光电检测实验12课时加选做3课时.doc

光电检测技术
实验指导书

二0一五年三月

目录
实验一 节能路灯照明系统模拟实验 3
实验二 环境光照度测量实验 6
实验三 光电门传感器转速测量与控制实验 10
实验四 环形输送线物体计数实验 13
（选做）实验五 环形输送线色标检测实验 16

实验一 节能路灯照明系统模拟实验
一、实验目的
了解节能路灯照明系统的系统结构和工作原理。
二、实验原理
由于人眼对光线的感觉成对数关系，即光照度增加10倍时，人能够感觉到亮度增加一倍，而光线照度减少10%，人眼很难察到。所以降低光照度10%时，不会影响照明质量。据相关行业统计，采用节能路灯控制系统的路灯系统的节电率为15～40%，能有效降低电力资源浪费。
本实验将采用声、光同时模拟路灯系统的控制过程。当环境噪声增大时，路灯系统会逐渐提高路灯亮度，反之可以降低路灯亮度,实现路灯亮度的实时自动调节，以节约能源。为使实验生动形象，我们将“光照度调节对象”中的“受控光源”模拟为上位机软件flash中的路灯，将“环境光源”模拟为上位机软件flash中的环境光，光照度传感器采集到的是“环境光源”和“受控光源”共同产生的光照度，“光照度调节实验对象”中喇叭产生的噪音模拟为上位机软件flash中的汽车噪音。实验原理如下图所示：

图1-1-1智能节能路灯系统原理示意图
三、实验内容
1、了解节能路灯控制系统的原理和方法。
四、实验设备
实验台、计算机、数据采集卡、光照度调节对象、光照度调节模块、2号导线、7芯航空插座线、10P排线、37P数据线、音频线。
五、实验步骤
1、用音频线连接“光照度调节模块”的“声音信号输入”接口和计算机的音频输出接口，用二号导线连接“拾音器信号输出”接口和采集卡的“AI1”接口。
2、确认连线无误后，开启实验台电源。打开上位机软件，在实验目录中选择“节能路灯照明系统模拟实验”。选择设备名后，进入节能路灯照明系统模拟实验界面，如图1-1-2所示。点击“开始采集”按钮，运行程序。

图1-1-2
3、软件界面说明：调节“噪声音量调节”旋钮可改变“光照度调节对象”中模拟环境噪声的喇叭的音量大小。（如果“噪声音量调节”旋钮调节到最大时，喇叭音量还比较小，则可以适当调整计算机音频输出音量大小。）“噪声指示”进度条指示“光照度调节对象”中拾音器采集到的噪声大小，“光照度测量值”显示的是当前环境中光照度的值。
4、无环境光源时，光照度的调节。将“光照度调节模块”上的“环境光源”调整为“00”，调整上位机软件上“噪声调节”旋钮，将噪声调大。观察“光照度调节模块”上“受控光源”指示值以及上位机软件上flash的变化。通过观察可发现，“光照度调节对象”中受控光源的亮度会随噪声的增大而增大，flash中灯光也会随噪声的变大而变亮。如图1-1-3所示。

图1-1-3
5、有环境光源时，光照度的调节。先将“环境光源”调整为0，再将“噪声旋钮”旋转到一定位置后不动，待光照度值稳定后，手动调节“环境光源”的亮度。观察“受控光源”亮度的变化，以及flash中灯光的变化。通过观察可发现，在噪声值一定的情况下，当环境光照度增大后受控光源的亮度随之会降低，即降低了电能的浪费。如图1-1-4所示。

图1-1-4
六、实验报告
1、简要叙述节能路灯系统的工作原理。
2、是否还有其他的节能方案？
实验二 环境光照度测量实验
一、实验目的
学习利用光照度传感器测量环境光照度。
二、实验原理
光照度是表示受光面被照明程度的物理量，为照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。计量的符号为E(Ev)；单位为勒[克斯]，符号为lx，1lx＝1lm/m2。其数学表达式为：

式中，dA——接收到dΦv光通量的微面积元；
dΦv——照射到面元上的光通量。
某些半导体元件在光照下，若入射光子的能量大于禁带宽度，半导体PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发跃迁至导带形成自由电子，而价带则相应地形成自由空穴。这些电子——空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，于是在P区和N区之间产生电压，称为光生电动势，这就是光伏特效应。利用光伏特效应制成的敏感元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。

