光电式带材跑偏检测系统

周双喜, 童 朋, 肖雯雯, 尚 磊, 李春来

(1. 湖南理工学院 光电技术及应用物理创新训练中心，湖南 岳阳 414006；2. 湖南理工学院 物理与电子学院, 湖南 岳阳 414006)

光电式带材跑偏检测系统

周双喜1,2, 童 朋1,2, 肖雯雯1,2, 尚 磊1,2, 李春来1,2

(1. 湖南理工学院 光电技术及应用物理创新训练中心，湖南 岳阳 414006；2. 湖南理工学院 物理与电子学院, 湖南 岳阳 414006)

为了准确检测出带材的位置变量, 设计一种基于光电传感器的带材跑偏检测系统. 利用光电传感器测量被测带材的位置并以电压信号形式输出, 然后送入带通滤波器电路、解调电路, 最后由鉴别电路判断其输出情况. 在带材位置无偏差时, 系统不启动报警电路, 在带材位置有偏差时, 启动报警电路通知异常. 本系统具有很强的通用性和实用性, 可应用于印染、送纸、磁带、胶片等生产过程.

光电传感器; 位置变量; 跑偏检测系统; 报警电路

随着先进工业技术与理论的发展, 尤其是控制理论在工业技术领域的不断开发与应用, 工业生产流水作业中许多工序都由智能机器自动完成, 从而解放出大量的劳动力, 使生产效率大幅度提高. 这就同时要求工业生产过程中机器控制准确率提高, 自我检测、调整、识别能力增强[1～5]. 例如, 在生产流水线作业中, 我们称横截面为矩形的材料称为带材, 为了准确保证这些带材能按合适的位置运行并有序的安装, 要求能精确测量并调整其在生产线上的位置, 以便能使其顺利进入下一道工序[6]. 因此本文设计一种基于光电传感器的带材跑偏检测系统, 以期能提高工业生产中的机械控制能力.

本文设计一个基于光电传感器的带材跑偏检测系统. 首先利用光电传感器检测出被测带材的精确位置, 并将位置变量以电压信号形式输出. 然后送入带通滤波放大电路、解调电路, 并由鉴别电路识别其输出情况, 在正常工作情况下即带材位置无偏差时, 系统不启动报警电路, 而在带材位置有偏差时, 系统将启动报警电路并通知异常情况发生.

本系统光源部分采用载波振幅调制方案, 调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响. 在检测过程中很难避免外界非信号光输入光电探测器, 如白天室内的自然光及为消除室内自然光而增加外罩时, 其内侧对光源的漫散而造成的杂散光等. 这些附加信号的共同特点是以直流量形式出现, 光电探测器接收到这些光后, 将附加在信号上, 影响检测结果. 采用光电检测方法并且对光源进行调制, 并在接收级实施交流耦合, 使交变的信号量通过, 隔除掉非信号的直流分量, 从而消除了非信号光对检测结果的影响. 这样便提高了系统对外界环境的抗干扰性. 另外, 本系统采用光学系统处理光源, 提高了检测的精度. 本系统具用很强的通用性, 可以将其用于各种带型材料生产当中, 比如: 印染、造纸、胶片、磁带、塑料薄膜的卷材生产等.

1 系统总体设计方案

整个系统的设计方框图如图1所示.

由集成芯片MAX038及其外围元器件构成的电路产生中心频率为50KHz的正弦信号对白炽灯进行振幅调制, 经光学系统处理,利用光电三极管将由带材位置变化引起的光通量变化转变为电信号变化, 再经基于MAX275的带通滤波放大电路、基于LM324的解调电路和基于LM393的鉴别电路进行处理, 控制TTL型NE555的声光报警电路, 告知用户带材跑偏情况.

采用对光源调制, 可以很好的去除环境光的干扰; 再经光学系统的处理, 大大提高了对带材位置检测的精度. 由于光电传感器产生的电信号较为微弱, 采用集成芯片MAX275可实现对该信号的带通滤波放大, 报警电路采取声、光两方面报警, 更加人性化.

图1 系统整体设计框图

2 单元电路设计

2.1 光源模块

光源模块采用中心频率为50KHz的正弦信号作为载波, 对光源进行调幅调制. 调幅调制是使高频载波的振幅受调制信号的控制, 使它依照调制频率作周期性变化, 变化的幅度与调制信号的强度成线性关系, 但载波的频率和相位则保持不变, 不受调制信号的影响, 高频振荡振幅的变化携带着信号所反映的信息[7].

本模块采用由集成芯片MAX038及其外围元器件构成的电路产生中心频率为50KHz的正弦信号. MAX038频率范围0.1Hz～40MHz, 能精密地产生三角波、矩形波、锯齿波、正弦波等信号. 光源驱动电路原理图如图2所示.

