基于光電控制的高精度可高度檢測系統

摘要：檢測控制系統是自動(dòng)控制領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，其準確性及靈敏度決定了自動(dòng)化過(guò)程的優(yōu)劣。詳細介紹了精度可調試光電檢測系統的工作流程及其主要功能模塊的設計原理。該系統可應用于紡織、機械、食品等生產(chǎn)設備中，對生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測控制。關(guān)鍵詞：精度可調 光電檢測 紅外發(fā)射/接收 檢測控制系統是自動(dòng)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(dòng)化過(guò)程的優(yōu)劣。通過(guò)對部分棉紡織企業(yè)的生產(chǎn)現場(chǎng)調研發(fā)現，有一部分紡紗設備仍使用人工檢測，不能保證斷條及時(shí)捻接及棉紗粗細穩定性，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量差及生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。選擇匹配的檢測電路可實(shí)現控制功能，并能在實(shí)際環(huán)境條件下實(shí)現精度可調試實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)了高精度可調式檢測系統。由于紅外線(xiàn)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，因此該系統基于紅外線(xiàn)傳感技術(shù)并利用調制/解調技術(shù)完成了系統信號發(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(zhuān)家認證，改造后的FA431粗紗機在性?xún)r(jià)比上優(yōu)于日本豐田公司FL16粗紗機。該系統不僅可用于紡織機械，通過(guò)對系統精度、測量范圍的調節，還可應用在傳統鍛床、機床等生產(chǎn)設備中，系統正確檢測率達100%。1 系統信號流程及工作原理 從信號發(fā)生器到執行機件，是系統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(jìn)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(jìn)行充電后，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號。無(wú)遮擋物時(shí)，光路暢通無(wú)阻，光感電流最大；有遮擋物通過(guò)檢測區時(shí)，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(guò)對檢測系統靈敏度的調節，對被測特體直徑和面積量的測控，可實(shí)現質(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兩側，很少需要維護。在實(shí)際工作環(huán)境中，為了滿(mǎn)足同時(shí)對多個(gè)工位自動(dòng)檢測的要求，系統使用接插件連接，安裝位置及結構如圖2所示（本圖為通過(guò)接插件實(shí)現多位檢測）。 系統發(fā)光管采用脈動(dòng)電流驅動(dòng)方式驅動(dòng)，紅外光的產(chǎn)生和拾取分別采用脈沖調制技術(shù)和同步解調技術(shù)來(lái)完成。脈沖調制光與直流光相比，一方面增強了抵御環(huán)境雜散光干擾和車(chē)間內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(cháng)。當有遮擋物進(jìn)入檢測區時(shí)，紅外接收管接收到的光的強度會(huì )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。傳統的安全保護器容易出現誤動(dòng)作，如當打開(kāi)或關(guān)掉照明燈時(shí)，信號處理單元會(huì )將其判斷為有遮接信號而發(fā)生誤操作。本系統在設計上采用脈沖調制/同步解調技術(shù)，使紅外發(fā)光管一段時(shí)間發(fā)射信號，一段時(shí)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(dòng)作發(fā)生的機率。發(fā)光和接收在時(shí)間上的保持同步，因而只有紅外發(fā)光管發(fā)出的光才會(huì )被檢測出來(lái)，邊界雜散光則全被屏除在外，從而使該控制系統的抗干擾能力大大提高。這是本系統在設計上的獨特點(diǎn)。2 系統主要功能模塊設計 該控制系統主要由以下功能模塊組成：高穩定性低功耗直接電流系統、信號發(fā)生系統、紅外脈沖發(fā)射系統、電子自鎖開(kāi)關(guān)系統、紅外接收系統、信號處理系統、驅動(dòng)電路、狀態(tài)指示面板等。由于篇幅有限，這里僅對系統的重要功能模塊的設計作一說(shuō)明。 2．1 紅外脈沖發(fā)射系統 為提高紅外光的發(fā)射效率并對多工位檢測開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，本系統采用脈沖編碼方式，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，降低了對發(fā)射管功能的要求。紅外脈沖發(fā)射系統原理框圖如圖3所示。來(lái)自信號發(fā)生系統的方波經(jīng)過(guò)緩沖、放大、變頻后，得到較小占空比的脈沖波，驅動(dòng)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(shí)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(cháng)了其使用壽命。 