1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块八、光学量检测模块八、光学量检测 课件统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）10/13/20221本模块介绍本模块介绍“光学量光学量”的基本概念、的基本概念、各种光各种光电元件电元件，例如：，例如：紫外光电管紫外光电管、光敏电阻光敏电阻、光敏、光敏二极管、二极管、光敏晶体管光敏晶体管、光电池光电池，介绍，介绍各种光电各种光电元件的应用。元件的应用。还介绍了还介绍了光导纤维传感器及其应光导纤维
2、传感器及其应用用。内容简介内容简介今天是：今天是：10/13/202210/13/202210/13/20222模块八、光学量检测（中）模块八、光学量检测（中）目录目录进入进入进入进入（上）知识链接（上）知识链接 光学量的基本概念光学量的基本概念（上）项目一、光电元件及应用电路（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（中）项目二、光电传感器的应用拓展阅读拓展阅读 光导纤维传感器及应用光导纤维传感器及应用現在時間現在時間是：是：15:0315:03进入进入10/13/20223项目二项目二 光电传感器的应用光电传感器的应用【项目教学目标项目教学目标】知识目标知识目标1）了解
3、光电传感器）了解光电传感器4种类型的应用种类型的应用。2）了解锅炉炉膛火焰的检测方法。）了解锅炉炉膛火焰的检测方法。技能目标技能目标1）掌握转速测量中的）掌握转速测量中的1误差分析。误差分析。2）掌握边缘位置的检测和纠偏方法。）掌握边缘位置的检测和纠偏方法。回目录回目录10/13/20224光电传感器的几种基本应用型式光电传感器的几种基本应用型式图图8-23 光电传感器的光电传感器的4种应用型式种应用型式a）被测物是）被测物是光源光源 b）被测物）被测物吸收吸收部分光部分光c）被测物是有）被测物是有反射能力反射能力的表面的表面 d）被测物）被测物遮蔽遮蔽部分光部分光光电传感器的几种应用形式的演
4、示光电传感器的几种应用形式的演示10/13/20225任务一任务一 被测物本身是光源的检测被测物本身是光源的检测光的照度光的照度E的单位是的单位是lx（勒克斯勒克斯），），表示受照物体表示受照物体被照亮的程度被照亮的程度，可以用可以用照度计照度计（也称勒克斯（也称勒克斯计）计）来测量。来测量。光电池光电池(外外加柔光罩）加柔光罩）10/13/20226一、照度计一、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。照度计通常是计。照度计通常是由硅光电池由硅光电池（或硒光电池）与（或硒光电池）与微安表微安表（模拟式）或数字电路（模拟式）或数字电路组
5、成。组成。a）原理图）原理图 b）外形）外形1余弦角度补偿器余弦角度补偿器 2V()修正滤光片修正滤光片 3磷硅玻璃磷硅玻璃 4氮化硅减反射膜氮化硅减反射膜 5SnO2半透明栅线前电极半透明栅线前电极 6光电池光电池 7银铝浆电极银铝浆电极 8微安表微安表 9液晶屏液晶屏 10控制键控制键图图8-24 10/13/20227照度计的照度计的技术指标技术指标技术指标技术指标：示值切换范围：示值切换范围：1.99910n lx（n=15）取样率：取样率：2.5次次/秒秒操作环境：操作环境：050相对湿度相对湿度70%RH10/13/20228照度计中的照度计中的补偿器补偿器1.受照面的亮度与光源受
6、照面的亮度与光源的入射角度有关。当光源的入射角度有关。当光源入射角度不与柔光罩垂直入射角度不与柔光罩垂直时，必须进行时，必须进行余弦补偿余弦补偿。斜向光照斜向光照 2.光电池光电池对不同颜色光的对不同颜色光的转换效率不同，必须进行颜转换效率不同，必须进行颜色补偿色补偿。光电池的峰值波长。光电池的峰值波长约为约为0.78微米。微米。10/13/20229二、火焰探测器二、火焰探测器1火焰探测器的用途火焰探测器的用途在大型锅炉的燃烧过程中，需要在大型锅炉的燃烧过程中，需要利用火焰探测器来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检测火焰的燃烧和熄灭，并检测火焰的稳定性。火焰探。火焰探
7、测器与炉膛吹扫、送风机、给煤粉机等组成测器与炉膛吹扫、送风机、给煤粉机等组成FSSS（或（或BMS）燃烧器管理系统，可以）燃烧器管理系统，可以防止火焰突然熄灭时，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。多数火焰的外光、可见光和紫外光。多数火焰的燃烧信号是一种不燃烧信号是一种不规则的脉动信号规则的脉动信号。频率信号包含信号的频谱、带宽、峰。频率信号包含信号的频谱、带宽、峰峰值等参数，要对这部分
