CN101458066B

CN101458066B - 基于稳光led的带材跑偏光电传感器

Info

Publication number: CN101458066B
Application number: CN2008101638743A
Authority: CN
Inventors: 陈德传; 卢玲
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Nantong Hengli Heavy Industries Machinery Co., Ltd.
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN101458066A

Abstract

本发明涉及基于稳光LED的带材跑偏光电传感器。现有技术灵敏度不够，不适于生产速度较高的场合。本发明外壳底面开有窗口，窗口面上设置有保护镜，外壳内对应窗口位置设置有白光LED光源，白光LED光源正下方依次设置有聚光镜、上物镜、分光镜和下物镜，分光镜与保护镜的平面夹角为45度；分光镜在上物镜下方焦点处开有通孔。分光镜的反射光路上依次设置有像镜、滤光镜和两个光敏接收器件。两个光敏接收器件均为片状的硅光电池，其平面形状为直角三角形，组合后为成长方形。白光LED光源附近设置的光源光电池以及两个光敏接收器件均与稳光控制与信号处理电路板连接。本发明灵敏度高，后续应用处理简便。

Description

基于稳光LED的带材跑偏光电传感器

技术领域

本发明属于工业传感器技术领域，尤其是涉及对各类带材的横向跑偏进行在线检测的反射式光电传感器。适于对塑料薄膜、纸、织物、胶带、胶片、金属箔带等各类带材生产中的跑偏检测与纠偏控制。

背景技术

在诸如软包装印刷、塑料薄膜加工生产、纸品、纺织物、胶带、金属箔带等各类带材加工、生产过程中，由于机组中的张力不稳、各电机速度同步性能不好、机械振动、轴承磨损等而导致带材在向前运动中伴随着横向跑偏现象，严重影响了加工质量及生产速度，甚至造成整个生产设备无法运行。

对带材跑偏的测控是各类带材生产中的基本要求，而目前具有跟边和跟线检测功能的光电传感器均属于反射型，其技术方案与特点主要有：一是以白炽灯为光源，其光路的核心是菱镜，接收器件为光敏电阻；二是仍以白炽灯为光源，但光路为同轴反射式结构，是由凸透镜、半反镜、滤光镜等组成，接收器件为光电池；三是基于CCD图像传感技术的跑偏检测方案；四是以发光二极管替代白炽灯为光源的方案。在一、二方案中，由于白炽灯发热量大、传感器腔内温度高，易导致温漂与器件老化，此外，由于白炽灯光谱成分的局限性而导致检测的色盲问题；在方案三中，目前主要问题在于实时性有待提高，适于带材运行速度较低及对跟线精度要求高的场合；在方案四中，目前主要问题在于信噪比有待提高，灵敏度不够，不适于生产速度较高的场合。

发明内容

本发明的目的就是克服现有的跑偏传感器存在的色盲、功耗及温漂大、信噪比低等问题，提供一种基于稳光LED的高灵敏、无色盲、能适于带材高速生产场合的具有检测带材边缘、带材表面的印刷图案边缘、及带材表面的印刷标志线等跑偏的新型反射式光电跑偏传感器。

本发明包括外壳，外壳为长方体，其底面开有窗口，窗口面上设置有保护镜。外壳内对应窗口位置设置有白光LED光源，白光LED光源正下方依次设置有聚光镜、上物镜、分光镜和下物镜，其中聚光镜、上物镜和下物镜均为凸透镜，且均与保护镜平行设置，白光LED光源位于聚光镜上方的焦点处，下物镜的上方焦点与上物镜的下方焦点重合。分光镜为反光镜，其下面为反光面，分光镜与保护镜的平面夹角为45度；分光镜在上物镜下方焦点处开有直径为1～3mm的通孔。分光镜的反射光路上依次设置有像镜、滤光镜和两个光敏接收器件，其中像镜为凸透镜、滤光镜为平面滤光镜，像镜和滤光镜均与保护镜垂直设置。两个光敏接收器件均为片状的硅光电池，其平面形状为直角三角形；两个光敏接收器件处于同一平面，且与滤光镜平行；两个光敏接收器件的斜边位置对应，组合后为成长方形。所述的白光LED光源的发射光为圆锥型散射光，圆锥型散射光内的边沿位置设置有感光的光源光电池。光源光电池和两个光敏接收器件均与设置在外壳内的稳光控制与信号处理电路板连接。外壳上固定设置的航空连接件与稳光控制与信号处理电路板连接。

稳光控制与信号处理电路板的印刷电路板上固定设置有信号连接件、光照电流-电压变换器、I₁电流-电压变换器、I₂电流-电压变换器、边信号运算放大器、线信号运算放大器、稳光控制器、LED驱动器。其中，I₁信号电流-电压变换器和I₂信号电流-电压变换器的输入端分别与两个光敏接收器件连接，I₁电流-电压变换器的输出端与线信号运算放大器的输入端连接，I₂电流-电压变换器的输出端与边信号运算放大器的输入端连接，边信号运算放大器、线信号运算放大器的输出端分别与信号连接件的输入端连接；光源光敏器件的输出端与光照电流-电压变换器的输入端连接，光照电流-电压变换器的输出端与稳光控制器的输入端连接，稳光控制器的输出端与白光LED光源的控制端连接，来自信号连接件的电源端的正负5V电源电压分别与各电流-电压变换器、边信号运算放大器、线信号运算放大器、稳光控制器的正负5V电源端连接，信号连接件的输出端与外壳上的航空连接件连接。

