CN102253422B

CN102253422B - 一种基于红外光的带材边缘检测装置及检测方法

Info

Publication number: CN102253422B
Application number: CN 201110103074
Authority: CN
Inventors: 郑岗; 吴巧荣; 李好文
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: CN102253422A

Abstract

一种基于红外光的带材边缘检测装置，包括安装槽架、发光装置以及接收装置，发光装置由多个红外发光管组成，接收装置由多个一体化红外接收头组成，且发光装置和接收装置的安装位置满足一定关系，红外发光管均与单片机I相连接，一体化红外接收头均与单片机II相连接，单片机I还与单片机II相连接。本发明其结构简单，在保证检测精度的条件下，增大了有效检测范围。本发明还包括一种基于红外光的带材边缘检测方法，在安装各组件后，控制多个红外发光管依次循环发送红外光信号，相对应的多个一体化红外接收头的接收信号，并判断带材的边缘位置，最终判断是否偏离以及偏离距离。该检测方法检测精度高，有效检测范围大。

Description

一种基于红外光的带材边缘检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于自动化检测技术领域，涉及一种基于红外光的带材边缘检测装置，本发明还涉及利用该装置进行的检测方法。

背景技术

带材跑偏是指在卷绕系统(如造纸、涂布机、分切机、印染、塑料印刷、胶卷、轧钢等)生产线上，卷筒材料在行进过程中，由于前道工序收卷不整齐或本机组中的导辊偏差、振动、机械误差以及带材张力的波动等原因，造成带材边缘或带材某一纵向标志线与机组的中心线不平行或不重合，导致带材的横向跑偏。为了保证带材卷曲后边缘整齐，也为后续处理和运输存储带来方便，因此有必要在大型生产线上使用高精度的边缘检测系统。

常用的带材边缘检测方法有光电式、电容式、电感式。

光电式主要应用光电效应原理将光信号转换为电信号输出。光电式传感器为非接触检测，接收装置易于设计，测量范围大；传感器成本低，使用范围广，所受限制少，可用于单边和双边检测；应用范围比较广等特点。

目前利用光电原理设计的边缘检测主要有三种方式：(1)、利用单个感光元件作为检测元件，如光敏二极管、硅光电池或光敏电阻等；缺点是检测范围比较小，对于不同宽度的带材检测，需要移动检测装置的安装位置。(2)、利用多个感光器件作为检测元件，有效扩大了检测范围，缺点是带材边缘位置比较模糊，检测精度较低。(3)、利用CCD作为检测元件，CCD具有体积小、抗电磁干扰强精度高等特点，但是价位也比较高。

电容式基本原理就是把带材偏移量转换成电容的变化量。常见的电容式检测方法有三种类型：(1)、变间隙式，(2)、变面积式，(3)、变介电常数。在带材对中检测系统中使用的大多是变面积式。电容式传感器的特点：仅适用于金属等带材生产。

电感式采用电磁感应原理进行检测。当带材位置发生偏移时感应线圈的感应电动势会发生变化，根据感应电动势的变化来确定带材偏移量。电感式的特点：电感式可以使用于恶劣环境中，受外界环境等影响比较小，使用寿命长；但是只能用于导磁带材生产这就限制了它的适用范围。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于红外光的带材边缘检测装置，其结构简单，在保证检测精度的条件下，增大了有效检测范围。

本发明还提供了一种利用上述装置进行的检测方法，其检测精度高，有效检测范围大。

本发明所采用的技术方案是，一种基于红外光的带材边缘检测装置，包括安装槽架，安装槽架的下方通过绝缘柱设置有发光装置和接收装置，发光装置和接收装置分别位于被检测带材一侧边缘的上方和下方，发光装置由间隔且均匀设置的多个红外发光管组成，接收装置由间隔且均匀设置的多个一体化红外接收头组成，多个红外发光管和多个一体化红外接收头的位置一一对应，且与带材的运动方向相平行；