8、信号进行滤波，从中峰值等参数，要对这部分信号进行滤波，从中提取火焰提取火焰的燃烧特征的燃烧特征。锅炉中的煤粉火焰存在着锅炉中的煤粉火焰存在着3种闪烁频率：种闪烁频率：1550Hz时火焰正常时火焰正常；715Hz时火焰不稳定时火焰不稳定；小于小于7Hz时火时火焰丧失焰丧失。10/13/202210火焰信号火焰信号的特点的特点火力发电厂火力发电厂图图8-25 锅炉炉膛的锅炉炉膛的辐射强度变化辐射强度变化跳动的火焰跳动的火焰10/13/2022113 3火焰探测器的结构火焰探测器的结构图图8-26 锅炉火焰检测原理图锅炉火焰检测原理图1火焰火焰 2高温镜头高温镜头 3红外滤除片红外滤除片 4成像光导
9、纤维束成像光导纤维束 5光导纤维外壳光导纤维外壳 6火焰成像火焰成像 7光电池光电池10/13/202212图图8-27 火焰探头的光谱响应火焰探头的光谱响应图图8-28 炉膛火焰探测器的安装炉膛火焰探测器的安装10/13/202213锅炉安全保护系统锅炉安全保护系统FSSSFSSS系统系统10/13/202214三、色彩传感器三、色彩传感器也称颜色传感器、色标传感器等。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，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
10、射光谱中同时反射光谱中红色的部分，红色的部分，因此对观察者会表现为因此对观察者会表现为红红色色。叶绿素吸收红、蓝、紫光，反射绿色光。叶绿素吸收红、蓝、紫光，反射绿色光。任何一个物体的颜色任何一个物体的颜色都可用红、绿、蓝都可用红、绿、蓝（R、G、B）三原色的光功率三原色的光功率谱的函数来表示谱的函数来表示。射入。射入眼睛的光线刺激视网膜眼睛的光线刺激视网膜上对不同颜色有不同灵上对不同颜色有不同灵敏度敏度的视觉细胞，并通的视觉细胞，并通过视神经传送到大脑，过视神经传送到大脑，从而感觉到色彩。从而感觉到色彩。10/13/202215色彩色彩 色度图色度图 色彩传感器常用于检测色彩传感器常用于检测特
11、定色标或物体上的斑点，特定色标或物体上的斑点，它是通过它是通过与非色标区相比与非色标区相比较来实现色标检测较来实现色标检测。视网膜中的视网膜中的三三种视锥细胞对种视锥细胞对颜色的感应颜色的感应三基色光合成三基色光合成10/13/202216色彩传感器（续）色彩传感器（续）图图8-29 色彩传感器及信号处理示意图色彩传感器及信号处理示意图1红红、绿绿、蓝蓝滤色片滤色片 2玻璃基板玻璃基板 3-Si 4透明导电膜透明导电膜 5公共电极公共电极 6背面引出电极背面引出电极 7遮光保护树脂遮光保护树脂 8电流电流/电压转换器电压转换器10/13/202217色彩传感器（续）色彩传感器（续）10/13/
12、202218色彩传感器（续）色彩传感器（续）无定型硅（无定型硅（-Si）制成的色彩传感器能）制成的色彩传感器能得到三色信得到三色信号号。在玻璃基板上。在玻璃基板上按顺序粘贴按顺序粘贴红红、绿绿、蓝蓝滤色镜滤色镜，分，分别与别与R、G、B三个输出电极处于同一轴线上。三个输出电极处于同一轴线上。-Si本本身的身的光谱灵敏度与人眼十分接近，峰值波长约为光谱灵敏度与人眼十分接近，峰值波长约为0.50.6 m。当光线透过红、绿、蓝滤光片后，就可以。当光线透过红、绿、蓝滤光片后，就可以分别得到分别得到R、G、B三根光谱特性。三根光谱特性。图图8-29 色彩传感器色彩传感器及信号处理示意图及信号处理示意图1
13、0/13/202219色标传感器的原理及应用色标传感器的原理及应用 颜色传感器中，有一类称为颜色传感器中，有一类称为“色标传感器色标传感器”，常用，常用于于检测特定色标或物体上的斑点检测特定色标或物体上的斑点，它是，它是通过与非色标通过与非色标区相比较来实现色标检测区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。，而不是直接测量颜色。可用于包装、印刷、可用于包装、印刷、制药、纺织、制药、纺织、涂料、涂料、化妆品、农业、血液化妆品、农业、血液诊断、尿样分析和假诊断、尿样分析和假牙等牙等。还。还可用于彩色可用于彩色材料的定位、定长、材料的定位、定长、分切、纠偏、计数分切、纠偏、计数等等功能。功能。10
