1 引言

檢測(cè)控制電路是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心技術(shù)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(dòng)化控制過程的優(yōu)劣。通過對(duì)棉紡織企業(yè)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)部分紡紗設(shè)備仍使用現(xiàn)場(chǎng)人工質(zhì)檢，不能保證高質(zhì)量棉條、棉紗產(chǎn)出。另外，一臺(tái)紡紗機(jī)同時(shí)輸入棉條、輸出棉紗96，108，120路，由于人工測(cè)試不能保證棉條及時(shí)捻接以及棉紗直徑穩(wěn)定性，造成產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率低等問題。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量及效率的提高，鄭州航院機(jī)電研究所設(shè)計(jì)研究并開發(fā)了高精度檢測(cè)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)有效地改造了國產(chǎn)FA431，F(xiàn)A541系列高速粗紗機(jī)，使生產(chǎn)效率提高25%-35%，產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高。經(jīng)專家認(rèn)證，改造后的FA431在性價(jià)比上優(yōu)于日本豐田公司FL16粗紗機(jī)。該系統(tǒng)不僅可用于紡織機(jī)械，通過對(duì)系統(tǒng)精度、靈敏度、測(cè)量范圍等調(diào)節(jié)還可在傳統(tǒng)鍛床、機(jī)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(qiáng)的穿透能力和抗干擾能力，不易散射且不易引起串?dāng)_。該系統(tǒng)基于紅外傳感利用調(diào)制/解調(diào)技術(shù)完成系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射接收設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)信號(hào)流程及原理

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

紅外發(fā)光管和紅外接收管分居光電檢測(cè)區(qū)兩側(cè)，很少需要維護(hù)。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(duì)電容進(jìn)行充電，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號(hào)。無遮擋物時(shí)，光路暢通無阻，光感電流為最大；有遮擋物通過檢測(cè)區(qū)時(shí)，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(duì)檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)，對(duì)被測(cè)物體直徑或面積量的測(cè)控，實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢或安全保護(hù)等的作用。系統(tǒng)安裝位置及結(jié)構(gòu)如圖2所示，可通過接插件實(shí)現(xiàn)多工位監(jiān)測(cè)。

本設(shè)計(jì)紅外光的產(chǎn)生和拾取分別采用脈沖調(diào)制和同步解調(diào)技術(shù)。脈沖調(diào)制光與直流光相比，一方面增強(qiáng)了抵御環(huán)境雜散光和車間內(nèi)機(jī)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(duì)延長。當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，紅外接收管接收到的光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生突變。因而，凡是變化的光一概算作遮擋信號(hào)。傳統(tǒng)的安全保護(hù)器容易出現(xiàn)誤動(dòng)作，如當(dāng)打開或關(guān)掉照明燈時(shí)，信號(hào)處理單元會(huì)將其判斷為遮擋物信號(hào)而誤操作。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用脈沖調(diào)制/同步解調(diào)，使紅外發(fā)光管一段時(shí)間發(fā)射信號(hào)，一段時(shí)間關(guān)斷信號(hào)，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(hào)期間接通工作。發(fā)光和接收在時(shí)間上保持同步，因而只有紅外發(fā)光管發(fā)出的光才會(huì)被檢測(cè)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(dòng)作。

3 主要功能模塊設(shè)計(jì)

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(hào)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(hào)處理系統(tǒng)、狀態(tài)指示面板等。本文僅對(duì)系統(tǒng)的重要功能模塊做設(shè)計(jì)原理說明。

3.1 紅外脈沖發(fā)射

來自信號(hào)發(fā)生器的方波，經(jīng)過緩沖、放大、變頻后，得到較小占空比的脈沖波，驅(qū)動(dòng)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(gè)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(cè)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(chǎn)生負(fù)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(hào)經(jīng)過后置電容；當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)中時(shí)，接收管接收到紅外光的強(qiáng)度發(fā)生變化，從而有信號(hào)經(jīng)過后置電容進(jìn)入后繼信號(hào)處理單元。接收管輸出的電信號(hào)很微弱，因而經(jīng)過后置電容的電信號(hào)非常小，需經(jīng)解調(diào)后再進(jìn)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。通過信號(hào)比較電路，輸出新電平信號(hào)進(jìn)行處理［2］。原理框圖如圖4所示。