其中，发光装置和接收装置的安装位置满足以下关系：

1)、根据发光装置与接收装置之间的已知距离H，确定发光装置与接收装置之间的中间位置；

2)、根据每个红外发光管的已知发射角度a确定能接收到该红外发射管信号的多个一体化红外接收头，并将每个红外发光管与能接收到其信号的多个一体化红外接收头分别连线；

3)、在步骤1)中得到的中间位置的下方，步骤2)得到的连线间第一次出现交叉点的位置，即为带材的位置；

各红外发光管均与单片机I相连接，各一体化红外接收头均与单片机II相连接，单片机I还与单片机II相连接。

其中，红外发光管均采用940nm波长的TSAL6200红外发光二极管。

一体化红外接收头均采用HS0038B红外接收头。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种基于红外光的带材边缘检测方法，包括以下步骤：

步骤1、固定安装槽架，在安装槽架的下方通过绝缘柱设置发光装置和接收装置，发光装置和接收装置分别位于被检测带材一侧边缘的上方和下方，发光装置由间隔且均匀设置的多个红外发光管组成，接收装置由间隔且均匀设置的多个一体化红外接收头组成，多个红外发光管和多个一体化红外接收头的位置一一对应，且与带材的运动方向相平行；

调节发光装置和接收装置的安装位置，使其两者满足以下关系：

将各红外发光管均与单片机I相连接，各一体化红外接收头均与单片机II相连接，单片机I还与所述单片机II相连接；

步骤2、单片机I控制各红外发光管依次循环发送红外光信号，并同时向单片机II发送同步信号，单片机II根据单片机I发送的同步信号，控制相对应的多个一体化红外接收头接收红外光信号，再根据接收到的信号判断带材的边缘位置；

步骤3、单片机II将步骤2得到的多组带材的边缘位置数据，通过加减计算以判断带材是否偏离，并计算偏离的距离。

步骤1中，能接受到各红外发光管的多个一体化红外接收头的确定方法是：位于该红外放光管发射角度a内的一体化红外接收头。

步骤2中，当各红外发光管发光时，相对应的一体化红外接收头在能感应到该红外发光管的红外光时，则输出低电平，即二进制数据0；相对应的一体化红外接收头在感应不到该红外发光管的红外光时，输出高电平，即二进制数据1，单片机II根据接收到的二进制数据判断带材的边缘位置。

其中，红外发光管均采用940nm波长的TSAL6200红外发光二极管。

一体化红外接收头均采用HS0038B红外接收头。

本发明一种基于红外光的带材边缘检测装置，适用于各种不透明带材的非接触性运动的检测，其采用单片机作为数据处理器件，简化了系统的硬件结构，便于后续的纠偏工作，且系统性价比高。在使用其进行检测的过程中，由于此检测装置的有效检测范围宽，因此当带材宽度发生变化时，不需要移动检测装置。在使用时，能在带材的两个侧边分别设置本发明的装置，此时，能进行带材的双边检测，左右两个检测装置分别独立完成检测任务，测量结果互为备份，以提高系统的可靠性。

红外发光管采用的940nm波长的TSAL6200红外发光二极管，其成本低、发光效率高、功耗小、结构简单等特点。其反向耐压约为-5V，正向突变电压约为1.6V，可发出近红外光，中心波长为940nm，带宽为50nm。最大优点是脉冲响应快，时间常数约为800ns。一体化红外接收头采用的HS0038B红外接收头，具有体积小、内置专用IC、宽角度及长距离接收、抗干扰能力强及低工作电压等特点。其接收距离可以达到25m，载波频率为38kHz，输出脉冲宽度约为700us。

