基于光電控制的高精度可高度檢測系統(tǒng)

摘要：檢測控制系統(tǒng)是自動控制領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，其準(zhǔn)確性及靈敏度決定了自動化過程的優(yōu)劣。詳細介紹了精度可調(diào)試光電檢測系統(tǒng)的工作流程及其主要功能模塊的設(shè)計原理。該系統(tǒng)可應(yīng)用于紡織、機械、食品等生產(chǎn)設(shè)備中，對生產(chǎn)產(chǎn)品進行實時檢測控制。關(guān)鍵詞：精度可調(diào) 光電檢測 紅外發(fā)射/接收 檢測控制系統(tǒng)是自動控制領(lǐng)域的核心支持之一，其靈敏度及精度直接決定了自動化過程的優(yōu)劣。通過對部分棉紡織企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有一部分紡紗設(shè)備仍使用人工檢測，不能保證斷條及時捻接及棉紗粗細穩(wěn)定性，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量差及生產(chǎn)效率低等問題。選擇匹配的檢測電路可實現(xiàn)控制功能，并能在實際環(huán)境條件下實現(xiàn)精度可調(diào)試實時檢測與控制。因此，它是產(chǎn)品質(zhì)量及效率提高的保證。 鄭州航院機電研究所基于光電技術(shù)開發(fā)了高精度可調(diào)式檢測系統(tǒng)。由于紅外線具有較強的穿透能力和抗干擾能力，不易散射且不易引起串干擾，因此該系統(tǒng)基于紅外線傳感技術(shù)并利用調(diào)制/解調(diào)技術(shù)完成了系統(tǒng)信號發(fā)射接收，有效地改造了國產(chǎn)FA431、FA541系列高速粗紗機，使生產(chǎn)效率提高25～35%，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，受到了使用單位的歡迎。經(jīng)專家認證，改造后的FA431粗紗機在性價比上優(yōu)于日本豐田公司FL16粗紗機。該系統(tǒng)不僅可用于紡織機械，通過對系統(tǒng)精度、測量范圍的調(diào)節(jié)，還可應(yīng)用在傳統(tǒng)鍛床、機床等生產(chǎn)設(shè)備中，系統(tǒng)正確檢測率達100%。1 系統(tǒng)信號流程及工作原理 從信號發(fā)生器到執(zhí)行機件，是系統(tǒng)處理紅外信號的主通道。在主通道中，信號按圖1所示順序進行傳送。 紅外接收管是一種光感電流源。光感電流隨光能量的增大而增大，光感電流對電容進行充電后，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號。無遮擋物時，光路暢通無阻，光感電流最大；有遮擋物通過檢測區(qū)時，光路被遮擋一部分，光感電流降低，輸出電位升高，遮光面積越大，輸出電位就越高。利用該原理，通過對檢測系統(tǒng)靈敏度的調(diào)節(jié)，對被測特體直徑和面積量的測控，可實現(xiàn)質(zhì)檢或安全保護等作用。紅外發(fā)光管和紅外接收管分居光電檢測區(qū)兩側(cè)，很少需要維護。在實際工作環(huán)境中，為了滿足同時對多個工位自動檢測的要求，系統(tǒng)使用接插件連接，安裝位置及結(jié)構(gòu)如圖2所示（本圖為通過接插件實現(xiàn)多位檢測）。 系統(tǒng)發(fā)光管采用脈動電流驅(qū)動方式驅(qū)動，紅外光的產(chǎn)生和拾取分別采用脈沖調(diào)制技術(shù)和同步解調(diào)技術(shù)來完成。脈沖調(diào)制光與直流光相比，一方面增強了抵御環(huán)境雜散光干擾和車間內(nèi)機電信號干擾的能力，另一方面由于發(fā)光管工作于脈沖狀態(tài)，其壽命也相對延長。當(dāng)有遮擋物進入檢測區(qū)時，紅外接收管接收到的光的強度會發(fā)生突變。因而，凡是變化的光信號，一概被看作有遮擋信號。傳統(tǒng)的安全保護器容易出現(xiàn)誤動作，如當(dāng)打開或關(guān)掉照明燈時，信號處理單元會將其判斷為有遮接信號而發(fā)生誤操作。本系統(tǒng)在設(shè)計上采用脈沖調(diào)制/同步解調(diào)技術(shù)，使紅外發(fā)光管一段時間發(fā)射信號，一段時間關(guān)斷信號，即發(fā)出脈沖形式的紅外光。