图2 光源驱动电路原理

图3 光学系统模块工作原理

该电路为简单的正弦波发生电路, 可以产生失真度小的正弦波, 其振荡频率为根据本图所给数据, 振荡频率可计算为50KHz.

2.2 光学系统模块

本模块电路要完成的功能是: 对光源进行处理, 更利于和带材位置检测结合起来, 提高测量精度.光学系统模块工作原理图如图3所示.

光源1置放于凸透镜2焦点处, 光通过凸透镜后平行射出, 其中一部分光在分束镜3处反射到平凸透镜4, 一部分光反射到平面镜5并原路返回, 另一部分光反射后经角矩阵反射镜6返回, 并经过光学器件4、3、7到达光电三极管8, 光电三极管在光的照射后其发射极—集电极间电压发生相应变化.

当带材置于器件4与5、6之间时, 会遮挡住部分光, 使光电三极管接收到的光通量减少, 继而关系到光电三极管输出的电压大小. 整个工作过程可表示为如下关系: Δx→ΔS→ΔI→u, 其中S表示透光面积,I表示光通量.

点光源经凸透镜2后以圆柱形平行射出,经透镜4后其投影为一圆形光斑. 带材位置与光斑关系可由图4表示. 若以光斑中心轴x=0为基准, 如图4(a), 此时有一半的光照射到光电三极管, 表明带材位置合适. 如图4 (b), 当带材偏离中心轴向右时,x>0, 有一大半的光照射到光电三极管. 当带材偏离中心轴向左时,x<0, 只有一小部分光照射到光电三极管, 如图4(c). 面积S由以下公式计算:

其中r表示光斑的半径.

2.3 光电传感器检测模块

光电传感器检测模块的功能是将光信号转变成电信号. 这里采用NPN型硅光敏晶体管作为传感器.硅光敏三极管检测电路如图5所示. 经光敏三极管采集调制后的被测信号, 再经电容C2耦合到下一级带通滤波放大电路中.

2.4 带通滤波放大模块

采用基于MAX275的带通滤波放大电路对硅光敏三极管采集的有用信号和噪声信号进行带通滤波放大, 并且为下一级提供更高信噪比的输入信号, 如图6所示. 该电路包含了A, B两个硬件上级联的二阶带通滤波器, 分别构成了增益为20dB, 中心频率为50kHz.

图4 带材位置与光斑关系

图5 硅光敏晶体管检测电路

图6 带通滤波放大电路

2.5 解调模块

解调是从已调制信号中恢复原始信号的过程, 即通常所说的信息检测. 调幅信号的解调方法有两种:包络检波和同步检波. 包络检波是利用调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点, 如果能将包络提取出来, 就可以恢复原来的调制信号. 同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相位差)的信号. 本设计采用的是包络检波, 电路中采用两个普通运算放大器LM324构成的一个精密线性整流电路, 如图7所示.

2.6 鉴别模块

鉴别模块电路将基准电压、高于基准电压、低于基准电压三种情况转变为高低两种电平, 作为报警模块的控制信号, 如图8所示. 当带材位于图4(a)的位置时为最合适的位置, 应使输出为高电平, 保证报警装置不启用; 当带材位于图4(b)、(c)的位置时, 应使输出为低电平, 启用报警装置, 告知用户带材跑偏. 调节电阻R25、R24可以设置带材向左、向右跑偏的范围. 假设带材位置正常所允许带材偏移范围为2.8～3.2V,此范围以外均视为跑偏, 调节R25使其阻值为1.3KΩ, 则得下限电压2.8V; 调节R24使其阻值为1.8KΩ, 则得上限电压3.2V.

2.7 报警模块

报警模块提供声光两种报警信号, 告知用户带材跑偏情况, 如图9所示. 其中TTL型NE555构成单稳态触发电路,稳态时间T=1.1R28C3. Ⅰ、Ⅲ构成可产生音频信号的超低频多谐振荡电路, 高电平响应时间T=R35C5. 当带材处于适当位置时, A点为高电平, 对后面电路不起触发作用, 发光二极管不发光, 蜂鸣器不发声. 当带材位置不正常时, A点为低电平, 触发U5工作,UB=1,UC=1, 所以发光二极管发光, 三极管Q4导通, 蜂鸣器发声.

2.8 电源部分

本光电式带材跑偏检测系统需要两种电源, 分别为+5V、−5V, 先从外界获取12V交流电源, 再经桥式整流, 电容滤波, 然后经稳压芯片LM7805、LM7905及周围元器件组成的电路为本系统提供+5V、−5V的直流电源. 电源部分的电路如图10所示.

