基于紅外傳感技術設計的檢測控制電路設計

1 引言

檢測控制電路是自動化控制系統(tǒng)的核心技術之一，其靈敏度、精確度、使用壽命、安全性、穩(wěn)定性等因素直接決定了自動化控制過程的優(yōu)劣。通過對棉紡織企業(yè)調研，發(fā)現(xiàn)部分紡紗設備仍使用現(xiàn)場人工質檢，不能保證高質量棉條、棉紗產出。另外，一臺紡紗機同時輸入棉條、輸出棉紗96，108，120路，由于人工測試不能保證棉條及時捻接以及棉紗直徑穩(wěn)定性，造成產品質量及生產效率低等問題。為了保證產品質量及效率的提高，鄭州航院機電研究所設計研究并開發(fā)了高精度檢測控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)有效地改造了國產FA431，F(xiàn)A541系列高速粗紗機，使生產效率提高25%-35%，產品質量大幅提高。經專家認證，改造后的FA431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、靈敏度、測量范圍等調節(jié)還可在傳統(tǒng)鍛床、機床等中配套使用，有效地保障了人身安全。

由于紅外線有較強的穿透能力和抗干擾能力，不易散射且不易引起串擾。該系統(tǒng)基于紅外傳感利用調制/解調技術完成系統(tǒng)信號發(fā)射接收設計。

2 系統(tǒng)信號流程及原理

從紅外發(fā)射管到繼電器控制設備停車、啟動，是處理單元信號的主通道。在主通道中，電信號按圖1順序進行傳送。

紅外發(fā)光管和紅外接收管分居光電檢測區(qū)兩側，很少需要維護。紅外接收管是一種光感電流源。光感電流隨光通量的增大而增大，光感電流對電容進行充電，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，光感電流為最大；有遮擋物通過檢測區(qū)時，光路被擋一部分，輸出電位升高，遮光面積越大，輸出電位就越高 ［1］。利用該原理通過對檢測系統(tǒng)靈敏度調節(jié)，對被測物體直徑或面積量的測控，實現(xiàn)質檢或安全保護等的作用。系統(tǒng)安裝位置及結構如圖2所示，可通過接插件實現(xiàn)多工位監(jiān)測。

本設計紅外光的產生和拾取分別采用脈沖調制和同步解調技術。脈沖調制光與直流光相比，一方面增強了抵御環(huán)境雜散光和車間內機電干擾的能力，另一方面由于發(fā)光管工作于脈沖狀態(tài)，其壽命相對延長。當有遮擋物進入檢測區(qū)時，紅外接收管接收到的光強度會發(fā)生突變。因而，凡是變化的光一概算作遮擋信號。傳統(tǒng)的安全保護器容易出現(xiàn)誤動作，如當打開或關掉照明燈時，信號處理單元會將其判斷為遮擋物信號而誤操作。本系統(tǒng)在設計上采用脈沖調制/同步解調，使紅外發(fā)光管一段時間發(fā)射信號，一段時間關斷信號，即發(fā)出脈沖形式紅外光。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。發(fā)光和接收在時間上保持同步，因而只有紅外發(fā)光管發(fā)出的光才會被檢測出來，外界雜散光，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，大大降低了誤動作。

3 主要功能模塊設計

該控制主要有以下電路模塊組成：高穩(wěn)定性低功耗直流電源系統(tǒng)、信號發(fā)生系統(tǒng)、紅外脈沖發(fā)射系統(tǒng)、電子自鎖開關系統(tǒng)、紅外接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、狀態(tài)指示面板等。本文僅對系統(tǒng)的重要功能模塊做設計原理說明。

3.1 紅外脈沖發(fā)射

來自信號發(fā)生器的方波，經過緩沖、放大、變頻后，得到較小占空比的脈沖波，驅動紅外發(fā)射管工作。這樣使得紅外發(fā)光管工作于脈沖狀態(tài)，大大延長了其使用壽命。原理框圖如圖3所示。