本发明中的白光LED光源、光源光敏器件、三角形的光敏接收器件、聚透镜、上物镜、分光镜、下物镜、像镜、滤光镜、保护镜、信号连接件、各电流-电压变换器、边信号运算放大器、线信号运算放大器、稳光控制器、LED驱动器、航空连接件等均采用的成熟产品，可以通过市场取得。例如：信号连接件采用CH2.54型连接件、航空连接件采用Y4-7TK/7ZJ航空连接件、各电流-电压变换器均采用TLC2652、边信号运算放大器与线信号运算放大器均采用AD623、稳光控制器采用LM258、LED采用CL-H10W、LED驱动器采用C8050、光源光敏器件采用2CR21型硅光电池、两个光敏接收器件均采用2CR10×20三角形硅光电池、聚光镜采用Φ14R14d3型、上物镜采用Φ17R17d3.6型、下物镜采用Φ10R10d2型、像镜采用Φ15R17d3型、滤光镜采用Φ15d1.5兰色型、分光镜采用34×20(中心孔Φ1.5)、保护镜采用16×12×1.5。

本发明的有益效果是：采用稳光控制技术使光源稳定、采用高亮度的白光LED以克服白炽灯光谱导致的检测色盲问题并消除了传感器的发热、克服了温漂问题、采用具有中心通孔的分光镜克服半反镜对光源照度及反射信号的损失，使检测的信噪比与灵敏度得以很大提高，此外，直接分别输出带材边缘跑偏信号与标志线跑偏信号，使后续应用处理很简便。本发明在诸如软包装印刷、塑料薄膜、纸类生产加工、纺织物、胶带、金属箔带等各类带材的加工、生产过程中检测带材边缘、带材表面的印刷图案边缘或标志线的跑偏及纠偏控制方面用途广泛、使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为分光镜的结构示意图；

图3为边缘跑偏在接受器件上的成像位置关系示意图；

图4为标志线跑偏在接受器件上的成像位置关系示意图；

图5为稳光控制与信号处理电路板的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于稳光LED的带材跑偏光电传感器包括外壳1，外壳1为长方体，其底面开有窗口，窗口面上设置有保护镜9。外壳1内对应窗口位置设置有白光LED光源2，白光LED光源2正下方依次设置有聚光镜13、上物镜12、分光镜11和下物镜10，其中聚光镜13、上物镜12和下物镜10均为凸透镜，且均与保护镜9平行设置，白光LED光源2位于聚光镜13上方的焦点处，下物镜10的上方焦点与上物镜12的下方焦点重合。分光镜11为反光镜，其下面为反光面，分光镜11与保护镜9的平面夹角为45度。分光镜11的反射光路上依次设置有像镜8、滤光镜7和两个光敏接收器件6，其中像镜8为凸透镜、滤光镜7为平面滤光镜，像镜8和滤光镜7均与保护镜9垂直设置。白光LED光源2的发射光为圆锥型散射光，圆锥型散射光内的边沿位置设置有感光的光源光电池4。光源光电池4和两个光敏接收器件6均与设置在外壳1内的稳光控制与信号处理电路板5连接。外壳1上固定设置的航空连接件3与稳光控制与信号处理电路板5连接。图中带箭头虚线为检测光路。

如图2，分光镜11在上物镜12下方焦点处开有直径为1～3mm的通孔。

如图3和图4，两个光敏接收器件6-1和6-2均为片状的硅光电池，其平面形状为直角三角形；两个光敏接收器件6处于同一平面，且与滤光镜7平行。两个光敏接收器件6的斜边位置对应，之间具有间隙，组合后为成长方形。

如图5，稳光控制与信号处理电路板5的印刷电路板上固定设置有CH2.54型信号连接件5-5、TLC2652型光照电流-电压变换器5-2、TLC2652型I₁电流-电压变换器5-4、TLC2652型I₂电流-电压变换器5-3、AD623型边信号运算放大器5-7、AD623型线信号运算放大器5-8、LM258型稳光控制器5-6、C8050型LED驱动器5-1。其中，I₁信号电流-电压变换器和I₂信号电流-电压变换器的输入端分别与两个光敏接收器件6连接，I₁电流-电压变换器的输出端与线信号运算放大器的输入端连接，I₂电流-电压变换器的输出端与边信号运算放大器的输入端连接，边信号运算放大器、线信号运算放大器的输出端分别与信号连接件的输入端连接；光源光敏器件4的输出端与光照电流-电压变换器的输入端连接，光照电流-电压变换器的输出端与稳光控制器的输入端连接，稳光控制器的输出端与白光LED光源2的控制端连接，来自信号连接件的电源端的正负5V电源电压分别与各电流-电压变换器、边信号运算放大器、线信号运算放大器、稳光控制器的正负5V电源端连接，信号连接件的输出端与外壳上1的Y4-7TK/7ZJ航空连接件3连接。

