光电检测技术在机械设计中的应用与发展.doc

光电检测技术在机械设计中的应用与发展
摘要：本文通过对光电检测基本原理的描述，通过讨论了光电检测技术在印刷机，包装机械，洗衣机，表面粗糙度的测定当中的应用，论述了在工艺上应该注意的问题，同时展望了光电检测技术的发展趋势
关键词：光电检测 机械

前言：检测技术在国民经济的各个行业中,起着举足轻重的作用,无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测,利用现代光电子技术作为检测手段,具有无接触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高等优越性,是当今检测技术发展的主要方向。光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模/数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。光电检测在机械设计中的应用也越来越多。

1.光电检测的基本原理

光电检测系统主要由投光器(光源)、受光器、信号处理装置等组成。根据受光器所感知的信号判断被测对象的有无、形状、方位和颜色时,按投光器和受光器的相对位置不同可分为反射型和透过型两种型式,见图1。作为光电检测媒介的光可以是自然光如白炽灯、萤光灯或卤素灯发出的光。随着光电技术的发展,现常用的是一种特殊的经过调制的光,它是反光二极管在电压作用下发出的光。因为半导体没有热惯性,可以在通电的瞬间发光,并且可发出与电流波形相同的光,这大大提高了其抗干扰能力。投光器发出的光采用不同形式接触被测物后照射在受光器上,而受光器是在光照射下产生电流(或电导率发生变化),即所谓的具有光电效应的光敏元件,常用的有光电二极管和光电三极管。光电二极管的PN结在没有光照时和普通二极管一样具有单向导电性,使用时处于反向偏置;光线照射管芯,会产生光生载流子,在反向电压作用下,生载流子导电产生光电流,即随入射光强度的变化在负载电阻的两端就会产生随光强度变化的光电压,经检波、放大处理去推动控制系统。
图（2）

2.光电检测在机械设计中的应用
光电检测技术在机械设计上多用于位置检测，其特点是可以实现无接触检测，因而可以将机械动态检测变成光电静态检测，从而可显著简化机械结构.除此之外在很多场合还可省去调整操作，如印刷机上的纸张到位检测采用光电检测技术后，纸张厚度可在相当大 的范围内变化，而无需调整检测部件;相反在采用机械检测方法时，纸张稍有变化(如0.02mm )就要调整检测装置，否则机器就可能不正常工作，由于印刷机上所用纸张是经常变化的，因而采用光电检测技术后，就不必再为纸张厚度变化而发愁了，同样在纺织机械、轧钢机械等其它设备上也可用光电检测技术代替机械检测。
1) 印刷机上的应用
透射式光电管在印刷机上主要用于位置检测和双.张检测，其位置检测实际结构示意图如图2(A)所示.图中光电管1是通用的槽形光祸，控制圆盘2用来控制光电管1发光管和接收管之间的通与断，控制圆盘2固定在回转轴3上，因而可以用来检测回转轴3的相对位置，从而根据工艺要求发出相应的控制信号，厚度检测如图2(B)所示，由发光管1发出的信号经过纸张2到达接收管3，纸张厚度或透明度发生变化后，接收管3输出的信号强度也随之变化，因而在用一张纸调试好后(即接收管输出的信号在正常规定的范围内)，当有两张纸或多张纸通过发光管和接收管之间时，接收管的输出信号强度减弱，从而发出双张或多张控制信号. 图（3）

射式光电管主要用于位置检测，其在印刷机的应用过程如图3所示，光电管1上面装有发光管和接收管两部分，当纸张到达光电管下面时，纸张上面的反射信号回到光电管1的接收管内，从而在接收管的外围线路里产生一个纸到的输出信号.反之如果纸张没有到达光电管下面，则光电管无输出信号.
图（4）
2）包装机械中的应用
光电检测技术在包装机械中多用于计数、容器定位、料面控制和色质检测等方面。其特点是可以实现无接触检测,可将机械动态检测变成光电静态检测,从而显著简化机械结构。如图2所示为牙膏灌装机上的商标对准装置原理图。牙膏管尾端夹扁必须与商标图案在同一平面,采用反射型光电控制装置。当灌装好的牙膏传送到该工位时,凸轮通过杠杆将牙膏带底座从支架上托起,由步进电动机带动慢速旋转,当牙膏管上的标记(代表商标位置)与光电接受头对准时,该有色标记将无反射光,受光器即接受光信号转换成电信号经放大整形处理控制步进电动机迅速停止转动,这时进行尾端夹扁即能与商标在同一平面上。图3所示为用光电检测装置控制充填的实例。该装置为透射式,当包装容器输送到位时,挡住了发光器投射到受光器上的光线,说明具备了充填条件,光敏元件发送出电信号,由充填控制装置控制的充填执行机构方能动作。
图（5）