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，并可降低所需電流。

3.2 紅外接收

在檢測區(qū)中無遮擋物的情況下，紅外發(fā)射管發(fā)出的脈沖光無遮擋地被接收管接收，在前置電容上產生負極性的光敏電壓，此電壓與前置電容兩端的電壓大小相等方向相反，沒有信號經過后置電容；當有遮擋物進入檢測區(qū)中時，接收管接收到紅外光的強度發(fā)生變化，從而有信號經過后置電容進入后繼信號處理單元。接收管輸出的電信號很微弱，因而經過后置電容的電信號非常小，需經解調后再進行放大。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。通過信號比較電路，輸出新電平信號進行處理［2］。原理框圖如圖4所示。

3.3 信號處理

系統(tǒng)采用低功耗、高增益、內部有頻率補償?shù)乃倪\放集成芯片［3］。當無遮擋物進入檢測區(qū)時，電路中只有直流信號，無法通過隔直電容；當有遮擋物進入檢測區(qū)時，接收電路輸出突變電信號，通過電容向后繼電路傳送，經三極管進行初步放大，然后再送到放大電路進行二次放大。原理框圖如圖5所示。

由于解調方波與紅外發(fā)射管的工作在時間上保持同步，且電子開關僅在紅外發(fā)射管工作時接通，所以僅有來自紅外發(fā)射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關的方波信號由阻容網絡濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號被還原出來，即遮擋物的擋光面積大，留下的直流分量也大，遮擋物的擋光面積小，留下的直流分量也小。利用電阻網絡調整脈沖信號的高低電平值，以得到合適的電壓來驅動后繼電路。利用集成運放負反饋原理，對信號處理電路添加靈敏度子系統(tǒng)電路用來調節(jié)檢測精度。調整精度后，系統(tǒng)可廣泛應用于其他質檢及安全保護機械設備，如對傳統(tǒng)無安全保護裝置的機床、鍛床等的改造。

4 測試結果及數(shù)據分析

檢測系統(tǒng)原理圖繪制、仿真調試及PCB板圖均利用EDA（Protel）軟件設計［4］，各部分零件經選型、調試、焊接。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，如表1所示。

從實驗數(shù)據看出，由于紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光在空氣中遠距離傳播光束發(fā)散性以及其他諸如空氣流動、塵埃、密度差等影響，隨著測試距離加大，測試物體直徑減小，不能達到預期測試結果。通過加大發(fā)射功率及改善接收端解調檢波功能，目前能達到檢測距離30m、測試物直徑2mm，檢測準確率95%。但1mm以下準確檢測率較低。因此，如何提高檢測物精度是本項目今后繼續(xù)研發(fā)的重點，也是繼續(xù)擴展檢測領域的關鍵。

考慮到紅外傳感元件受環(huán)境溫度、照度、濕度等性能影響較大，調節(jié)環(huán)境溫度、濕度、照度、燈光頻閃檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性。在環(huán)境照度≤20000LX，環(huán)境溫度-15~60℃，環(huán)境濕度≤90% RH，頻閃≤1500 RPM范圍內實驗測試檢測率（正確停車百分比）不低于90%。測試數(shù)據如圖6所示。

對國產FA431物檢測裝置高速粗紗機（機身 15075mm）改造調試，輸出棉紗32支（50mm以下）機身兩側裝加紅外檢測探頭，進行現(xiàn)場工作檢測，棉紗超出32支直徑允許范圍自動停機率95%以上，有效地保證了產品質量，提高了生產效率。

5 結論

本檢測系統(tǒng)應用380或220V，50-60Hz交流電工作，與傳統(tǒng)紡紗機械設備等通用性好，無需另配電源；安裝架安裝方便，利用對光顯示電路調節(jié)發(fā)射管、接收管對射精度，簡易快捷；對傳統(tǒng)機械聯(lián)線改造簡單，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錠等多路同時檢測。為了滿足對多個工位同時進行檢測或安全防護，系統(tǒng)可通過接插件連接實現(xiàn)。高精度檢測系統(tǒng)基于紅外傳感技術，可用于紡織、機械、食品生產中對產品質量監(jiān)控及安全保護等領域，有效地保證了產品質量的提高和生產的正常進行。此系統(tǒng)有廣泛的應用前景。
來源；工控網