如图3所示，当传感器用于检测带材15的边缘17跑偏时，传感器将带材15的边缘17在由两片三角形光敏元件6-1和6-2构成的长方形接收器件组上产生边缘17的成像19(图3中的阴影部分)，将三角形光敏元件6-1和6-2输出的信号I₁、I₂相加并减去背景信号后即得带材15的边缘17的跑偏信号y₁。

如图4所示，当传感器用于检测带材15的标志线16跑偏时，传感器将带材15的标志线16在由两片三角形光敏元件6-1和6-2构成的长方形接收器件组上产生标志线16的成像20，将三角形光敏元件6-1和6-2输出的信号I₁、I₂相减后即得带材15的标志线16的跑偏信号y₂。

工作中，白光LED光源发出的光经聚光镜与上物镜聚光后穿过在光路焦点处呈45度设置的分光镜中的小孔、并通过下物镜后形成平行光、再经一片保护镜形成长方形检测光斑照射在带材表面的被测区域，光线在带材表面被测的标志线或边缘的区域内产生强度随跑偏而变化的反射光，其再经保护镜、下物镜及分光镜反射后通过与主光路呈度设置的像镜、滤光镜将被测的带材边缘或标志线成像在由两个光敏接收器件构成的长方形接收器件组上，两个光敏接收器件输出的两路短路电流信号分别经TLC2652型I₁电流-电压变换器、TLC2652型I₂电流-电压变换器形成电压信号，此两路电压信号再通过AD623型线信号运算放大器的减法运算后形成标志线跑偏信号。同时，此两路电压信号再通过AD623型线信号运算放大器的加减法运算后形成边缘跑偏信号，这两路跑偏信号经CH2.54型信号连接件及Y4-7TK/7ZJ航空连接件输出，实现了跑偏检测功能。此外，用于检测白光LED光源照度的光源光电池的输出短路电流经TLC2652型光照电流-电压变换器形成电压信号，此信号经具有PI调节功能的LM258型稳光控制器及LED驱动器后对白光LED光源的照度实现闭环的稳光控制以进一步提高传感器的性能，稳光控制与信号处理电路板上的供电电压为±5VDC，来自经Y4-7TK/7ZJ航空连接件电源端输入的外部供电。带材15在放卷过程中，当其边缘17或标志线16出现横向跑偏时，跑偏传感器即输出相应的信号到纠偏控制器，经纠偏控制器的控制算法运算后输出指令使纠偏执行器推动放卷机构作与跑偏方向相反的运动，以达到纠偏控制的目的。

Claims

1.基于稳光LED的带材跑偏光电传感器，包括长方体的外壳，其特征在于：外壳的底面开有窗口，窗口面上设置有保护镜；外壳内对应窗口位置设置有白光LED光源，白光LED光源正下方依次设置有聚光镜、上物镜、分光镜和下物镜；其中聚光镜、上物镜和下物镜均为凸透镜，且均与保护镜平行设置，白光LED光源位于聚光镜上方的焦点处，下物镜的上方焦点与上物镜的下方焦点重合；

分光镜为反光镜，其下面为反光面，分光镜与保护镜的平面夹角为45度；分光镜在上物镜下方焦点处开有直径为1～3mm的通孔；

分光镜的反射光路上依次设置有像镜、滤光镜和两个光敏接收器件，其中像镜为凸透镜、滤光镜为平面滤光镜，像镜和滤光镜均与保护镜垂直设置；两个光敏接收器件均为片状的硅光电池，其平面形状为直角三角形；两个光敏接收器件处于同一平面，且与滤光镜平行；两个光敏接收器件的斜边位置对应，组合后为成长方形；

所述的白光LED光源的发射光为圆锥型散射光，圆锥型散射光内的边沿位置设置有感光的光源光电池；光源光电池和两个光敏接收器件均与设置在外壳内的稳光控制与信号处理电路板连接；外壳上固定设置的航空连接件与稳光控制与信号处理电路板连接；

稳光控制与信号处理电路板的印刷电路板上固定设置有信号连接件、光照电流-电压变换器、I₁电流-电压变换器、I₂电流-电压变换器、边信号运算放大器、线信号运算放大器、稳光控制器、LED驱动器；

I₁信号电流-电压变换器和I₂信号电流-电压变换器的输入端分别与两个光敏接收器件连接，I₁电流-电压变换器的输出端与线信号运算放大器的输入端连接，I₂电流-电压变换器的输出端与边信号运算放大器的输入端连接，边信号运算放大器、线信号运算放大器的输出端分别与信号连接件的输入端连接；光源光敏器件的输出端与光照电流-电压变换器的输入端连接，光照电流-电压变换器的输出端与稳光控制器的输入端连接，稳光控制器的输出端与白光LED光源的控制端连接，来自信号连接件的电源端的正负5V电源电压分别与各电流-电压变换器、边信号运算放大器、线信号运算放大器、稳光控制器的正负5V电源端连接，信号连接件的输出端与外壳上的航空连接件连接。