CN102261886A - 一种电容式塑料制品扫描检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用电容式传感器对高分子(塑料)制品进行检测的系统，包括可定位于设定空间任意一点的运动单元、用于扫描检测的电容器和接收转换信号的电容测量单元，其中运动单元的定位点设置有移动极板作为电容器的一极，与移动极板相对的方向设置有底座作为另一极，两极之间设置有检测空位，移动极板和底座分别设置有与电容测量单元相连的导线，实现了对塑料制品内部缺陷的无接触检测，克服了人工检测的误差和接触式检测对产品的损害，检测灵敏度高；电容式传感器配合运动单元对塑料制品进行自动扫描，实现了对产品的规格尺寸、内部一致性及不同产品间一致性的检测，检测结果的连续性强；同时由于运动单元可以实现自动扫描，节约了人力成本。

Description

一种电容式塑料制品扫描检测系统

技术领域

本发明涉及自动检测技术，更具体地，涉及到利用电容传感器对塑料制品进行扫描检测的系统。

背景技术

塑料(高分子)制品一出现就以其低廉的价格在工业上得到广泛的应用，随着制造工艺的进步和性能的不断增强，塑料制品在很多领域甚至已经取代了传统的金属材料，由于其生产数量极大，对于塑料制品的生产厂家来说，如何快速而有效地对成品进行检测是一个很普遍的问题，一般情况下，塑料制品的检测主要包括外观规格是否合格、产品内部是否有缺陷，其中前者影响产品的美观程度，后者主要影响产品的力学性能。目前人们对塑料制品的检测方法主要有以下两种：

一是人工检测，即采用手工和肉眼检察的方法对塑料制品进行检测，如使用游标卡尺或者米尺测量产品的规格大小，或者通过肉眼检测塑料产品表面是否有缺陷，如划痕、凹坑等，不过由于主观因素的影响，不同的人对同一制品的检测结果可能不同，同一个人在不同时间对同一产品的检测的结果也可能不同，所以这种方法具有很高的不确定性；同时，对于不透明的材料，如果想要通过人工目测来实现对产品内部是否有气泡，塑封芯片的位置是否正确的检测，这几乎是不可能实现的。

第二种方式是设备检测，作为对前一种方法的补充，用户往往使用设备来获得靠人工检测无法完成的数据，如利用已有的检测设备对产品进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、加温老化等实验，通过分析得到产品的力学性能状况、耐温性能。不过这种方法通常需要专业的仪器设备和专业的人才，检测成本较高，同时这些方法大部分需要接触到产品，甚至破坏产品才能得到相关信息，使用范围有限。当然，工业上也有利用视觉分析，超声波探伤的等非接触方法进行检测的系统，不过视觉系统也不能检测塑料制品内部的缺陷，超声波对面积型缺陷的检出率较高，但对体积型缺陷的检出率较低，只适宜检测厚度较大的工件，对检测物体的材质、晶粒度有一定要求，且定量精度不高，检测结果无直接见证记录。

目前暂无利用电容传感器专门对塑料制品的各项特征进行检测的设备。

发明内容

本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种电容式塑料制品扫描检测系统，该系统结构简单，检测结果的连续性好，灵敏度高，可以自动对产品的规格尺寸和内部缺陷做出检测，节约大量人力资源成本。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电容式塑料制品扫描检测系统，包括可定位于设定空间任意一点的运动单元、用于扫描检测的电容器和用于接收和转换信号的电容测量单元，所述运动单元的定位点设置有移动极板作为电容器的一个极，与移动极板相对的方向设置有用于放置塑料制品的底座作为电容器的另一极，两极之间设置有检测空位，所述移动极板和底座分别设置有与电容测量单元相连的导线，所述电容测量单元包括顺序连接的：

