向 使得反射光的偏振面恰好与接收器表面的偏振滤光片的偏振方向一致 才能取得最大灵敏度 可达几米 63 2020 3 21 偏振光 光是一种电磁波 电磁波是横波 而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面 光的振动面只限于某一固定方向 叫做平面偏振光或线偏振光 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振 偏振片只允许某个偏振方向的光通过 因此偏振滤光片能够区别偏振光的方向 而人的眼睛对偏振光不敏感 偏振光 偏振透镜 非偏振光 64 2020 3 21 反射式光电开关及反射镜外形 三角偏振反射镜 发射器在上 接收器在下 65 2020 3 21 反射镜反射式光电开关工作原理 反射镜为偏光三角棱镜 能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去 光接收器表面覆盖一薄片型偏光片 只能接受反射镜反射回来的某一确定偏振角的偏振光 对其他杂散光视而不见 偏振反射镜 被测物体 偏振光 发射光 66 2020 3 21 反射镜 反射镜反射式光电开关优点 虽然塑料瓶的表面也反射光 但不是偏振光 不会引起接收器动作 能反光的塑料瓶 67 2020 3 21 反射式光电开关的应用 反射式光电开关广泛应用于自动控制系统 生产流水线 机电一体化设备 办公设备和家用电器中 光电开关中的发光二极管大多数用38kHz窄脉冲电流激励驱动 红外LED的正向压降约为1 1 1 3V 驱动电流峰值控制在20mA以内 68 2020 3 21 反射式光电开关在流水线上的应用 送料器 落料口 遮断式光电开关 用于计数 69 2020 3 21 反射镜反射式光电开关的应用 续 反射镜反射式检测有无物体通过 70 2020 3 21 反射镜反射式光电开关的应用 续 产品高度错误检测 71 2020 3 21 反射式光电开关的发射 接收器外形 电源指示 信号指示 72 2020 3 21 反射式光电开关外形 续 灵敏度调节电位器 73 2020 3 21 被测物是具有漫反射特性的反射式光电开关原理 漫反射光线 反射光线 被检测物体 光发射器和光接受器 发射光线 漫反射式光电开关集光发射器和光接受器于一体 当被测物体经过该光电开关时 发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接收 于是产生开关信号 额定距离 74 2020 3 21 光电开关激励源调制原理 漫反射式光电开关的LED多采用红外线中频 38kHz左右 窄脉冲电流驱动 发射调制光脉冲 可减小发射LED的功耗 接收器的光敏管接收到漫反射光线 输出微弱电流信号 送到38kHz选频交流放大器 可以有效地防止太阳光 日光灯的干扰 放大倍数可达60dB 解调前为TTL信号 解调后输出直流负脉冲报警信号 75 2020 3 21 例 反射式光电开关激励源调制 解调 76 2020 3 21 常用材料的反射率 相对于白纸的估计值 77 2020 3 21 光电开关的最大指向角示意图 78 2020 3 21 漫反射式光电开关用于自动水龙头 红外线发射管发出的红外线由于人体手的摭挡反射到红外线接收管 控制器内部的微电脑处理后 控制小功率电磁阀 打开阀芯 水龙头出水 79 2020 3 21 光电开关用于液面超限报警 当液面超过光电开关时 反射光泄漏并减弱 光敏晶体管产生报警信号 80 2020 3 21 漫反射式光电开关应用 续 包装分类检测 81 2020 3 21 漫反射式光电开关应用 续 转速检测 82 2020 3 21 漫反射式光电开关应用 续 机械手定位 83 2020 3 21 漫反射式光电开关应用 续 三角皮带脱落检测 84 2020 3 21 漫反射式光电开关应用 续 集成电路方向检测 电动机换向器间隙深度测量 85 2020 3 21 漫反射式光电开关应用 续 产品计数 86 2020 3 21 漫反射式光电开关的应用 续 自动注料 物位检测 87 2020 3 21 漫反射式光电开关的应用 续 物体倒置辨别 转速检测 88 2020 3 21 漫反射式光电开关的应用 续 产品计数 89 2020 3 21 漫反射式光电开关的应用 续 断裂检测 90 2020 3 21 任务四被测物遮蔽部分光的检测 一 遮断式光幕传感器发射器和接收器相对安放 轴线严格对准 当有物体在两者中间通过时 红外光束被遮断 接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号 可以将一组数目相同的平行排列的红外或红光LED与相应的光敏晶体管组成 安全