图（6）
3）模糊控制洗衣机中的应用
模糊控制洗衣机主要是在普通洗衣机的基础上,在硬件系统中增加了对被洗衣物质料、衣物重量、脏污程度、脏污性质和洗涤剂量等参数检测所需的一些传感器及其接口电路和相应的A/D转换电路,通过这些传感器检测被洗衣物的质料、重量、温度等信息,单片机根据采集到的信息,经过模糊计算与推理,采用最佳的洗涤策略进行洗涤,在洗涤过程中,利用光电传感器实时检测洗涤液及水的混浊度变化,以此来确定洗涤时间和洗涤过程何时结束。根据模糊控制洗衣机的工作原理,设计模糊控制洗衣机检测系统总体结构如图1所示。

图（7）
洗衣机通过负载传感器、衣物质料检测系统、电动机惯性响应检测系统、光电传感器、温度传感器、水位变化检测系统分别对衣物重量、衣物质料、脏污程度、脏污性质、水温和水位等进行检测[3],并通过单片机控制系统输出相应的值,以便于进行模糊计算与推理,进而推断出洗涤时间、电动机转速、清洗时间、脱水时间和水位等参量用以实时控制洗衣机进行工作。
2.1　光电检测技术在衣物重量和衣物质料检测方面的应用
衣物重量和衣物质料是洗衣机实现模糊控制最重要的两个输入量,它对洗涤时间的长短、水位的高低、洗衣粉的投放量有着直接的影响。对于衣物重量的检测,采用通过断电后测量其转速和转动的圈数推算出衣物重量的方法,其检测依据是不同的布量产生不同的布阻抗,使电机断电后滚筒停转的时间不同,为了适应不同类型的电动机,我们直接测量与滚筒相连的皮带轮的转速,在洗衣机上均布六个光电传感器,在未加水的情况下,皮带轮转动时,传感器发出光电信号,通过光电接收装置采集信号,测出每两个相邻传感器收到信号的时间间隔和光电信号的脉冲数量,由相应软件推算出在断电后电动机的转速和转动的圈数,进而推算出衣物的重量。衣物质料的检测通过检测多点水位测量并采用通过断电后测量其转速和转动的圈数进而推算出衣物质料的方法。其检测原理为:通过向洗衣机内胆注入一定量的水A升,在此期间,测量n次水位。若无被洗衣物,则水位应为H1,H2,…,Hn,若有被洗物,则水位为h1,h2,…,hn。因为相同质料的衣物吸水性能是相同的,而相同衣物重量不同质料的衣物吸水性能是不同的,所以在水位H附近,两个水位差值Hi- hi(Hi,hi均小于H)变化曲线可反映被洗衣物的吸水性能,通过吸水性能可判断布质。其具体步骤为:当洗衣机水位高于H后,被洗衣物的重量和质料都会影响水位的变化,当水位达到hn时,转动内胆,使衣物充分吸水,得到水位值He,这时在已知质料的前提下,两个水位差值Hi- hi(Hi,hi均大于H)变化规则和Hn与He的差值,可作为判断被洗衣物的布量的一个因素。在洗衣机内胆转动到一定速度后,让电机停止转动,由于不同衣
物重量的被洗衣物的阻抗不同,因此电机停止的不同,通过接近开关可测量电机在惯性作用下的脉冲数,可作为判断布量的第二个因素。根据以上两个判断因素可推断出被洗衣物的质料。

4）检测表面粗糙度中的应用
采用半导体激光器、光学纤维和更合理的光路结构，具有功耗低、抗干扰能力强、稳定性好、测量范围大、体积小、成本低等特点。其原理为:当一束光入射到粗糙表面时，受表面微观不平度的调制，散射光强度呈特定的空间角分布，当表面较为光滑时，散射角分布正比于表面的功率谱密度，如果表面较为粗糙，则与表面的轮廓角分布成比例。对大多数表面而言，散射光强度角分布为正态型，而且其形状特征与表材料和入射光强无关。因此表面散射光角分布与表面粗糙度具有一一对应的关系。
图1为激光表面粗糙度检测装置结构示意图，图2为激光表面粗糙度检测装置结构原理图。

图（8）（9）

激光表面粗糙度检测装置由测量头和电箱两部分组成。测量头包括半导体激光器2、光纤自聚焦透镜3、测量物镜4和聚光镜6等。被测工件表面5和光电三极管阵列7分别位于测量物镜4的物、像方焦平面处。电箱包括激光电源1、前置放大器8、A/D模数转换器9、MCS一51单片微机10、LED显示11和键盘12等。
由自稳功率激光电源1提供电能使半导体激光器2输出恒定功率的光.经光纤白聚焦透镜3
成为平行光.通过测量物镜4聚焦于被测工件表面5，表面的散射光经测量物镜后变为平行光.表面上的光斑相当于系统的光栅，构成远心光路.可减小物镜调焦不准带来的影响.聚光透镜6将散射光聚集于光电气极管阵列7上.其作用是提高接收光的效率.扩大测量范围.阵列将散射光角分布变为电信号，经前置放大器及A/D模数转换器9送入单片微机10进行处理.并由数码管LED显示器11显示出对应的R“、尺:或旧国标的相应级别。对于不同的加工方法，其光学散射特征值召、与R“值的关系不一致，由实验归结为三类表面，测量时由键盘12进行选择。