本发明一种基于红外光的带材边缘检测方法，采用单片机I控制多个红外发光管依次循环发送红外光信号，再通过单片机II控制相对应的多个一体化红外接收头的接收信号，并根据读取的接收信号判断带材的边缘位置，再通过加减计算以判断带材位置是否偏离，并计算偏离的距离。其具有的优点主要包括：(1)、检测精度高，实验证明能实现0.5mm的检测精度；(2)、有效检测范围大。现有技术中，常用的光电式边缘检测方法的有效检测范围只能达到50mm左右，本发明的检测范围可以达到300mm；(3)、检测距离大。检测距离即检测装置离带材的距离。现有技术中大多采用槽型光电传感器，因受整体结构的限制，其一般有效检测范围只有几厘米，本发明的检测距离能实现200mm以上的检测距离，而检测距离的增大，能方便在工业应用中的安装方便以及其他后续作业的操作。

附图说明

图1是本发明一种基于红外光的带材边缘检测装置的结构示意图；

图2是本发明中的发光装置、接收装置与带材的位置示意图。

其中，1、安装槽架，2、绝缘柱，3、带材，4、发光装置，5、接收装置。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种基于红外光的带材边缘检测装置，包括位于被检测带材3一侧边缘上方的安装槽架1，安装槽架1的下方通过绝缘柱2设置有发光装置4和接收装置5，其中，发光装置4位于带材3一侧边缘的上方，发光装置4由间隔且均匀设置的43个红外发光管组成，并依次命名为A₁、A₂、A₃、………A₄₃，各红外发光管的发射角度均为a，a取22°；接收装置5位于带材3同侧边缘的下方，且接收装置5由由间隔且均匀设置的43个一体化红外接收头组成，并依次命名为B₁、B₂、B₃、………B₄₃，各红外发光管之间以及各一体化红外接收头之间的距离均为L，L为9.5mm，该43个红外发光管和43个一体化红外接收头的位置一一对应，且与带材3的运动方向相平行。其中，红外发光管均采用940nm波长的TSAL6200红外发光二极管，一体化红外接收头均采用HS0038B红外接收头。

其中，发光装置4和接收装置5的安装位置满足以下关系：

1)、根据发光装置4与接收装置5之间的已知距离H，H为500mm，确定发光装置4与接收装置5之间的中间位置，即f线，f线与发光装置4和接收装置5之间的距离均为250mm；

2)、根据每个红外发光管的已知发射角度a确定能接收到该红外发射管信号的多个一体化红外接收头，即位于该红外放光管发射角度a内的一体化红外接收头，将每个红外发光管与能接收到其信号的多个一体化红外接收头连线，并形成多个连线，连线间会形成多个交叉点；

3)、在步骤1)中得到的f线的下方，步骤2)得到的连线间第一次出现交叉点的位置，即最靠近f线的交叉点的位置，为带材3的位置。

43个红外发光管均与单片机I相连接，43个一体化红外接收头均与单片机II相连接，单片机I还与单片机II相连接，单片机I用于控制43个红外发光管按照一定时间周期依次循环发送红外光信号的同时，向单片机II发送同步信号，单片机II根据单片机I发送的同步信号，控制相对应的多个一体化红外接收头接收红外光信号，再根据接收到的信号判断带材3的边缘位置，再通过加减计算以判断带材3的位置是否偏离，并计算偏离的距离。第一次得到的带材位置数据定义为起始位置，将后续得到的带材3的边缘位置与起始位置相比较，以判断带材位置是否偏离，并计算偏离的距离。

本发明一种基于红外光的带材边缘检测方法，包括以下步骤：

步骤1、在带材3一侧边缘上方固定安装槽架1，在安装槽架1的下方通过绝缘柱2设置发光装置4和接收装置5，其中，发光装置4位于带材3一侧边缘的上方，发光装置4由间隔且均匀设置的43个红外发光管组成，并依次命名为A₁、A₂、A₃、………A₄₃，各红外发光管的发射角度均为a，a取22°；接收装置5位于带材3同侧边缘的下方，且接收装置5由由间隔且均匀设置的43个一体化红外接收头组成，并依次命名为B₁、B₂、B₃、………B₄₃，各红外发光管之间以及各一体化红外接收头之间的距离均为L，L为9.5mm，该43个红外发光管和43个一体化红外接收头的位置一一对应，且与带材3的运动方向相平行。其中，红外发光管均采用940nm波长的TSAL6200红外发光二极管，一体化红外接收头均采用HS0038B红外接收头。