14、/13/202220各种色标传感器外形各种色标传感器外形色标传感器色标传感器能区别能区别红红、绿绿、蓝蓝（或其他）颜色。（或其他）颜色。10/13/202221色标传感器外形（续）色标传感器外形（续）10/13/202222色标传感器在流水线上检测产品的颜色色标传感器在流水线上检测产品的颜色10/13/202223 用多个色标传感器用多个色标传感器测量薄板的颜色测量薄板的颜色10/13/202224产品包装色彩检测、分选产品包装色彩检测、分选10/13/202225任务二任务二 被测物吸收部分光的检测被测物吸收部分光的检测一、人体指尖脉搏仪一、人体指尖脉搏仪（放大图放大图见后一页见后一页）图图
15、8-31 光电式指尖脉搏仪示意图光电式指尖脉搏仪示意图a）电原理框图）电原理框图 b）各关键点信号波形）各关键点信号波形1中指中指 2遮光盒遮光盒 3红色发光二极管红色发光二极管 4光敏晶体管光敏晶体管 5基座基座10/13/202226波形放大图波形放大图见后一页见后一页图图8-3110/13/20222710/13/2022281 1误差误差因时间因时间闸门闸门开启开启和和关闭关闭时与时钟脉冲的时与时钟脉冲的边沿不同步边沿不同步而而致，使计数脉冲群的首尾可能致，使计数脉冲群的首尾可能多一个脉冲多一个脉冲或或少一个脉冲少一个脉冲，从而产生从而产生“1误差误差”。可以。可以提高提高“时钟时钟”
16、频率频率，来相，来相对地减小对地减小1误差。误差。10/13/202229人体指尖脉搏仪原理（续）人体指尖脉搏仪原理（续）每分钟的脉搏数值每分钟的脉搏数值 （8-8）式（式（8-8）给出的理论分辨率可达）给出的理论分辨率可达1/1000。因时间闸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，冲群的首尾可能多一个或少一个脉冲，称为称为1误差误差。1000=60=60fnNN 当脉搏在当脉搏在99次次/min以下时，小以下时，小数点设置在倒数数点设置在倒数第二位，分辨力第二位，分辨力为为0.1次次/min；
17、当当脉搏在脉搏在99次次/min以上时，不设小以上时，不设小数点。数点。10/13/202230血氧、脉搏检测仪血氧、脉搏检测仪脉搏血氧饱和度测量的基本原理是：脉搏血氧饱和度测量的基本原理是：还原血红蛋白还原血红蛋白(RHb)与氧气结合后变成氧合血红蛋白与氧气结合后变成氧合血红蛋白(HbO2)，呈暗红呈暗红色色，氧合血红蛋白呈鲜红色氧合血红蛋白呈鲜红色，两者对红光和红外光的，两者对红光和红外光的吸收不同。吸收不同。在波长为在波长为660nm的的红光处，还原血红光处，还原血红蛋白对光的吸红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋收比氧合血红蛋白强十倍以上白强十倍以上，而在波长为而在波长为940nm的的红外光红
18、外光处，处，还还原血红蛋白对光原血红蛋白对光的吸收比氧合血的吸收比氧合血红蛋白弱得多红蛋白弱得多。10/13/202231二、透射式光电浊度仪二、透射式光电浊度仪水的水的“混浊程度混浊程度”可以用可以用“浊度浊度”来表示。来表示。当水体中有体积当水体中有体积较大的悬浮颗粒物较大的悬浮颗粒物时，通过水体的时，通过水体的部分光线会被部分光线会被吸收吸收、多次反射多次反射及及散射散射，此时，此时需采用吸收需采用吸收法测量水样的法测量水样的“吸光度吸光度”。水的。水的浊度值越高，透射光就浊度值越高，透射光就越弱越弱。10/13/202232透射式光电浊度仪原理透射式光电浊度仪原理将将一定量的一定量的白
19、色高分子聚合物白色高分子聚合物作为作为浊度标准溶液的浊度标准溶液的基准物质基准物质。1L水中含有水中含有1mg的硫酸肼与六次甲基胺聚合的硫酸肼与六次甲基胺聚合的浊度定义为的浊度定义为1FNU。图图8-32 透射式光电吸光度仪原理图透射式光电吸光度仪原理图1恒流源恒流源 2遮光盒遮光盒 3波长为波长为850nm的的LED 4小孔小孔 5半反半透镜半反半透镜 6全反射镜全反射镜 7含沙被测水样含沙被测水样 8、11光电池光电池 9、12电流电流/电压转换器电压转换器 10标准水样标准水样参比通道（抵消外界影响）参比通道（抵消外界影响）10/13/202233透射式光电浊度仪参比通道与测量通道透射式
20、光电浊度仪参比通道与测量通道（放大图）（放大图）10/13/202234光电式含沙量测量光电式含沙量测量将将装有浊装有浊水的水的试管试管插入仪器中插入仪器中10/13/202235透射式光电浊度仪原理（续）透射式光电浊度仪原理（续）红外光从小孔红外光从小孔4射出，射出，经过半反半透镜经过半反半透镜5分成两束分成两束强度相等的光线强度相等的光线：一路光线穿过标准水样一路光线穿过标准水样10（有时也采用标准衰减（有时也采用标准衰减板），到达光电池板），到达光电池11，产生作为被测水样浊度的参，产生作为被测水样浊度的参比信号比信号；另一路光线经全反射镜另一路光线经全反射镜6后，穿过含沙被测水样后，穿