3光电检测技术工艺问题分析
光电检测技术相对并不复杂，但是要投人生产应用还有很多工艺上的问题要解决，一般情况下以下几方面问题需要予以考虑.
(1)光电管的选用原则
通过上面分析可以看出，采用反射或透射式光电管都可进行位置检测，因而要进行位置检测的话，选用哪一种都可以，一般情况下透射式光电管灵敏度要高一些，主要是其可使光路更短，但是透射式光电管要在上下两个位置安装，且需要对中，因而给安装和调试带来不方便.尤其是印刷机上零部件比较多，一般情况下都使用反射式光祸，只有在无法用反射光祸的情况下才考虑使用透射式光祸，如印刷机用的光电双张检测装置，光电管的灵敏度也是选用光电管时应考虑的一个基本准则，光电管并不是越灵敏越好，因为如果过于灵敏有可能产生噪声信号;反之过于迟钝也不行.具体选什么样灵敏度的管子要根据实际情况而定.
(2)抗干扰问题
干扰是设计电路时所要考虑的一个重要问题，如果能在设计电路时就将干扰考虑进去的话，那将大大节约研制成本.首先要考虑环境干扰，光电管是靠其接收端接收光信号而工作.如果周围光源比较强就有可能造成光电管误动作，所以在可能的情况下应尽量将光电管处于密封状态.光电管本身也存在噪声信号，有时尽管发光管不发光，接收管仍有信号输出，因而要避免其误动作就要在设计时选择合适的比较电平，除上述所提到的两种干扰外，还有开关，继电器之类部件吸合或断开时也有可能产生噪声信号，这在设计时也是必须考虑的.
(3)防脏问题
由于光电管要对可见的物体进行检测，因而其表面上脏后容易造成其误动作，所以印刷机上用的光电管大多采用封装结构，这样当其表面有脏时只要用刷子轻轻擦一下即可，采用封装结构既可防止灰尘沽到光电管表面，又可防止润版液等腐蚀性液体溅到光电管表面.
(4)可维修性问题
光电管的寿命一般以其开关次数做为衡量指标，从使用角度看一般其寿命可以达到1护次数(相当于机器运转5一8年)以上，所以基本上不存在寿命问题，但是有些光电管由于本身质量问题或由人为造成光电管损坏等故障则会影响其正常工作，这时候就要考虑其可更换问题，充分考虑产品的可维修性问题是产品工程化设计的最基本原则.

4.发展趋势
激光光电传感器可用于二次组装或制造过程中的零件或安装工具的定位。
过去，这种控制都靠极限开关和电感接近传感器实现，如今在许多场合，由于原件尺寸的微型化或者安装密度的提高，要求极其精确的定位，从而导致视频系统和高成本激光测控系统的应用。而最新的激光器，由于光束直径小，可使简单通断开关的重复性优于0.0001in.，这种方法改进可用于硅片加工中。
检测小零件和设备
激光光电传感器可用来提高性能的另一个领域是检测极小的零件，因为激光光束极细，而且能发射特定模式的强光，所以这种装置现在可检测细如细导线的场合，可用传感器检验导线
的穿绕是否正确。这种功能也可用于检测任意小的零件。例如，激光传感器可用来对集成电路的引脚计数或检验微型钻头的出现

随着精密度和功能特性的提高，光电检测技术将越来越多的代替机械检测。

参考文献：
1) 蔡吉飞 赵鸿宾 光电检测技术在机械设计中的应用 机械设计与制造 1999.2 第1期
2）周梅方 光电检测技术在包装机械中的应用 粮油加工与食品机械 2001年第4期
3）甘勇 光电检测技术在模糊控制洗衣机中的应用 光学技术 2007.11 第3 3卷增刊
4）迟桂纯 周卫东 激光表面粗糙度检测装置 中国机械工程师 1993年第一卷第6期
5）钟丽云 光电检测技术的发展与应用 激光杂志 2000年第21卷第3期

大纲：
1.光电检测技术含义即与机械的联系。
2.现况如何：具体在机械的哪些方面有应用：例子，原理，同时需要注意的地方。
表面粗糙度的检测，位置检测，工件直径等等（国内外最新的应用）
3.发展前景：未来发展趋势
4.总结：光电检测还有那些没有用到 需要改进的地方 发展的地方

与自己专业相关的光电检测技术的进展。

9