图2-1-1
本模块中利用第二代周围环境光照度传感器TSL2561来测量环境光照度（如图2-1-1所示），TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光照度数字转换芯片。该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控，目的是在多变的光照条件下，使得显示屏提供最佳的显示亮度并尽可能降低电源功耗，还可以用于街道光照控制、安全照明等众多场合。常见光照度值见表2-1-1：

表2-1-1
无月夜天光在地面产生的照度
1×10-4lx
满月在天顶时的地面照度
0.2lx
观看仪器的示值
30lx~50lx
一般阅读及书写
50lx~75lx
精细工作（修表等）
100lx~200lx
明朗夏日采光良好的室内
100lx~500lx
摄影场内拍摄电影
1×104lx
照相制板时的原稿
3×104lx~4×104lx
太阳直照时的地面照度
1×105lx
三、实验内容
1、调节环境光源亮度，对光照度大小建立感性认识。
四、实验设备
实验台、计算机、数据采集卡、光照度调节对象、光照度调节模块、2号导线、7芯屏蔽航空插座线（黑色）、37P数据线。
五、实验步骤
1、用37P数据线连接数据采集卡和控制屏，用两根7芯屏蔽航空插座线（黑色）分别连接“光照度调节模块”的“对象接口1”、“对象接口2”到“光照度调节实验对象”的“Q1”、“Q2”。用2号导线将“光照度调节模块”的“光照度信号输出”接口和“GND”分别连接到控制屏上采集卡接口的“AI0”和“AI GND”上。将“光照度调节模块”上的“+12V”、“-12V”、“+5V”、“GND”电源接口连接到相对应的控制屏电源接口上。
2、确认连线无误后，开启实验台电源，打开上位机软件，在工程创新性实验项目中选择“环境光照度测量实验”。首先弹出“选择设备名”的界面，如图2-1-2所示，在下拉菜单中选择采集卡设备名，点击“确定”按钮，进入环境光照度测量实验界面，如图2-1-3所示。点击“开始采集”按钮，运行程序。

图2-1-2

图2-1-3
3、按动“光照度调节模块”上的“亮”、“灭”按钮，可调整“光照度调节实验对象”中发光二极管的亮灭个数，可通过光照度调节模块上“环境光源”指示器读出亮灯的个数，最大亮灯个数为24，实验现象如图2-1-4所示。

图2-1-4
4、调节实验对象中亮灯个数，查看光照度传感器采集到的照度值，以及上位机软件上flash中环境光亮度的变化。可通过实验对象上的两个观察孔查看实验对象中光照度的大小，建立感性认识。
六、实验报告
1、记录不同亮灯个数时的光照度值。
2、还有哪些传感器可用于光照度测量？
实验三 光电门传感器转速测量与控制实验
一、实验目的
1、学习转速的测量与控制方法；
2、学习利用光电门传感器测量转速；
二、实验原理
多功能转子实验台可完成光电门传感器转速测量与控制实验、磁电传感器转速测量与控制实验、转子底座振动测量实验、转子轴心轨迹测量实验。结构图如图3-1-1所示，实验台由以下结构组成：1－轴承压盖、2－磁电传感器、3－翻板、4－光电门传感器、5－电机连接柱、6－左侧板、7－测速齿轮、8－主轴、9－配重盘、10－配重螺母、11－测速飞轮、12－右侧板、 13－联轴器A、14－联轴器B、15－底座、16－电涡流传感器、17－加速度传感器。