同樣，紅外接收管也只在紅外發(fā)光管發(fā)射脈沖信號期間接通工作，大大降低了誤動作發(fā)生的機率。發(fā)光和接收在時間上的保持同步，因而只有紅外發(fā)光管發(fā)出的光才會被檢測出來，邊界雜散光則全被屏除在外，從而使該控制系統(tǒng)的抗干擾能力大大提高。這是本系統(tǒng)在設(shè)計上的獨特點。2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計 該控制系統(tǒng)主要由以下功能模塊組成：高穩(wěn)定性低功耗直接電流系統(tǒng)、信號發(fā)生系統(tǒng)、紅外脈沖發(fā)射系統(tǒng)、電子自鎖開關(guān)系統(tǒng)、紅外接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、驅(qū)動電路、狀態(tài)指示面板等。由于篇幅有限，這里僅對系統(tǒng)的重要功能模塊的設(shè)計作一說明。 2．1 紅外脈沖發(fā)射系統(tǒng) 為提高紅外光的發(fā)射效率并對多工位檢測開關(guān)進行控制，本系統(tǒng)采用脈沖編碼方式，大大提高了紅外發(fā)射管的發(fā)射效率。另外，增加紅外光束光學(xué)聚焦系統(tǒng)，降低了對發(fā)射管功能的要求。紅外脈沖發(fā)射系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。來自信號發(fā)生系統(tǒng)的方波經(jīng)過緩沖、放大、變頻后，得到較小占空比的脈沖波，驅(qū)動紅外發(fā)射管工作，使得紅外發(fā)光管工作于脈沖狀態(tài)。這樣，可降低平均紅外發(fā)射功率，提高瞬時發(fā)射功率及抗干擾能力，加大紅色外作用距離，并且大大延長了其使用壽命。 為了滿足該裝置的工作要求，可將兩個以上的紅外發(fā)光管串聯(lián)起來，以提高輸出功率和作用距離，并降低所需電流。2．2 紅外接收系統(tǒng) 紅外接收系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。當(dāng)檢測區(qū)域無被測物時，紅外發(fā)射管發(fā)出的脈沖光無遮擋，被接收管完全接收，在前置電容上產(chǎn)生負極性的光敏電壓，此電壓與前置電容兩端所置的電壓大小相等方向相反，沒有信號經(jīng)過后置電容；當(dāng)有遮擋物進入檢測區(qū)中時，接收管接上到的紅外光的強度發(fā)生變化，從而有信號經(jīng)過后置電容進入后繼信號處理單元。另外，接收紅外光時增加了紅外光束光學(xué)聚焦功能，使檢測到的信號強度提高，檢測距離由幾米增加到幾十米，系統(tǒng)檢測精度大大增強。接收管輸出的電信號很微弱，因而經(jīng)過后置電容的電信號非常小，需經(jīng)解調(diào)后再進行放大。為滿足工作要求，可在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見光，使紅外接收管構(gòu)成最大受光區(qū)。在放大器前端增加電濾波，消除低頻干擾和高頻干擾。通常信號比較電路，對輸出新電平信號進行處理。 2.3 信號處理系統(tǒng) 系統(tǒng)采用低功耗、高增益、內(nèi)部帶有頻率補償?shù)乃倪\放集成芯片。當(dāng)無遮接物進入檢測區(qū)時，電路中只有直流信號，電容隔直：當(dāng)有遮擋物進入檢測區(qū)時，接收電路產(chǎn)生輸出突變的電信號，通過電容向后繼電路傳送，經(jīng)三極管進行初步放大，然后再送到放大電路進行二次放大。信號處理系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。由于解調(diào)脈沖波與紅外發(fā)射管的工作在時間上保持同步，且電子自鎖開關(guān)僅在紅外發(fā)射管工作時接通，所以僅有來自紅外射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關(guān)的方波信號由阻容網(wǎng)絡(luò)進行濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號被還原出來，遮擋物的擋光面積大，貿(mào)下的直流分量也大；遮接物的擋光面積小，留下的直流分量也小。