基于光电控制的高精度可高度检测系统

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基于光电控制的高精度可高度检测系统

摘要：检测控制系统是自动控制领域的核心技术之一，其准确性及灵敏度决定了自动化过程的优劣。详细介绍了精度可调试光电检测系统的工作流程及其主要功能模块的设计原理。该系统可应用于纺织、机械、食品等生产设备中，对生产产品进行实时检测控制。     关键词：精度可调 光电检测 红外发射/接收
检测控制系统是自动控制领域的核心支持之一，其灵敏度及精度直接决定了自动化过程的优劣。通过对部分棉纺织企业的生产现场调研发现，有一部分纺纱设备仍使用人工检测，不能保证断条及时捻接及棉纱粗细稳定性，从而造成产品质量差及生产效率低等问题。选择匹配的检测电路可实现控制功能，并能在实际环境条件下实现精度可调试实时检测与控制。因此，它是产品质量及效率提高的保证。
郑州航院机电研究所基于光电技术开发了高精度可调式检测系统。由于红外线具有较强的穿透能力和抗干扰能力，不易散射且不易引起串干扰，因此该系统基于红外线传感技术并利用调制/解调技术完成了系统信号发射接收，有效地改造了国产FA431、FA541系列高速粗纱机，使生产效率提高25～35%，产品质量大幅度提高，受到了使用单位的欢迎。经专家认证，改造后的FA431粗纱机在性价比上优于日本丰田公司FL16粗纱机。该系统不仅可用于纺织机械，通过对系统精度、测量范围的调节，还可应用在传统锻床、机床等生产设备中，系统正确检测率达100%。

1 系统信号流程及工作原理
从信号发生器到执行机件，是系统处理红外信号的主通道。在主通道中，信号按图1所示顺序进行传送。
红外接收管是一种光感电流源。光感电流随光能量的增大而增大，光感电流对电容进行充电后，就可以得到随光通量变化而变化的电信号。无遮挡物时，光路畅通无阻，光感电流最大；有遮挡物通过检测区时，光路被遮挡一部分，光感电流降低，输出电位升高，遮光面积越大，输出电位就越高。利用该原理，通过对检测系统灵敏度的调节，对被测特体直径和面积量的测控，可实现质检或安全保护等作用。红外发光管和红外接收管分居光电检测区两侧，很少需要维护。在实际工作环境中，为了满足同时对多个工位自动检测的要求，系统使用接插件连接，安装位置及结构如图2所示（本图为通过接插件实现多位检测）。
系统发光管采用脉动电流驱动方式驱动，红外光的产生和拾取分别采用脉冲调制技术和同步解调技术来完成。脉冲调制光与直流光相比，一方面增强了抵御环境杂散光干扰和车间内机电信号干扰的能力，另一方面由于发光管工作于脉冲状态，其寿命也相对延长。当有遮挡物进入检测区时，红外接收管接收到的光的强度会发生突变。因而，凡是变化的光信号，一概被看作有遮挡信号。传统的安全保护器容易出现误动作，如当打开或关掉照明灯时，信号处理单元会将其判断为有遮接信号而发生误操作。本系统在设计上采用脉冲调制/同步解调技术，使红外发光管一段时间发射信号，一段时间关断信号，即发出脉冲形式的红外光。同样，红外接收管也只在红外发光管发射脉冲信号期间接通工作，大大降低了误动作发生的机率。发光和接收在时间上的保持同步，因而只有红外发光管发出的光才会被检测出来，边界杂散光则全被屏除在外，从而使该控制系统的抗干扰能力大大提高。这是本系统在设计上的独特点。

2 系统主要功能模块设计
该控制系统主要由以下功能模块组成：高稳定性低功耗直接电流系统、信号发生系统、红外脉冲发射系统、电子自锁开关系统、红外接收系统、信号处理系统、驱动电路、状态指示面板等。由于篇幅有限，这里仅对系统的重要功能模块的设计作一说明。
2．1 红外脉冲发射系统
为提高红外光的发射效率并对多工位检测开关进行控制，本系统采用脉冲编码方式，大大提高了红外发射管的发射效率。另外，增加红外光束光学聚焦系统，降低了对发射管功能的要求。红外脉冲发射系统原理框图如图3所示。来自信号发生系统的方波经过缓冲、放大、变频后，得到较小占空比的脉冲波，驱动红外发射管工作，使得红外发光管工作于脉冲状态。这样，可降低平均红外发射功率，提高瞬时发射功率及抗干扰能力，加大红色外作用距离，并且大大延长了其使用寿命。
为了满足该装置的工作要求，可将两个以上的红外发光管串联起来，以提高输出功率和作用距离，并降低所需电流。