21、过含沙被测水样7到达光电池到达光电池8，其中一部分光线被样品介质吸收，其中一部分光线被样品介质吸收。10/13/202236透射式光电浊度仪原理（续）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，到达光电池样品水样越混浊，光线衰减量越大，到达光电池8的的光通量就越小光通量就越小。上下两路光信号分别为转换成电压信号。上下两路光信号分别为转换成电压信号Uo1和和Uo2，由运算器计算出，由运算器计算出Uo1/Uo2的比值以及被测水样的比值以及被测水样的浊度。的浊度。采用半反半透镜采用半反半透镜5、标准水样、标准水样10以及光电池以及光电池11作为参作为参比通道的比通道的好处是：当光源的光
22、通量由于种种原因有所变好处是：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，化或环境温度变化引起光电池灵敏度发生改变时，由于由于两个通道的结构完全一样，所以在计算两个通道的结构完全一样，所以在计算Uo1/Uo2值时，上值时，上述误差可自动抵消述误差可自动抵消。10/13/202237任务三任务三 被测物反射部分光的检测被测物反射部分光的检测一、散射式浊度仪一、散射式浊度仪将一束光照射一定厚度的待测水样，将一束光照射一定厚度的待测水样，穿过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的入射光束被待测水样中的悬浮颗粒所散射。按照国际。按照国际标准所规定，
23、标准所规定，在与入射光在与入射光90的方向上测量散射光强，的方向上测量散射光强，可以得到水样的浊度可以得到水样的浊度。散射光浊度仪散射光浊度仪的准确度、精度、的准确度、精度、重现性和重复性重现性和重复性都较好。都较好。600mm波长的波长的光线照射在胶体光线照射在胶体颗粒上的散射颗粒上的散射3种状况种状况10/13/202238散射式浊度仪工作原理散射式浊度仪工作原理图图8-33 散射式光电浊度仪原理图散射式光电浊度仪原理图1恒流源恒流源 2遮光盒遮光盒 3波长为波长为850nm的的LED 4出出光孔光孔 5被测浊度水样玻璃杯（顶视图）被测浊度水样玻璃杯（顶视图）6悬浮颗粒悬浮颗粒 790散射
24、光散射光 8散射光测量光电池散射光测量光电池 9散射光电流散射光电流/电压转换器电压转换器 10参比透射光参比透射光 11参比透射光光电池参比透射光光电池 12透射光电流透射光电流/电压转换器电压转换器10/13/202239二、光电反射式烟雾报警器二、光电反射式烟雾报警器1火灾报警器火灾报警器物质在燃烧过程中一般有下列现象发生：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）产生热量：使环境温度升高，可以用各种温度传感器来测量。传感器来测量。（2）产生可燃性气体：释放出可燃性气体，如）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
25、。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）产生烟雾：粒子直径大于10nm。当烟雾潜入。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。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）产生火焰：火焰辐射出红外线、可见光和紫外线。利用紫外线线、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管能够有效地监测火焰发出的紫外线线，但应避开太阳光的照射，以免但应避开太阳光的照射，以免引起误动作引起误动作。10/13/2022402 2离子式烟雾报警器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离子式烟雾报警器中的关键元件是离子室，
