基于红外传感技术的高精度检测系统设计

1 引言　　

       检测控制电路是自动化控制系统的核心技术之一，其灵敏度、精确度、使用寿命、安全性、稳定性等因素直接决定了自动化控制过程的优劣。通过对棉纺织企业调研，发现部分纺纱设备仍使用现场人工质检，不能保证高质量棉条、棉纱产出。另外，一台纺纱机同时输入棉条、输出棉纱96，108，120路，由于人工测试不能保证棉条及时捻接以及棉纱直径稳定性，造成产品质量及生产效率低等问题。为了保证产品质量及效率的提高，郑州航院机电研究所设计研究并开发了高精度检测控制系统。该控制系统有效地改造了国产FA431，FA541系列高速粗纱机，使生产效率提高25%-35%，产品质量大幅提高。经专家认证，改造后的FA431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、灵敏度、测量范围等调节还可在传统锻床、机床等中配套使用，有效地保障了人身安全。由于红外线有较强的穿透能力和抗干扰能力，不易散射且不易引起串扰。该系统基于红外传感利用调制/解调技术完成系统信号发射接收设计。 2 系统信号流程及原理 从红外发射管到继电器控制设备停车、启动，是处理单元信号的主通道。在主通道中，电信号按图1顺序进行传送。

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。红外接收管是一种光感电流源。光感电流随光通量的增大而增大，光感电流对电容进行充电，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，光感电流为最大；有遮挡物通过检测区时，光路被挡一部分，输出电位升高，遮光面积越大，输出电位就越高 ［1］。利用该原理通过对检测系统灵敏度调节，对被测物体直径或面积量的测控，实现质检或安全保护等的作用。系统安装位置及结构如图2所示，可通过接插件实现多工位监测。

本设计红外光的产生和拾取分别采用脉冲调制和同步解调技术。脉冲调制光与直流光相比，一方面增强了抵御环境杂散光和车间内机电干扰的能力，另一方面由于发光管工作于脉冲状态，其寿命相对延长。当有遮挡物进入检测区时，红外接收管接收到的光强度会发生突变。因而，凡是变化的光一概算作遮挡信号。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遮挡物信号而误操作。本系统在设计上采用脉冲调制/同步解调，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。发光和接收在时间上保持同步，因而只有红外发光管发出的光才会被检测出来，外界杂散光，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，大大降低了误动作。 3 主要功能模块设计

该控制主要有以下电路模块组成：高稳定性低功耗直流电源系统、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、状态指示面板等。本文仅对系统的重要功能模块做设计原理说明。 3.1 红外脉冲发射来自信号发生器的方波，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。这样使得红外发光管工作于脉冲状态，大大延长了其使用寿命。原理框图如图3所示。

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，并可降低所需电流。 3.2 红外接收 　　在检测区中无遮挡物的情况下，红外发射管发出的脉冲光无遮挡地被接收管接收，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，接收管接收到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。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。通过信号比较电路，输出新电平信号进行处理［2］。原理框图如图4所示。

3.3 信号处理 　　系统采用低功耗、高增益、内部有频率补偿的四运放集成芯片［3］。当无遮挡物进入检测区时，电路中只有直流信号，无法通过隔直电容；当有遮挡物进入检测区时，接收电路输出突变电信号，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。原理框图如图5所示。

由于解调方波与红外发射管的工作在时间上保持同步，且电子开关仅在红外发射管工作时接通，所以仅有来自红外发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，即遮挡物的挡光面积大，留下的直流分量也大，遮挡物的挡光面积小，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动后继电路。利用集成运放负反馈原理，对信号处理电路添加灵敏度子系统电路用来调节检测精度。调整精度后，系统可广泛应用于其他质检及安全保护机械设备，如对传统无安全保护装置的机床、锻床等的改造。 4 测试结果及数据分析 　　检测系统原理图绘制、仿真调试及PCB板图均利用EDA（Protel）软件设计［4］，各部分零件经选型、调试、焊接。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。

从实验数据看出，由于红外发射管发射的红外光在空气中远距离传播光束发散性以及其他诸如空气流动、尘埃、密度差等影响，随着测试距离加大，测试物体直径减小，不能达到预期测试结果。通过加大发射功率及改善接收端解调检波功能，目前能达到检测距离30m、测试物直径2mm，检测准确率95%。但1mm以下准确检测率较低。因此，如何提高检测物精度是本项目今后继续研发的重点，也是继续扩展检测领域的关键。考虑到红外传感元件受环境温度、照度、湿度等性能影响较大，调节环境温度、湿度、照度、灯光频闪检测系统稳定性。在环境照度≤20000LX，环境温度-15~60℃，环境湿度≤90% RH，频闪≤1500 RPM范围内实验测试检测率（正确停车百分比）不低于90%。测试数据如图6所示。

对国产FA431物检测装置高速粗纱机（机身 15075mm）改造调试，输出棉纱32支（50mm以下）机身两侧装加红外检测探头，进行现场工作检测，棉纱超出32支直径允许范围自动停机率95%以上，有效地保证了产品质量，提高了生产效率。

       5 结论

       本检测系统应用380或220V，50-60Hz交流电工作，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管、接收管对射精度，简易快捷；对传统机械联线改造简单，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锭等多路同时检测。为了满足对多个工位同时进行检测或安全防护，系统可通过接插件连接实现。高精度检测系统基于红外传感技术，可用于纺织、机械、食品生产中对产品质量监控及安全保护等领域，有效地保证了产品质量的提高和生产的正常进行。此系统有广泛的应用前景。
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