信号转换模块，用于连接电容器两极板引出的导线，并将电容转化为通用模拟量输出；

模数转换模块，用于将上述通用模拟量转化为数字信号；

采集模块，用于采集模数转换模块输出的数字信号。

进一步地，所述信号转换模块将电容器的电容值转化为通用模拟量的过程中，通用模拟量与电容值呈一一映射关系。

作为一种优选实施方式，所述信号转换模块将电容器的电容值转化为通用模拟量的过程中，通用模拟量与电容值呈线性关系。

为了实现定位点在空间任意一点的定位，所述运动单元包括相互正交的三条运动轴和用于控制三条运动轴运动状态的控制系统。

为了让电容器的两个极板分别与相邻物件相互电气隔离，所述移动极板与运动单元之间设置有绝缘材料，所述底座的四周和底面设置有绝缘材料。

进一步地，所述移动极板的材质为金属导体。

更进一步地，所述移动极板的材质为不锈钢。

再进一步地，所述移动极板下表面与底座上表面相互平行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明利用平板式电容传感器作为检测手段，实现了对塑料制品内部缺陷的无接触检测，克服了人工检测的误差和接触式检测对产品的损害，检测灵敏度高；电容式传感器配合运动单元对塑料制品进行自动扫描，实现了对产品的规格尺寸、内部一致性及不同产品间一致性的检测，检测结果的连续性强；同时由于运动单元可以实现自动扫描，节约了人力成本。

附图说明

图1为本发明所述电容式塑料制品扫描检测系统运动单元结构示意图。

图2为本发明所述电容传感器移动极板安装示意图。

图3为本发明所述电容测量单元功能示意图。

图4为本发明所述电容式塑料制品扫描检测系统扫描过程示意图。

图5为本发明所述电容式塑料制品扫描检测系统塑封芯片结构示意图。

图6为本发明所述电容式塑料制品扫描检测系统输出信号-行程曲线。

图7为本发明所述同一扫描轨迹上不同坐标位置的输出信号对比图。

图8为本发明所述不同扫描轨迹上相同坐标位置的输出信号对比图。

图中：1-运动单元；2-底座；3-定位点；4-移动极板；5-绝缘材料；6-塑料制品(塑料板)；7-1扫描轨迹I；7-2扫描轨迹II；7-3扫描轨迹III；8-芯片；9-螺母；10-接口。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做出进一步说明。

实施例1

参见图1和图2，本发明所述的电容式塑料制品扫描检测系统包括可定位于设定空间任意一点的运动单元1、用于扫描检测的电容器和用于接收和转换信号的电容测量单元，其中运动单元1的定位点3通过接口10连接有移动极板4作为电容器的一个极，移动极板4为金属材质，优选为不锈钢，与移动极板4相对的方向设置有用于放置塑料制品的底座2作为电容器的另一极，底座2也为金属材料，移动极板4的下表面与底座2的上表面平行，两个极板之间设置有检测空位。移动极板4和底座2还分别设置有与电容测量单元相连的导线，为了使该平板电容器的极板与周围环境电气隔离，在移动极板4与定位点3之间设置有绝缘层5并通过接口10进行锁定，同时在底座2周围设置有橡胶层，塑料板等绝缘材料。

作为定位点3可以定位于设定空间任意一点的一个具体实施例，运动单元1由相互正交的三条运动轴X、Y、Z及其控制系统组成，其中三条运动轴分别配备有用于驱动的步进电机，步进电机的运动由控制系统通过现场总线或其它公知的方式进行控制和协调，在本实施例中，该运动单元1的三条运动轴行程相同。

基于以上结构，所述的移动极板4和底座2形成的平板电容器的电容值

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}*A}{d}$ ①

其中：ε为平板电容器之间介质的介电常数，A为两平板间的相对面积，d为两板间的相对距离，以上三个参数中的任意一个改变都会导致平板电容器的电容值发生改变。

在本实施例中，由于电容器的移动极板4面积小于固定极板(底座2)的面积且扫描过程中移动极板4均处于底座2的正上方，所以①式中平板电容器的相对面积A即为移动极板4下表面的面积。