為了滿(mǎn)足該裝置的工作要求，可將兩個(gè)以上的紅外發(fā)光管串聯(lián)起來(lái)，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 紅外接收系統原理框圖如圖4所示。當檢測區域無(wú)被測物時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的脈沖光無(wú)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(méi)有信號經(jīng)過(guò)后置電容；當有遮擋物進(jìn)入檢測區中時(shí)，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(guò)后置電容進(jìn)入后繼信號處理單元。另外，接收紅外光時(shí)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(guò)后置電容的電信號非常小，需經(jīng)解調后再進(jìn)行放大。為滿(mǎn)足工作要求，可在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見(jiàn)光，使紅外接收管構成最大受光區。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(jìn)行處理。 2.3 信號處理系統 系統采用低功耗、高增益、內部帶有頻率補償的四運放集成芯片。當無(wú)遮接物進(jìn)入檢測區時(shí)，電路中只有直流信號，電容隔直：當有遮擋物進(jìn)入檢測區時(shí)，接收電路產(chǎn)生輸出突變的電信號，通過(guò)電容向后繼電路傳送，經(jīng)三極管進(jìn)行初步放大，然后再送到放大電路進(jìn)行二次放大。信號處理系統原理框圖如圖5所示。由于解調脈沖波與紅外發(fā)射管的工作在時(shí)間上保持同步，且電子自鎖開(kāi)關(guān)僅在紅外發(fā)射管工作時(shí)接通，所以?xún)H有來(lái)自紅外射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的方波信號由阻容網(wǎng)絡(luò )進(jìn)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(lái)，遮擋物的擋光面積大，貿下的直流分量也大；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 )調整脈沖信號的高低電平值，以得到合適的電壓來(lái)驅致力后繼電路。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來(lái)調節檢測嚴謹。調整精度后，系統可廣泛應用于其它質(zhì)檢及安全保護機械設備中，如對傳統無(wú)論安全保護裝置的機床、鍛床等的改造。3 實(shí)際測試結果及數據分析 系統原理圖繪制、仿真調試及PCB板設計均利用EDA（Protel）軟件進(jìn)行，各部分零件經(jīng)選型、調試、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(jìn)行檢測。通過(guò)改變測量距離及被測物直徑，得出幾組實(shí)驗數據，如表1所示。表1 不同條件下自動(dòng)停車(chē)檢測結果 檢測距離L（m）檢測物直徑（mm）檢測次數（次）被測物狀況（直徑d變化（mm））停車(chē)次數（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(shí)驗數據可以看出，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(shí)光束的發(fā)射性以及其它諸如空氣流動(dòng)、塵埃、密度差等因素的影響，隨著(zhù)測試距離加大，測試物體直徑減小，不能達到預期的測試結果。通過(guò)加大發(fā)射功率及改善接收端解調檢波功能，目前檢測距離為30m、測試物直徑為2mm時(shí)，檢測準確度可達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研究的重點(diǎn)，也是繼續擴展檢測領(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(guò)對環(huán)境溫度、濕度、照度、燈光頻閃等進(jìn)行調節來(lái)檢測系統穩定性。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(shí)進(jìn)行實(shí)驗測試，檢測率（正確停車(chē)百分比）不低于90%。測試數據掃描曲線(xiàn)如圖6所示。對國產(chǎn)FA431無(wú)檢測裝置高速粗紗機（機射為15075mm）進(jìn)行改造調試，在設備兩側加裝紅外檢測探頭進(jìn)行現場(chǎng)工作檢測，棉紗超出32支直徑允許范圍時(shí)的自動(dòng)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。 本檢測系統與傳統紡紗機械設備等通用性好，無(wú)需另配電源。安裝架安裝方便，利用對光顯示電路調節發(fā)射接收對射精度，簡(jiǎn)單快捷。對傳統機械聯(lián)線(xiàn)改造簡(jiǎn)單，可控制機械部分電路通斷。 在實(shí)際工作環(huán)境中，如FA431高速粗紗機包括96錠、108錠、120錠時(shí)，可多路同時(shí)檢測。高精度可調試檢測系統基于光電技術(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(jìn)行。此系統有廣闊的應用前景。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）
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