26、被安装，被安装在天花板下。离子室所用在天花板下。离子室所用放射元素为镅放射元素为镅241，强度约为，强度约为0.8微居里微居里。正常状态下离子室的电流很小（约正常状态下离子室的电流很小（约10A）。当有烟尘进入电离室后，产生大量的正负电离子，当有烟尘进入电离室后，产生大量的正负电离子，在电在电场的作用下，各自向负电极和正电极移动。场的作用下，各自向负电极和正电极移动。报警电路报警电路检测到检测到离子离子电流（毫安电流（毫安数量级）超数量级）超过设定的阈过设定的阈值时发出报值时发出报警信号警信号。10/13/202241离子式烟雾报警器的安装离子式烟雾报警器的安装10/13/2022423 3光
27、电式烟雾报警器光电式烟雾报警器光电反射式烟雾报警器由总线供电。光电反射式烟雾报警器由总线供电。总线上可以连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，组成一个报警系统警系统。报警时主机有声、光提示，值班人员可以。报警时主机有声、光提示，值班人员可以根据根据感烟报警器的地址编码发现报警的物理位置（房间号感烟报警器的地址编码发现报警的物理位置（房间号码）码）。10/13/202243光电式烟雾报警器原理光电式烟雾报警器原理（放大图见下页）（放大图见下页）没有烟雾时，由于没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有
28、黑色吸光材料，所以红外涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到发出的红外光无法到达红外光敏晶体管达红外光敏晶体管。当烟雾进入烟雾室后，当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体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粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏晶体管管。10/13/202244光电式烟雾报警器原理（续）光电式烟雾报警器原理（续）a）原理示意图）原理示意图 b）外形）外形1红外发光二极管红外发光二极管 2烟雾检测室烟雾检测室 3透烟孔透烟孔 4红外光敏晶体管红外光敏晶体管 5黑色吸光绒布黑色吸光绒布 6烟雾烟雾图图8-3410/13/202245烟雾报警器烟雾报警
29、器（续）（续）在没有烟雾时，在没有烟雾时，由于由于红外对管相互垂直，烟红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光雾室内又涂有黑色吸光材料，材料，所以红外所以红外LED发发出的红外光无法到达红出的红外光无法到达红外光敏晶体管外光敏晶体管。当烟雾进入烟雾室后，当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，光产生漫反射，使部分使部分红外光到达光敏晶体管红外光到达光敏晶体管。烟雾烟雾报警报警10/13/202246无线无线烟雾报警器内部结构烟雾报警器内部结构 可发出可发出高分贝高分贝笛鸣声笛鸣声的蜂鸣器的蜂鸣器10/13/202247无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器 无线
30、火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，时，工作电流仅为工作电流仅为15微安微安，报警发射时工作电流为报警发射时工作电流为20毫安毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，。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传感器的报警蜂鸣器立即发出发出90分贝的断续报警声分贝的断续报警声，工作指示灯快速连续闪烁工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警，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。信号，通知远
31、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无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米米，在在有阻挡的普通房间结构中，可以达到有阻挡的普通房间结构中，可以达到20米米。可穿透可穿透200mm砖墙。砖墙。10/13/202248火灾感知传感器及火灾感知传感器及玻璃球洒水喷头玻璃球洒水喷头 烟雾传感器烟雾传感器 当发生火灾时，当发生火灾时，温度升高使玻璃球爆裂温度升高使玻璃球爆裂，高压自高压自来水自动喷出来水自动喷出。烟烟10/13/202249反射式烟雾反射式烟雾报警器演示报警器演示 红外红外LED的的激励电流用激励电流用40kHz调制调制,所所以红外光敏晶以红外光敏