参见图3，与上述平板电容器的两块极板相连的电容测量单元，用于测量该平板电容器的电容值并对接收信号进行处理，该测量单元内顺序连接有信号转换模块、模数(A/D)转换模块和采集模块三部分，其中信号转换模块用于连接电容器两极板引出的导线并将上述电容器的电容值转换成通用模拟量输出，该通用模拟量为标准模拟电压或模拟电流，在特定的电容检测单元中，每一个电容值均对应一个唯一确定的通用模拟量，两者之间呈一一映射关系，模数转换模块信号将该通用模拟量转化成数字量并送给采集模块，采集模块可以对接收到的数字信号进行记录。

如背景技术所述，在工业生产中，塑料制品通常需要检测的项目是外观尺寸和产品内部缺陷，在本实施例中，将需要检测的塑料制品6置于底座2上，通过运动单元1的配合，移动极板4在塑料制品6表面的某一水平面内移动以进行扫描，作用相当于一个探头，当没有扫描到塑料制品的时候，平板电容器间的介质是空气，其介电常数为ε₀；一旦扫描到塑料产品，电容器极板间介质改变，其介电常数ε也发生改变，从而引起电容值的变化。

如果单纯考虑在塑料制品表面扫描的阶段，如果塑料制品内部结构均匀，则各个扫描位置的介电常数ε₁也应该一致，那么在扫描产品时，电容测量单元的输出信号值也将是一致的。但实际上，在对塑料制品注塑和挤塑过程中，经常由于控制不当或者其他不可控因素导致制品密度不均匀或者内部有气泡，而这些因素都将改变所在位置塑料制品的介电常数，当电容传感器扫描到缺陷所在位置时，其输出电容值也将发生变化，从而可以根据该变化探测出塑料制品材质分布是否均匀，内部是否无缺陷，还可以知道该缺陷的确切位置。

实施例2

基于实施例1所述的系统结构和理论基础，下面介绍采用本发明所述扫描检测系统对平板塑料制品的外观尺寸进行检查的方法：

(1)参见图4，将规则的塑料板6放置于底座2支承面的检测空位内；

(2)调整运动单元1在竖直方向的高度，使移动极板4的下表面贴近塑料板6的上表面，锁定该高度，使移动电极4只在一个确定的水平面上运动，在本实施例中，运动单元1的控制系统指令Z轴的步进电机调整Z轴行程使移动极板4下表面与塑料板6上表面之间的距离介于1-10mm，然后进一步微调至1-5mm之间的某固定值，锁定Z轴的行程；

(3)锁定X轴的行程，驱动Y轴带动Z轴移动，使移动极板4沿经过塑料板4的路径7-1进行线性扫描，在该过程中电容测量单元对移动极板4和底座2组成的平板电容器间的电容值进行检测并将电容值转化为数字信号输出，记录输出信号值与路径坐标的对应关系得到本次扫描的输出信号-行程曲线。

在以上过程中，电容器的电容值为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_1}{d}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{A}_2}{d};$ ②

其中：A₁为平板电容器相对面积中空气所占的面积，A₁∈[0，A]，

A₂为平板电容器间塑料所占的面积，A₁∈[0，A]，

A₁+A₂＝A，

ε₀为空气的介电常数，

ε₁为塑料的介电常数。

由于电容测量单元的信号转换模块中电容值和模拟信号的转化为一一映射关系，在本实施例及之后的实施例中做以下设定：

a、上述通用模拟信号为0-10V模拟电压，

b、通用模拟信号和电容值之间为线性关系；

则电容测量单元的输出信号值(数字电压信号)可以表示为：

V＝aC+b；             ③

其中：a为斜率，b为截距，对于特定的系统来说，a，b均为定值。

下面对系统在每个具体阶段电容值和电压值的变化做进一步说明：

(3-1)在扫描开始阶段，移动极板4尚未扫描到塑料板6(如A位置)，此时电容器的电容值为

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d};$

(3-2)当移动极板4扫描到塑料板6的边缘(B位置)，电容器极板之间的介质部分为空气，部分为高分子材料，电容器的电容值为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_1}{d}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{A}_2}{d},$