调节所述发光装置(4)和接收装置(5)的安装位置，使其两者满足以下关系：

2)、根据每个红外发光管的已知发射角度a(a取22°)，确定能接收到该红外发射管信号的多个一体化红外接收头，即位于该红外放光管发射角度a内的一体化红外接收头，其中，由几何运算得知，本实施例中，能接受到同一个红外发光管信号的一体化红外接收头的个数n最多为21个。

将每个红外发光管与能接收到其信号的多个一体化红外接收头连线，并形成多个连线，连线间会形成多个交叉点；

3)、在步骤1)中得到的f线的下方，步骤2)得到的连线间第一次出现交叉点的位置，即最靠近f线的交叉点的位置，为带材3的位置。带材3和中线f之间的距离h为13mm，即带材3的位置离发光装置4的距离为263mm，离接收装置5的距离为237mm。

将多个红外发光管均与单片机I相连接，所述多个一体化红外接收头均与单片机II相连接，单片机I还与单片机II相连接。

其中，能接受到正在发光的红外发光管的多个一体化红外接收头的确定方法是：位于红外放光管发射角度a内的一体化红外接收头。

步骤2、单片机I控制所述多个红外发光管按照一定时间周期依次循环发送红外光信号，并同时向单片机II发送同步信号，单片机II根据单片机I发送的同步信号，控制相对应的多个一体化红外接收头接收红外光信号，

当红外发光管发光时，相对应的一体化红外接收头在能感应到该红外发光管的红外光时，即红外光线没有被带材3遮挡时，则输出低电平，即二进制数据0；相对应的一体化红外接收头在感应不到该红外发光管的红外光时，即该红外光被带材3遮挡时，输出高电平，即二进制数据1。单片机II根据接收到的二进制数据判断带材3的边缘位置。

步骤3、单片机II将步骤2得到的多组带材3的边缘位置数据，通过加减计算以判断所述带材3是否偏离，并计算偏离的距离。第一次得到的带材位置数据定义为起始位置，将后续得到的带材3的边缘位置与起始位置相比较，以判断带材位置是否偏离，并计算偏离的距离。

将带材3固定到移动装置上，所使用的移动装置可以精确控制带材3的移动量，精度可以达到0.001mm。通过此精确的移动装置带动带材3正行程(向右移动)和反行程(向左移动)移动，进行试验。

有效检测范围S，指本检测装置能检测出的带材3位置发生变化时的最大距离。本发明有效检测范围S的起点为红外发光管A₁与一体化红外接收头B_i之间的连线与r线的交点，有效检测范围S的终点为红外发光管A_j与一体化红外接收头B_j之间的连线与r线的交点，其中，红外发光管A₁为远离带材3边缘处的第一个红外发光管，一体化红外接收头B_i为能接受到该红外发光管A₁发光信号的最远的一体化红外接收头，红外发光管A_j为靠近带材3边缘处的第一个红外发光管，即红外发光管A₄₃，一体化红外接收头B_j为能接受到该红外发光管A_j发光信号的最远的一体化红外接收头，r线为带材3的位置。由实验数据和几何计算公式可得，本实施例中有效检测范围S为316.7mm，远大于现有技术的有效检测范围。

检测精度Δx，是指带材3的运动中，本发明所得检测数据结果能发生变化需对应的带材3位置变化的最小距离。由几何运算公式Δx＝L/(n-2)，得出Δx＝0.5mm，其中，L为各红外发光管之间以及各一体化红外接收头之间的距离，n为能接受到同一个红外发光管信号的一体化红外接收头的最多个数。