图3-1-1
在多功能转子实验台测速飞轮上有12个等间距的通孔，调整光电门传感器的位置，使红外二极管发射的红外光能通过通孔到达接收端。红外光正对通孔时接收端导通，红外光被挡住时接收端截止，由此在接收端产生脉冲信号。
设接收端脉冲信号频率为f，转速为n（转/分），
则
n＝60×f/12
即
n＝5×f
多功能转子实验台上使用的是永磁直流电动机，实验中采用PWM技术控制直流电机转速。转子转速的控制采用数字PID(增量式)控制器实现，实验软件中给出了PID参数的参考值，学生实验时可改动PID参数进行对比实验。
三、实验内容
1、使用光电门传感器测量多功能转子转速；
2、调节PID参数观察转子的启动过程；
四、实验设备
实验台、计算机、数据采集卡、多功能转子实验台、多功能转子转速控制模块、2号导线、37P数据线。
五、实验步骤
1、用37P数据线连接数据采集卡和控制屏，用2号导线分别连接“多功能转子转速控制模块”的“电机接口”、“Ui信号输入”、“+5V”、“GND”到“多功能转子实验台”的“直流电机接线座”、光电门传感器的“OUT”、“+5V”、“GND”，用2号导线分别连接“多功能转子转速控制模块”的“Uc控制信号输入”、“Uo信号输出”、“GND”到控制屏上“数据采集卡接口”的“AO2”、“AI0”、“AI GND”，用2号导线将“多功能转子转速控制模块”上的“+24V”、“+12V”、“+5V”、“GND”电源接口连接到相对应的控制屏电源接口上。
2、确认连线无误后，开启实验台电源。打开上位机软件，在实验目录中选择“多功能转子测量与控制实验”。选择设备名后，进入多功能转子测量与控制实验界面，选择“光电门传感器转速测量与控制实验”，出现如图3-1-2所示界面。点击“开始采集”按钮，运行程序。

图3-1-2
3、调整“控制方式”为“PID控制”，调节“转速设定值”旋钮，将转速调整到设定值，转速设定范围为300~2800转/分。软件默认PID参数为，比例系数：0.7；积分系数：0.035；微分系数：0.001，观察转速变化情况。如图3-1-3所示。

图3-1-3
4、修改PID参数，观察参数改变对电机转速的影响。
六、实验报告
1、记录实验过程的波形曲线图并分析。
2、PID参数的改变对转子的启动过程有何影响？。

实验四 环形输送线物体计数实验
一、实验目的
1、了解光电反射式传感器工作原理。
2、学习物体计数原理和方法。
二、实验原理
本实验采用光电漫反射式传感器SB03-1K(如图4-1-1所示)对物体计数。光电反射式传感器由一个红外发光二极管和一个红外接收管并排在一侧组成，当红外发光二极管发出的红外光被物体遮挡而反射到接收管时，传感器的输出电平会发生改变。利用光电反射式传感器的这种特性，我们可在环形输送线上进行物体计数实验。启动环形输送线，当测试样品经过传感器时，传感器将输出一个脉冲信号，信号通过调理电路后送入采集卡，采集卡将此信号传给计算机中的上位机软件，上位机软件记录检测到的脉冲个数即物体个数。实验原理框图如图4-1-2所示：

图4-1-1

图4-1-2
三、实验内容
1、利用光电反射式传感器进行物体计数实验。
四、实验设备
实验台、计算机、环形输送线、环形输送线专用检测物体、光电反射式传感器、环形输送线传感器信号的整形与驱动模块、环形输送线速度控制模块、2号导线、37P数据线。
五、实验步骤
1、在环形输送线传感器支架1处安装光电反射式传感器，用37P数据线连接数据采集卡和控制屏。
2、传感器和环形输送线接线方法：分别将光电反射式传感器的红色、黑色、蓝色线头连接到“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“光电反射式传感器信号”的“+5V”、“GND”“Ui5”接口；用2号导线分别连接“环形输送线”侧面的“+5V”、“GND”、“Uo”接口和“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“光电透射式传感器信号”的“+5V”、“GND”、“Ui4”接口；用2号导线分别连接“环形输送线”侧面的“M1”、“M2”接口和“环形输送线速度控制模块”的“M1”、“M2”接口。
3、实验模块和采集卡接线方法：用2号导线分别连接“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“光电反射式传感器信号”部分的“Uo5”、“GND”接口和控制屏上数据采集卡部分“P1.0”、“DGND”接口；用2号导线分别连接“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“光电透射式传感器信号”部分的“Uo4”、“GND”接口和实验屏上数据采集卡部分“AI0”、“AI GND”接口；用2号导线分别连接“环形输送线速度控制模块”上“Ui1”、“GND”接口和控制屏上数据采集卡部分“AO2”、“AO GND”接口。
4、实验模块和电源接线方法，用2号导线分别连接“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”电源接口部分“+5V”、“GND”接口和控制屏上电源接口部分的“+5V”、“GND”接口；用2号导线分别连接“环形输送线速度控制模块”上“+12V”、“GND”接口和控制屏上电源接口部分“+12V”、“GND”接口。
5、将光电反射式传感器安装在“传感器支架1”上，该传感器的有效检测距离约为8cm，放置若干个检测物体在环形输送线的载物台上。打开上位机软件，在实验目录中选择“环形输送线综合应用实验”。选择设备名后，进入环形输送线综合应用实验界面，在flash窗口的“物料箱”中选择与环形输送线上相同数目的物件放置到虚拟环形输送线的载物台上，flash默认传感器为“霍尔传感器”。“检测项目”栏中选择“物体计数”如图4-1-3所示界面。