(3-3)当移动极板4全部覆盖塑料板6后，检测空间内的介质全部为高分子材料，电容器的电容值为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{1}A}{d},$

(3-4)当移动极板4从右边离开塑料板6，平板电容器的电容值变化与上述第3-2、3-3过程相反。

以上过程中电容测量单元的输出信号随电容器的电容值C的变化做出如下输出：

V＝aC+b。

(4)参见图6-1，根据输出信号(输出电压)-行程曲线上输出信号值随坐标的突变情况找到在该扫描路径7-1上移动极板4进入塑料板的临界位置B点的坐标u₁(y₁)和离开塑料板6的临界位置E点坐标值u₁(y₂)。

(5)根据上一步骤得到的临界坐标值计算塑料板6沿扫描路径7-1方向的尺寸：

ΔU＝|u₁-u₂|；      ④

在本实施例中，上式具体为：

ΔY＝|y₁-y₂|。

以上过程即完成塑料板6在扫描路径7-1上尺寸的测量，当然，也可以在步骤(2)锁定的高度平面上选择不同的扫描路径(如7-2、7-3)重复步骤(3)到步骤(5)的动作从而得到多组尺寸参数及输出电压-行程曲线，从而以对塑料板的尺寸有更全面的了解。

参见图5，图示为塑封有金属芯片8的塑料制品结构示意图，对于封装后的成品，其封装芯片8的位置是不可见的，根据以上扫描检测系统对平板塑料制品的尺寸进行检测的方法，得到对该塑封器件进行扫描的输出信号(输出电压)-行程曲线，参见图6-2，因为金属芯片8所在部分其介电常数比单纯塑料部分的大，芯片8位置的电容传感器输出值与其他位置的电容值将有显著不同，且对应地，系统输出信号(输出电压)相应变化，如图6-2中，F和G所示位置分别是移动极板扫描到金属芯片边缘的临界位置，则F和G两者对应横坐标y₃、y₄之间的部分即为金属芯片所在位置。

实施例3

在实际检测中，还碰到的另一个问题是检测产品内部的一致性，这种检测又分为检测同一产品不同部位的一致性或者不同批次生产的同类产品间的内部一致性。本发明所述电容式塑料制品扫描检测系统也提供了解决该问题的一种可行途径，该方法主要是通过对图6所述的输出信号-行程曲线的分析得到，具体来说，如果输出信号-行程曲线光滑，则说明塑料板的内部材质均匀，不存密度突变或内部气泡等缺陷；反之，如果输出信号有不规则的畸变导致输出信号-行程曲线发生突变，则说明该塑料板内部不均匀或存在气孔等缺陷，通过对横坐标的查询，可以直接看到缺陷存在的位置，下面具体介绍一种利用本发明所述电容式塑料制品扫描检测系统对塑料制品内部一致性进行检测的方法：

(1)将塑料板6放置于底座2上表面的检测空位内；

(2)调整运动单元1在竖直方向的高度，使移动极板4的下表面贴近塑料板6的上表面，锁定该高度，使移动极板只在一个确定的水平面上运动，在本实施例中，运动单元1的控制系统指令Z轴的步进电机调整Z轴行程使移动极板4下表面与塑料板6上表面之间的距离介于1-10mm，然后进一步微调至1-5mm之间的某固定值，锁定Z轴的行程。

(3)驱动运动单元1带动移动极板4对塑料板6沿路径7-1进行线性扫描，在该过程中电容测量单元对移动极板6和底座2组成的平板电容器间的电容值进行检测并将该电容值转化为数字信号输出，记录输出信号与路径坐标的对应关系得到本次扫描的输出信号-行程曲线Q₁。

在以上过程中，电容器的电容值为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{1}A}{d};$ ⑤

其中：ε₁为塑料的介电常数；

根据实施例2中对通用模拟信号和通用模拟信号与电容值间关系的设定，电容测量单元的输出信号可以表示为：

V＝aC+b；

其中：a为斜率，b为截距，对于特定的系统来说，a，b均为定值。

(4)参见图7，在输出信号-行程曲线Q₁上任意求取不同坐标位置y5和y6对应的输出信号值P1和P2，并根据上述输出信号值的差值ΔP₁判断塑料板在该扫描路径上内部是否一致；