32、晶体管体管接收到的接收到的光信号也是同光信号也是同频率的调制光频率的调制光。光敏晶体输出光敏晶体输出40kHz电信号，电信号，经窄带选频放大器放大、经窄带选频放大器放大、检波后成为直流电压检波后成为直流电压，再经低放和阈值比较器输出报警，再经低放和阈值比较器输出报警信号信号。室内的灯光、太阳光即使泄露进烟雾检测室也无室内的灯光、太阳光即使泄露进烟雾检测室也无法通过法通过40kHz选频放大器选频放大器。10/13/202250三、光电式转速表三、光电式转速表1光电式转速表的基本原理光电式转速表的基本原理工程中，工程中，转速是指转速是指每分钟内旋转物体转每分钟内旋转物体转动的圈数动的圈数，它的，它
33、的单位单位是是r/min（或（或rpm）。光电式转速表可以光电式转速表可以在距被测物数十毫米在距被测物数十毫米外非接触地测量其转外非接触地测量其转速。由于光电器件的速。由于光电器件的动态特性较好，所以动态特性较好，所以可以用于高转速的测可以用于高转速的测量而又不干扰被测物量而又不干扰被测物的转动的转动。10/13/202251图图8-35 光电式转速表光电式转速表a）工作原理）工作原理 b）各关键点波形）各关键点波形 c）外形）外形1光源（红色光源（红色LED）2、6聚焦透镜聚焦透镜 3被测旋转物被测旋转物 4反光纸反光纸 5遮光罩遮光罩 7光敏二极管光敏二极管 8施密特整形电路施密特整形电路
34、 9秒信号闸门秒信号闸门放大图见后页放大图见后页10/13/202252图图8-35 光电式光电式转速表转速表10/13/202253光电反射式转速表光电反射式转速表 光电式转速表光电式转速表属于反射式光电属于反射式光电传感器传感器，它可以，它可以在距被测物在距被测物数十数十毫米外非接触地毫米外非接触地测量其转速测量其转速。n=60(f/z)n：每分钟转速：每分钟转速 f：输出脉冲频率：输出脉冲频率z：齿轮的齿数齿轮的齿数10/13/202254光电反射式转速计用于水泵光电反射式转速计用于水泵转速测量转速测量10/13/202255光源（红色光源（红色LED）发出的光线经聚焦透镜）发出的光线经
35、聚焦透镜2会聚成平会聚成平行光束，照射到被测旋转物行光束，照射到被测旋转物3上上，光线，光线经事先粘贴在旋经事先粘贴在旋转物体上的反光纸转物体上的反光纸4反射回来，经透镜反射回来，经透镜6聚焦后落在光聚焦后落在光敏二极管敏二极管7上上。旋转物体每转一圈，光敏二极管就产生旋转物体每转一圈，光敏二极管就产生一个脉冲信号一个脉冲信号，经放大、整形电路，经放大、整形电路8得到得到TTL电平的脉电平的脉冲信号冲信号，该信号，该信号在与门（秒信号闸门）在与门（秒信号闸门）9中和中和“秒信号秒信号”的高电平相的高电平相“与与”。与门在与门在1s的时间间隔内输出的脉冲的时间间隔内输出的脉冲数正比于旋转物体每秒
36、钟的转数，数正比于旋转物体每秒钟的转数，由由LCD显示器显示显示器显示出被测旋转物每分钟的转数（出被测旋转物每分钟的转数（r/min）。由于被测旋转。由于被测旋转物体上只有一个反光片，所以每转只产生物体上只有一个反光片，所以每转只产生1个脉冲，则个脉冲，则转速转速（8-10）可以用可以用单片机单片机来来实现与上述逻辑电路相同的功能实现与上述逻辑电路相同的功能。6060 r/minfnfz（）10/13/2022562 2数字量检测时的数字量检测时的1 1误差误差测频误差主要有两个：测频误差主要有两个：闸门时间闸门时间t闸门闸门的误差：可以使用晶振来提高的误差：可以使用晶振来提高t闸门闸门的的准
37、确性准确性；量化误差：又称为量化误差：又称为1误差误差。测频时，有测频时，有N个脉冲在闸门为高电平的时间段里通过个脉冲在闸门为高电平的时间段里通过闸门（闸门（图图8-35中的与门）进入计数器，则中的与门）进入计数器，则被测频率被测频率f=N/t门控门控。由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）和由于闸门开启时刻（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，被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机的，因此在第二个因此在第二个1s闸门时间里，可能比在第一个闸门时间里，可能比在第一个1s闸门时闸门时间多计数或少计数了一个脉冲间多计数或少计数了一个脉冲（见图（见图8-31中的中的u