3.3 信號(hào)處理

系統(tǒng)采用低功耗、高增益、內(nèi)部有頻率補(bǔ)償?shù)乃倪\(yùn)放集成芯片［3］。當(dāng)無遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，電路中只有直流信號(hào)，無法通過隔直電容；當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，接收電路輸出突變電信號(hào)，通過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。原理框圖如圖5所示。

由于解調(diào)方波與紅外發(fā)射管的工作在時(shí)間上保持同步，且電子開關(guān)僅在紅外發(fā)射管工作時(shí)接通，所以僅有來自紅外發(fā)射管的光信號(hào)被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關(guān)的方波信號(hào)由阻容網(wǎng)絡(luò)濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號(hào)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(wǎng)絡(luò)調(diào)整脈沖信號(hào)的高低電平值，以得到合適的電壓來驅(qū)動(dòng)后繼電路。利用集成運(yùn)放負(fù)反饋原理，對(duì)信號(hào)處理電路添加靈敏度子系統(tǒng)電路用來調(diào)節(jié)檢測(cè)精度。調(diào)整精度后，系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于其他質(zhì)檢及安全保護(hù)機(jī)械設(shè)備，如對(duì)傳統(tǒng)無安全保護(hù)裝置的機(jī)床、鍛床等的改造。

4 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

檢測(cè)系統(tǒng)原理圖繪制、仿真調(diào)試及PCB板圖均利用EDA（Protel）軟件設(shè)計(jì)［4］，各部分零件經(jīng)選型、調(diào)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(duì)被測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)，通過改變測(cè)量距離及被測(cè)物直徑，得出幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，由于紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光在空氣中遠(yuǎn)距離傳播光束發(fā)散性以及其他諸如空氣流動(dòng)、塵埃、密度差等影響，隨著測(cè)試距離加大，測(cè)試物體直徑減小，不能達(dá)到預(yù)期測(cè)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，目前能達(dá)到檢測(cè)距離30m、測(cè)試物直徑2mm，檢測(cè)準(zhǔn)確率95%。但1mm以下準(zhǔn)確檢測(cè)率較低。因此，如何提高檢測(cè)物精度是本項(xiàng)目今后繼續(xù)研發(fā)的重點(diǎn)，也是繼續(xù)擴(kuò)展檢測(cè)領(lǐng)域的關(guān)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(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度、照度、燈光頻閃檢測(cè)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(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試檢測(cè)率（正確停車百分比）不低于90%。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示。

對(duì)國產(chǎn)FA431物檢測(cè)裝置高速粗紗機(jī)（機(jī)身 15075mm）改造調(diào)試，輸出棉紗32支（50mm以下）機(jī)身兩側(cè)裝加紅外檢測(cè)探頭，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工作檢測(cè)，棉紗超出32支直徑允許范圍自動(dòng)停機(jī)率95%以上，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

本檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用380或220V，50-60Hz交流電工作，與傳統(tǒng)紡紗機(jī)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(duì)光顯示電路調(diào)節(jié)發(fā)射管、接收管對(duì)射精度，簡易快捷；對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械聯(lián)線改造簡單，控制機(jī)械部分電路通斷。

在實(shí)際工作環(huán)境中，如FA431高速粗紗機(jī)包括 96錠、108錠、120錠等多路同時(shí)檢測(cè)。為了滿足對(duì)多個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)或安全防護(hù)，系統(tǒng)可通過接插件連接實(shí)現(xiàn)。高精度檢測(cè)系統(tǒng)基于紅外傳感技術(shù)，可用于紡織、機(jī)械、食品生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控及安全保護(hù)等領(lǐng)域，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的提高和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。此系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景。
來源；工控網(wǎng)