其中，如下表所示为本实施例正行程测试数据记录：

其中，如下表所示为本实施例反行程测试数据记录：

Claims

1.一种基于红外光的带材边缘检测装置，其特征在于，包括安装槽架（1），所述安装槽架（1）的下方通过绝缘柱（2）设置有发光装置（4）和接收装置（5），所述发光装置（4）和接收装置（5）分别位于被检测带材（3）一侧边缘的上方和下方，所述发光装置（4）由间隔且均匀设置的多个红外发光管组成，所述接收装置（5）由间隔且均匀设置的多个一体化红外接收头组成，所述多个红外发光管和多个一体化红外接收头的位置一一对应，且与所述带材（3）的运动方向相平行；

其中，所述发光装置（4）和所述接收装置（5）的安装位置满足以下关系：

1）、根据所述发光装置（4）与所述接收装置（5）之间的已知距离H，确定所述发光装置（4）与所述接收装置（5）之间的中间位置；

3）、在1）中得到的中间位置的下方，2）得到的连线间最靠近中间位置的交叉点的位置，即为所述带材（3）的位置；

所述各红外发光管均与单片机Ⅰ相连接，所述各一体化红外接收头均与单片机Ⅱ相连接，所述单片机Ⅰ还与所述单片机Ⅱ相连接。

2.按照权利要求1所述的基于红外光的带材边缘检测装置，其特征在于，所述红外发光管均采用940nm波长的TSAL6200红外发光二极管。

3.按照权利要求1所述的基于红外光的带材边缘检测装置，其特征在于，所述一体化红外接收头均采用HS0038B红外接收头。

4.一种基于红外光的带材边缘检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、固定安装槽架（1），在所述安装槽架（1）的下方通过绝缘柱（2）设置发光装置（4）和接收装置（5），所述发光装置（4）和接收装置（5）分别位于被检测带材（3）一侧边缘的上方和下方，所述发光装置（4）由间隔且均匀设置的多个红外发光管组成，所述接收装置（5）由间隔且均匀设置的多个一体化红外接收头组成，所述多个红外发光管和多个一体化红外接收头的位置一一对应，且与所述带材（3）的运动方向相平行；

调节所述发光装置（4）和接收装置（5）的安装位置，使其两者满足以下关系：

将所述各红外发光管均与单片机Ⅰ相连接，所述各一体化红外接收头均与单片机Ⅱ相连接，所述单片机Ⅰ还与所述单片机Ⅱ相连接；

步骤2、所述单片机Ⅰ控制所述各红外发光管依次循环发送红外光信号，并同时向所述单片机Ⅱ发送同步信号，所述单片机Ⅱ根据所述单片机Ⅰ发送的同步信号，控制相对应的多个一体化红外接收头接收红外光信号，再根据接收到的信号判断所述带材（3）的边缘位置；

步骤3、所述单片机Ⅱ将步骤2得到的多组带材（3）的边缘位置数据，通过加减计算以判断所述带材（3）是否偏离，并计算偏离的距离。

5.按照如权利要求4所述的基于红外光的带材边缘检测方法，其特征在于，步骤1中，所述能接受到各红外发光管的多个一体化红外接收头的确定方法是：位于所述红外放光管发射角度a内的一体化红外接收头。

6.按照如权利要求4所述的基于红外光的带材边缘检测方法，其特征在于，步骤2中，当所述各红外发光管发光时，相对应的一体化红外接收头在能感应到该红外发光管的红外光时，则输出低电平，即二进制数据0；相对应的一体化红外接收头在感应不到该红外发光管的红外光时，输出高电平，即二进制数据1，所述单片机Ⅱ根据接收到的二进制数据判断所述带材（3）的边缘位置。

7.按照如权利要求4、5或6所述的基于红外光的带材边缘检测方法，其特征在于，所述红外发光管均采用940nm波长的TSAL6200红外发光二极管。

8.按照如权利要求4、5或6所述的基于红外光的带材边缘检测方法，其特征在于，所述一体化红外接收头均采用HS0038B红外接收头。