图4-1-3
6、确认连线无误后，开启实验台电源。
7、点击上位机软件中“开始采集”按钮，调节“速度值调节”进度条使环形输送线运行。观察上位机软件中“光电反射式传感器物体计数”栏物体检测指示灯和“检测项目”中计数器值的变化。如图4-1-4所示。

图4-1-4
8、由于环形输送线实际运行速度同上位机软件中虚拟环形输送线运行速度不同，因此在“检测项目”窗口的“计数器”的值和flash窗口的“计数器”值可能会不一致。
六、实验报告
1、简要叙述环形输送线物体计数的工作原理。
（选做）实验五 环形输送线色标检测实验
一、实验目的
1、了解色标传感器工作原理。
2、利用色标传感器进行颜色识别检测。
二、实验原理
本实验采用欧姆龙E3S-VS1E4色标传感器（如图2-5-1所示）进行色标检测实验。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。色标传感器实际是一种反向装置，光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。调节传感器灵敏度能改变检测出的色标范围，灵敏度较低时，能检测出白色物体。实验原理框图如图2-5-2所示。

图2-5-1

图2-5-2
三、实验内容
1、利用色标传感器检测白色物体。
四、实验设备
实验台、计算机、采集卡、环形输送线、环形输送线专用检测物体、色标传感器、环形输送线传感器信号的整形与驱动模块、环形输送线速度控制模块。
五、实验步骤
1、在环形输送线“传感器支架1”处安装色标传感器，调整传感器探头与载物台物体放置槽之间的距离小于10mm，用37P数据线连接数据采集卡和控制屏。
2、传感器和环形输送线接线方法，分别将色标传感器的红色、黑色、蓝色线连接到“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“色标传感器信号”的“+12V”、“GND”、“Ui3”接口。用2号导线分别连接“环形输送线”侧面的“+5V”、“GND”、“Uo”接口和“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“光电透射式传感器信号”的“+5V”、“GND”、“Ui4”接口。用2号导线分别连接“环形输送线”侧面的“M1”、“M2”接口和“环形输送线速度控制模块”的“M1”、“M2”接口。
3、实验模块和采集卡接线方法，用2号导线分别连接“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“色标传感器信号”部分的“Uo3-1”、“GND”接口和控制屏上数据采集卡部分“P1.0”、“DGND”接口。用2号导线分别连接“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”上的“光电透射式传感器信号”部分的“Uo4”、“GND”接口和实验屏上数据采集卡部分“AI0”、“AI GND”接口。用2号导线分别连接“环形输送线速度控制模块”上“Ui1”、“GND”接口和控制屏上数据采集卡部分“AO2”、“AO GND”接口。
4、实验模块和电源接线方法，用2号导线分别连接“环形输送线传感器信号的整形与驱动模块”电源接口部分“+5V”、“+12V”、“GND”接口和控制屏上电源接口部分的“+5V”、“+12V”、“GND”接口。用2号导线分别连接“环形输送线速度控制模块”上“+12V”、“GND”接口和控制屏上电源接口部分“+12V”、“GND”接口。
5、放置若干个白色、黑色、红色检测物体在环形输送线的载物台上。打开上位机软件，在实验目录中选择“环形输送线综合应用实验”。选择设备名后，进入环形输送线综合应用实验界面，如图2-15-3所示界面。在flash窗口的“物料箱”中选择与环形输送线上相同数目和类型的物件放置到虚拟环形输送线的载物台上。“检测项目”栏中选择“色标检测”。

图2-15-3
6、确认连线无误后，开启实验台电源。
7、点击上位机软件中“开始采集”按钮，调节“速度值调节”进度条使环形输送线运行。可根据环形输送线运行情况调整传感器位置，以便能灵敏的检测到白色物体。观察上位机软件中“色标传感器物体颜色识别”栏物体检测指示灯和“检测项目”中计数器值的变化。如图2-15-4所示。

图2-15-4
六、实验报告
1、简要叙述色标检测的工作原理。