图7 解调电路

图8 鉴别模块电路

图9 报警电路

图10 电源电路图

3 系统测试

3.1 光源驱动电路测试

本模块电路使用的电源是+5V、−5V, 首先用万用表测集成芯片MAX038的17脚和20脚电压是否是+5V、−5V, 再用示波器测MAX038的19脚的波形是否是频率为50KHz的正弦信号, 及图2中标记测试点B的波形. 其中调整R1、C17的大小可以改变正弦信号的频率. 因仿真软件中无MAX038模型, 而该光源驱动电路已通过实际验证, 仿真采用中心频率为50KHz, 幅度为2V的正弦信号代替. Multisim仿真测试结果如图11所示.

图11 标记测试点A、B的仿真波形图

图12 检测电路输出端仿真波形图

3.2 光电三极管检测电路测试

用示波器测该模块输出端的波形是否与图3中标记测试点B的波形大体一致(只是把直流量耦合掉).仿真时采取光源发射部分与该检测电路直接级联, 输出端仿真波形如图12所示.

3.3 解调电路测试

本电路是一个精密线性整流电路, 输入输出之间存在着良好的线性关系. 用示波器分别测该模块输入、输出端的波形. 对比这两个波形, 确定模块是否实现线性整流功能. 采用频率为50KHz, 幅度为2V的正弦信号作为输入信号. 仿真波形如图13所示.

图13 解调电路输入、输出端仿真波形图

3.4 鉴别电路测试

带材位置设定以后即知该模块的基准电压值, 当输入端口电压高于或低于这一值均会使本模块的输出端口输出低电平. 调节电阻R25、R24可以设置带材向左、向右跑偏的范围. 当带材位于设定位置范围内,用万用表测模块输入端口电压值, 测输出端口是否是高电平; 当带材跑偏, 用万用表测模块的输入端口电压值, 测输出端口是否是低电平. 假设带材位置正常所允许带材偏移范围为2.8～3.2V, 此范围以外均视为跑偏, 调节R25使其阻值为1.3KΩ, 则得下限电压2.8V; 调节R24使其阻值为1.8KΩ, 则得上限电压3.2V.仿真测试结果如图14所示.

图14 鉴别模块输出端仿真波形图

3.5 声光报警电路测试

当输入端为高电平, 声光报警装置不启用;当输入端为低电平, 启用声光报警装置. 当输入端为低电平时, 标记测试点C的仿真波形如图15所示.

4 结论

为了准确检测出带材的位置变量, 设计一种基于光电传感器的带材跑偏检测系统. 利用光电传感器测量被测带材的位置并转变成电压信号输出, 然后送入带通滤波放大电路、解调电路, 并由鉴别电路判断输出情况. 当带材处于适当位置时不启动报警电路, 当带材偏离中心位置时, 系统将启动报警电路通知异常. 本系统采用光电检测方法并且对光源进行调制, 具有抗干扰能力强、精度高、反应快、非接触等优点. 本系统采用硬件实现功能要求, 电路简单, 易于控制, 且成本低.

图15 标记测试点C的仿真波形图

[1] 童耀南, 吴光敏, 孟 宇. USB海量存储类设备功能在ARM系统中的应用[J]. 现代电子技术, 2007, 30(3): 170～172

[2] 杨 双, 晓 辉, 李兴富. 光电式带材位置传感器设计的研究[J]. 桂林航天工业高等专科学校学报, 2006

[3] 杨宣兵, 陈 明, 彭 毅. 基于TMS320F28335的程序从FLASH到RAM的移植与运行[J]. 湖南理工学院学报, 2011, 24: 33～35.

[4] 童耀南, 李春来. 耦合发电机系统的周期反馈控制研究[J]. 湖南理工学院学报, 2010, 23: 45～48

[5] 刘笃仁, 韩保君. 传感器原理及应用技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2003

[6] 朱 伟, 韩服善. 光电传感器在自动化生产线上的应用[J]. 电子工程师, 2004. 30: 72～72.

[7] 张肃文. 高频电子线路[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004

Photoelectric Deviation Detection System

ZHOU Shuang-xi1,2, TONG Peng1,2, XIAO Wen-wen1,2, SHANG Lei1,2, LI Chun-lai1,2
(1. Innovation Training Center of Photoelectronic Technique and Applied Physics, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Physics and Electronics, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

A kind of material deviation detection system is designed to measure strip location. The strip location variable is measured by using photoelectric sensor, and is turned into a voltage signal output, and then passes through the band-pass filter amplifier, demodulation circuit, judgment circuit. In normal circumstances the system does not start working alarm circuits, and it will activate the alarm circuit if error exists for the strip location. The system is practical since it can be used in the productive process of dyeing, paper, film and tape.

photoelectric sensor; location variable; deviation detection system; alarm circuit

TN215

A

1672-5298(2014)03-0054-06

2014-07-08

湖南省教育厅科学研究项目(13C372)

周双喜(1992− ), 女, 湖南郴州人, 湖南理工学院物理与电子学院本科生. 主要研究方向: 光电检测

李春来(1976− ), 男, 湖南平江人, 博士, 湖南理工学院物理与电子学院副教授. 主要研究方向: 光电检测