利用電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整脈沖信號的高低電平值，以得到合適的電壓來驅(qū)致力后繼電路。利用集成運放負反饋原理，給信號處理電路添加靈敏度子系統(tǒng)來調(diào)節(jié)檢測嚴謹。調(diào)整精度后，系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于其它質(zhì)檢及安全保護機械設(shè)備中，如對傳統(tǒng)無論安全保護裝置的機床、鍛床等的改造。3 實際測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 系統(tǒng)原理圖繪制、仿真調(diào)試及PCB板設(shè)計均利用EDA（Protel）軟件進行，各部分零件經(jīng)選型、調(diào)試、焊接后，在常溫、常濕、日光燈照環(huán)境下，利用紅外傳感探頭對被測物進行檢測。通過改變測量距離及被測物直徑，得出幾組實驗數(shù)據(jù)，如表1所示。表1 不同條件下自動停車檢測結(jié)果 檢測距離L（m）檢測物直徑（mm）檢測次數(shù)（次）被測物狀況（直徑d變化（mm））停車次數(shù)（次）0.0050.0550/50d>0.05/d<0.0549/500.50.0550/50d>0.05/d<0.0550/5010.0550/50d>0.05/d<0.0550/49150.0550/50d>0.05/d<0.0547/4930.150/50d>0.1/d<0.150/50100.2550/50d>0.25/d<0.2550/48150.550/50d>0.5/d<0.550/49152/d<292/90152/d<298/99從實驗數(shù)據(jù)可以看出，由于紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光在空氣中遠距離傳播時光束的發(fā)射性以及其它諸如空氣流動、塵埃、密度差等因素的影響，隨著測試距離加大，測試物體直徑減小，不能達到預(yù)期的測試結(jié)果。通過加大發(fā)射功率及改善接收端解調(diào)檢波功能，目前檢測距離為30m、測試物直徑為2mm時，檢測準(zhǔn)確度可達95%以上。如何提高檢測物精度及檢測距離是本項目今后的繼續(xù)研究的重點，也是繼續(xù)擴展檢測領(lǐng)域的關(guān)鍵所在。 考慮到紅外傳感元件受環(huán)境溫度、照度、濕度等因素的影響較大，通過對環(huán)境溫度、濕度、照度、燈光頻閃等進行調(diào)節(jié)來檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性。在環(huán)境照度≤20000LX、環(huán)境溫度在-15℃～60℃之間、環(huán)境濕度≤90%RH、頻閃≤1500RPM時進行實驗測試，檢測率（正確停車百分比）不低于90%。測試數(shù)據(jù)掃描曲線如圖6所示。對國產(chǎn)FA431無檢測裝置高速粗紗機（機射為15075mm）進行改造調(diào)試，在設(shè)備兩側(cè)加裝紅外檢測探頭進行現(xiàn)場工作檢測，棉紗超出32支直徑允許范圍時的自動停機率達95以上，有效地保護了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。 本檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)紡紗機械設(shè)備等通用性好，無需另配電源。安裝架安裝方便，利用對光顯示電路調(diào)節(jié)發(fā)射接收對射精度，簡單快捷。對傳統(tǒng)機械聯(lián)線改造簡單，可控制機械部分電路通斷。 在實際工作環(huán)境中，如FA431高速粗紗機包括96錠、108錠、120錠時，可多路同時檢測。高精度可調(diào)試檢測系統(tǒng)基于光電技術(shù)，可用于紡織、機械、食品生產(chǎn)中對產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控及安全保護等，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的正常進行。此系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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