    2．2 红外接收系统
红外接收系统原理框图如图4所示。当检测区域无被测物时，红外发射管发出的脉冲光无遮挡，被接收管完全接收，在前置电容上产生负极性的光敏电压，此电压与前置电容两端所置的电压大小相等方向相反，没有信号经过后置电容；当有遮挡物进入检测区中时，接收管接上到的红外光的强度发生变化，从而有信号经过后置电容进入后继信号处理单元。另外，接收红外光时增加了红外光束光学聚焦功能，使检测到的信号强度提高，检测距离由几米增加到几十米，系统检测精度大大增强。接收管输出的电信号很微弱，因而经过后置电容的电信号非常小，需经解调后再进行放大。为满足工作要求，可在接收管前端安装红外滤光片去除可见光，使红外接收管构成最大受光区。在放大器前端增加电滤波，消除低频干扰和高频干扰。通常信号比较电路，对输出新电平信号进行处理。
2.3 信号处理系统
系统采用低功耗、高增益、内部带有频率补偿的四运放集成芯片。当无遮接物进入检测区时，电路中只有直流信号，电容隔直：当有遮挡物进入检测区时，接收电路产生输出突变的电信号，通过电容向后继电路传送，经三极管进行初步放大，然后再送到放大电路进行二次放大。信号处理系统原理框图如图5所示。

   由于解调脉冲波与红外发射管的工作在时间上保持同步，且电子自锁开关仅在红外发射管工作时接通，所以仅有来自红外射管的光信号被接收，杂散光则被挡除。通过电子开关的方波信号由阻容网络进行滤波平滑，留下直流分量，于是遮挡物的挡光面积信号被还原出来，遮挡物的挡光面积大，贸下的直流分量也大；遮接物的挡光面积小，留下的直流分量也小。利用电阻网络调整脉冲信号的高低电平值，以得到合适的电压来驱致力后继电路。利用集成运放负反馈原理，给信号处理电路添加灵敏度子系统来调节检测严谨。调整精度后，系统可广泛应用于其它质检及安全保护机械设备中，如对传统无论安全保护装置的机床、锻床等的改造。

3 实际测试结果及数据分析
系统原理图绘制、仿真调试及PCB板设计均利用EDA（Protel）软件进行，各部分零件经选型、调试、焊接后，在常温、常湿、日光灯照环境下，利用红外传感探头对被测物进行检测。通过改变测量距离及被测物直径，得出几组实验数据，如表1所示。

表1 不同条件下自动停车检测结果

检测距离L（m）	检测物直径（mm）	检测次数（次）	被测物状况（直径d变化（mm））	停车次数（次）
0.005	0.05	50/50	d>0.05/d<0.05	49/50
0.5	0.05	50/50	d>0.05/d<0.05	50/50
1	0.05	50/50	d>0.05/d<0.05	50/49
15	0.05	50/50	d>0.05/d<0.05	47/49
3	0.1	50/50	d>0.1/d<0.1	50/50
10	0.25	50/50	d>0.25/d<0.25	50/48
15	0.5	50/50	d>0.5/d<0.5	50/49
15<L<30	0.5	100/100	d>2/d<2	92/90
15<L<30	2	100/100	d>2/d<2	98/99

从实验数据可以看出，由于红外发射管发射的红外光在空气中远距离传播时光束的发射性以及其它诸如空气流动、尘埃、密度差等因素的影响，随着测试距离加大，测试物体直径减小，不能达到预期的测试结果。通过加大发射功率及改善接收端解调检波功能，目前检测距离为30m、测试物直径为2mm时，检测准确度可达95%以上。如何提高检测物精度及检测距离是本项目今后的继续研究的重点，也是继续扩展检测领域的关键所在。
考虑到红外传感元件受环境温度、照度、湿度等因素的影响较大，通过对环境温度、湿度、照度、灯光频闪等进行调节来检测系统稳定性。在环境照度≤20000LX、环境温度在-15℃～60℃之间、环境湿度≤90%RH、频闪≤1500RPM时进行实验测试，检测率（正确停车百分比）不低于90%。测试数据扫描曲线如图6所示。

    对国产FA431无检测装置高速粗纱机（机射为15075mm）进行改造调试，在设备两侧加装红外检测探头进行现场工作检测，棉纱超出32支直径允许范围时的自动停机率达95以上，有效地保护了产品质量，提高了生产效率。
本检测系统与传统纺纱机械设备等通用性好，无需另配电源。安装架安装方便，利用对光显示电路调节发射接收对射精度，简单快捷。对传统机械联线改造简单，可控制机械部分电路通断。
在实际工作环境中，如FA431高速粗纱机包括96锭、108锭、120锭时，可多路同时检测。高精度可调试检测系统基于光电技术，可用于纺织、机械、食品生产中对产品质量的监控及安全保护等，有效地保证了产品质量和生产的正常进行。此系统有广阔的应用前景。