38、k波形、波形、图图8-35中的中的ud波形）。波形）。每个脉冲所代表的频率（误差）每个脉冲所代表的频率（误差）f=1/t 门控门控 （8-11）当被测频率当被测频率f 较低时，较低时，1误差所产生的示值相对误误差所产生的示值相对误差明显增大差明显增大。10/13/2022571 1误差引起的示值相对误差（续）误差引起的示值相对误差（续）例如，例如，当当t门控门控=1s时，时，1个脉冲所产生的个脉冲所产生的1误差代表误差代表f=1Hz。当被测频率当被测频率f=1 000Hz时，示值相对误差时，示值相对误差f1000=(1Hz/1 000Hz)100%=0.1%。当被测频率当被测频率f=10Hz，
39、t门控门控仍然为仍然为1s时，示值相对误差时，示值相对误差f1000=(1Hz/100Hz)100%=10%。所以当被测频率所以当被测频率f 较低时，应增加门控时间，以减小较低时，应增加门控时间，以减小1误差误差。例如，当例如，当t门控门控增加到增加到10s时，每一个脉冲代表时，每一个脉冲代表f=1/t门控门控=1/(10s)=0.1Hz。当被测频率当被测频率f=10Hz时时，根据，根据f=N/t门控门控，在在10s的时间的时间间隔里，可以得到间隔里，可以得到N=f t门控门控=10Hz10s=100个脉冲个脉冲，所所产生的示值相对误差只有产生的示值相对误差只有t门控门控为为1s时的时的1/1
40、0：f 10=(0.1Hz/10Hz)100%=1%。10/13/202258例例8-58-5 图图8-35中，当中，当t门控门控=0.1s、被测频率、被测频率f=1kHz时，求：时，求：1）每个脉冲代表多少赫兹？）每个脉冲代表多少赫兹？2）在）在0.1s的时间间隔里，可以得到多少个脉冲？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？）所产生的示值误差为百分之几？解解 1）每一个）每一个1脉冲代表的频率脉冲代表的频率f=1/t门控门控=1/(0.1s)=10Hz。2）在）在0.1s的时间间隔里，可以得到的时间间隔里，可以得到N=f t门控门控=1kHz0.1s=100个脉冲
41、。个脉冲。3）所产生的示值误差为）所产生的示值误差为f1000=(10Hz/1000Hz)100%=1%。或或f1000=(1个脉冲个脉冲/100个脉冲个脉冲)100%=1%。10/13/202259四、反射式光电开关四、反射式光电开关光电开关可分为光电开关可分为遮断式遮断式和和反射式反射式两类，两类，反射式又可反射式又可分为两种情况分为两种情况。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。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反射镜使用偏光三角棱镜
42、，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）反射回去一致的光）反射回去。光敏元件表面覆盖一层偏光透膜，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物体反射回来的各种非偏振光。这种设计使它也能用于。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。检测诸如罐头、玻璃瓶等具有反光面的物体。反射镜反反射镜反射式光电开关的检测距离可达几米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。
43、散射式光电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。有几百毫米。10/13/202260图图8-36 光电开关光电开关类型及应用类型及应用a）遮断式）遮断式 b）反射镜反射式）反射镜反射式 c）散射式）散射式1发射器发射器 2接收器接收器 3被测物被测物 4偏振光反射镜偏振光反射镜5带偏振光滤光片带偏振光滤光片的接收器的接收器10/13/202261反射式光电传感器反射式光电传感器实例：光电自动门实例：光电自动门自动门光电传感器自动门光电传感器局部放大图局部放大图有效检测区域有效检测区
44、域10/13/202262反射式反射式光电开关的安装光电开关的安装反射镜反射式传感器的反射镜反射式传感器的发射器和接收器单侧安装发射器和接收器单侧安装，反反射镜在远侧安装射镜在远侧安装，本质上仍然是遮断式传感器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反射回去。安装时，需要在。安装时，需要在360平面上调整反射镜的偏平面上调整反射镜的偏振方向振方向,使得反射光的偏振面恰好与接收器表面的偏振滤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光片的偏振方向一致,才能取得最大灵敏度才能取得最大灵敏度(可达
