光电传感器在焊缝跟踪系统中的应用

光电传感器在焊缝跟踪系统中的应用成型081407班吴金明学号：200814030025介绍：焊缝自动跟踪是焊接自动化的前沿课题，也是焊接生产中，为提高焊接质量，改善劳动条件，提高生产率而需要解决的重大实际问题。

焊缝跟踪系统一般由传感器，控制系统和执行机构三部分组成，系统通过传感器的接侧焊炬相对于待焊接部位的位置偏差量，通过控制系统处理后输出控制信号，驱动执行机构带动焊炬回到待焊接位置。

从而保证焊接点始终处于焊缝坡口中心位置。

跟踪系统采用光电式传感器很好的解决了自动焊接过程中的跟踪精度问题。

光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。

光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。

光电传感器应用光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。

所以利用光电式传感器进行焊缝追踪比较方便精准。

结构和原理：光电传感器的构成光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)和激光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

光纤(又称光导纤维LWL)，它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。

它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。

它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。

分类和工作方式1．槽开光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。

槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

2．对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

3．反光板反射式光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。

正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

4．扩散反射式光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。

5．光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。

按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。

术语：距离滞后指的是测量板接近或者移去时开关偏移的距离。

距离滞后用开关距离的百分比来表示。

参考轴指的是发送器和接收器(对射型光电传感器)，或者发送器和目标/反射板(反射型，反射板型光电传感器)之间构成的相对的理想轴线。

在对射型光电传感器的情况下，参考轴就是透镜的光轴。

在反射型和反射板型光电传感器的情况下，参考轴就是发送器和接收器透镜的光轴之间的中线。

反射板盲区指的是光束在反射的过程中，有一段区域是不能识别反射板的区域，这段区域就是反射板的盲区。

暗通(D.on)，是指当接收装置无光束射入时光电传感器的开关接通；当反射型光电传感器接收反射光束，如果无物体出现，则开关接通，而当有物体出现在光束射线的中间时，开关就断开。

亮动(L.on) 是指当光学接收器受到光照的时候，传感器的输出接通。

对射型和反射板型光电传感器是在光线遮住的时候，输出接通;反射型光电传感器，是在目标足够接近的时候，输出接通。

盲区是指反射型光电传感器不能识别目标的范围。

NAMUR 是化工行业检测和控制技术的标准；要求仪表坚固可靠，适宜在易爆环境中工作。

应用：早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。

在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。

这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED 发射器。

经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是一个非常重要的参数。

未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的响应速度都非常快。

但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，能满足大多数的检测应用。

超声波传感器声波传感器所发射和接收的声波，其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。

它是通过计算声波从发射，经被测物反射回到接收器所需要的时间，来判断物体的位置。

对于对射式超声波传感器，如果物体挡住了从发射器到接收器的声波，则传感器就会检测到物体。

与光电传感器不同，超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响，因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。

光纤安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。

光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。

光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。

这层金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。

光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围内，），被全部反射回来。

根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。

两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。

另一条入射角超出接受角范围的入射光，损失在金属外皮内。

这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。

光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响（弯曲半径要大于最小弯曲半径）。

大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。

玻璃光纤玻璃光纤由一束非常细（直径约50μ m ）的玻璃纤维丝组成。

典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成，光缆外部有一层护套保护。

光缆的端部有各种尺寸和外形，并且浇注了坚固的透明树脂。

检测面经过光学打磨，非常平滑。

这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。

玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的，也可随意布置。

紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上。

几种常用传感器类型举例：1. 火焰探测报警器图8 - 23 是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。

硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 MΩ，亮电阻为0.2 MΩ(光照度0.01 W/m2下测试的)，峰值响应波长为2.2μm。

硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6 V，电流约为6μΑ。

V2管集电极电阻两端并联68 μF的电容，可以抑制100 Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。

V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。

采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定地工作。

2. 燃气热水器中脉冲点火控制器由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定、可靠。

为此电路中有这样一个功能，即打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。

图8 - 25 为燃气热水器中的高压打火确认电路原理图。

在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。

当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。

若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭。

燃气热水器的高压打火确认电路原理图3. CCD图像传感器应用CCD图像传感器在许多领域内获得广泛的应用。

前面介绍的电荷耦合器件(CCD)具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。

CCD图像传感器具有高分辨力和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。

CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。

下面是一个利用CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子。

图8 - 26 为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。

物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。

根据几何光学原理，可以推导被测物体尺寸计算公式，即D=np/M式中： n——覆盖的光敏像素数；p——像素间距；M——倍率。

微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。

任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。

CCD图像传感器工件尺寸检测系统总结在手工焊接的场合依靠人的眼睛和手的配合来跟踪焊缝，而在自动焊接的场合则需要解决焊接电弧始终对准待焊焊缝的问题。

自动焊接装置在焊接领域的应用有着非常广泛的前景，进而催生了对焊接自动跟踪系统的需求。

采用焊缝跟踪系统的自动焊接系统可以大大提高焊接生产效率和产品质量。

光电传感器由于其特点是焊缝自动跟踪系统中比较理想的传感模式之一，既可以满足精度要求又简单可行，所以随着技术的发展，光电式传感器在焊缝跟踪系统中所得到的应用会越来越广泛。