45、几米可达几米)。10/13/202263偏振光偏振光光是一种电磁波，光是一种电磁波，电磁波是横波电磁波是横波。而振动方向和光波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某光的振动面只限于某一固定方向一固定方向，叫做平面偏振光或线偏振光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偏振片只允许某个偏振方向的光通过，因此偏振滤因此偏振滤光片能够区别偏振光的方向，而光片能够区别偏振光的方向，而人的眼睛对偏振光不敏人的眼睛对偏振光不敏感感。偏振光偏振光偏振透镜偏
46、振透镜非偏振光非偏振光10/13/202264反射式光电开关及反射镜外形反射式光电开关及反射镜外形三角偏振反射镜三角偏振反射镜 发射器在上，发射器在上，接收器在下接收器在下10/13/202265反射镜反射镜反射式反射式光电开关光电开关工作原理工作原理 反射镜为偏光三角棱镜，反射镜为偏光三角棱镜，能能将发射器发出的光转变将发射器发出的光转变成偏振光反射回去成偏振光反射回去，光接光接收器表面覆盖一薄片型偏收器表面覆盖一薄片型偏光片，只能接受反射镜反光片，只能接受反射镜反射回来的某一确定偏振角射回来的某一确定偏振角的偏振光的偏振光，对其他杂散光对其他杂散光视而不见视而不见。偏振反射镜偏振反射镜被测
47、物体被测物体偏振光偏振光发射光发射光10/13/202266反射镜反射镜反射镜反射式反射镜反射式光电开关优点光电开关优点 虽然塑料瓶虽然塑料瓶的表面也反射的表面也反射光光,但但不是偏振不是偏振光，不会引起光，不会引起接收器动作接收器动作。能反光的能反光的塑料瓶塑料瓶10/13/202267反射式反射式 光电光电开关的开关的应用应用反射式光电开关广泛应用于自动控制系统、生产流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。水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光光电开关中的发光二极管大多数用电开关中的发光二极管大多数用38kHz窄脉冲电流激窄脉冲电流
48、激励驱动励驱动；红外红外LED的正向压降约为的正向压降约为1.11.3V，驱动电驱动电流峰值控制在流峰值控制在20mA以内以内。10/13/202268反射式光电开关在反射式光电开关在 流水线上的应用流水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（用于计数）（用于计数）任务四任务四10/13/202269反射镜反射式反射镜反射式光电开关的应用光电开关的应用（续）（续）反射镜反射式反射镜反射式检测有无物体通过检测有无物体通过10/13/202270反射镜反射式反射镜反射式光电
49、开关的应用光电开关的应用（续）（续）产品高度错误检测产品高度错误检测10/13/202271反射式光电开关的发射、接收器外形反射式光电开关的发射、接收器外形电源电源指示指示信号信号指示指示10/13/202272反射式光电开关外形反射式光电开关外形（续）（续）灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器10/13/202273被测物是具有漫反射特性的被测物是具有漫反射特性的反射式光电开关原理反射式光电开关原理漫反射光线漫反射光线反射光线反射光线被检测物体被检测物体光发射器光发射器和和光接受器光接受器发射光线发射光线 漫反射式光漫反射式光电开关电开关集集光发光发射器和光接受射器和光接受器于一体器于一体。当当
50、被测物体经过被测物体经过该光电开关时，该光电开关时，发射器发出的发射器发出的光线经被测物光线经被测物体表面反射由体表面反射由接受器接收接受器接收，于是产生开关于是产生开关信号信号。额定距离额定距离10/13/202274光电开关激励源调制原理光电开关激励源调制原理漫反射式光电开关的漫反射式光电开关的LED多多采用红外线中频采用红外线中频(38kHz左右左右)窄脉冲电流驱动窄脉冲电流驱动,发射调制光脉冲发射调制光脉冲，可减小发射可减小发射LED的功耗的功耗。接收器的光敏管接收到漫反射光线，输接收器的光敏管接收到漫反射光线，输出微弱电流信号，送到出微弱电流信号，送到38kHz选频交流放大器选频交流