(5)选择与图4所示扫描路径7-1平行的另一扫描路径(如路径7-2)重复扫描，得到本次扫描的输出信号(输出电压)-行程曲线Q₂；

(6)参见图8，在同一坐标系中比较以上两次扫描得到的输出信号(输出电压)-行程曲线Q₁和Q₂，求取同一坐标位置对应的输出信号值P3和P4，并根据上述输出信号值的差值ΔP₂判断塑料板在两条扫描路径上内部是否一致。

在以上过程中，由于本实施例中输出信号设定为输出电压，所以输出信号差值ΔP₁和ΔP₂可具体表示为ΔV₁和ΔV₂。

在实际操作中，对同一塑料制品沿不同路径进行扫描时前先预设一参考值，该参考值可以根据对一定数量标本的预检测来确定，在以上步骤(4)中，如果输出信号(输出电压)-行程曲线上p1和p2间的差值ΔV₁不大于参考值，则认为塑料制品在该检测路径方向的材质分布一致，否则认为塑料制品在这条检测路径方向的材质分布不能达到一致性的要求；

同上，对同一批次的塑料制品进行扫描时也预设一参考值，该参考值可以根据对一定数量标本的预检测确定，在步骤(6)对同一批次的不同塑料制品一致性判断过程中，如果输出信号(输出电压)-行程曲线上P3和P4间的差值ΔV₂不大于参考值，则认为不同塑料制品在检测路径方向的材质分布一致，否则认为塑料制品在两条检测路径方向的材质分布不能达到一致性的要求。

同理，对于不同批次生产的同类产品来说，如果其力学性能，材质分布等物理性质一致，那么其尺寸、密度分布等应该是一致的，相应地内部介电常数分布也应当一致，所以在以上步骤(5)中，也可以就同一扫描路径对不同批次的产品进行扫描从而得到多条输出信号-行程曲线，通过对这些曲线的异同比较就可以所检测产品其材质分布是否相同的结论，为确定其物理性能是否相同提供参考。

当然，应该明白，以上具体实施例所公布的内容仅为本发明的部分优选方案，凡是基于本发明的技术方案、符合本发明的技术精神，属于本领域技术人员无需进行创造性劳动即可得到的实施都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电容式塑料制品扫描检测系统，包括可定位于设定空间任意一点的运动单元、用于扫描检测的电容器和用于接收和转换信号的电容测量单元，其特征在于，所述运动单元的定位点设置有移动极板作为电容器的一个极，与移动极板相对的方向设置有用于放置塑料制品的底座作为电容器的另一极，两极之间设置有检测空位，所述移动极板和底座分别设置有与电容测量单元相连的导线，所述电容测量单元包括顺序连接的：

信号转换模块，用于连接电容器两极板引出的导线，并将电容转化为通用模拟量输出；

模数转换模块，用于将上述通用模拟量转化为数字信号；

采集模块，用于采集模数转换模块输出的数字信号。

2.如权利要求1所述的电容式塑料制品扫描检测系统，其特征在于，所述信号转换模块将电容器的电容值转化为通用模拟量的过程中，通用模拟量与电容值呈一一映射关系。

3.如权利要求2所述的电容式塑料制品扫描检测系统，其特征在于，所述信号转换模块将电容器的电容值转化为通用模拟量的过程中，通用模拟量与电容值呈线性关系。

4.如权利要求1所述的电容式塑料制品扫描检测系统，其特征在于，所述运动单元包括相互正交的三条运动轴和用于控制三条运动轴运动状态的控制系统。

5.如权利要求1所述的电容式塑料制品扫描检测系统，其特征在于，所述移动极板与运动单元之间设置有绝缘材料，所述底座的四周和底面设置有绝缘材料。

6.如权利要求1所述的电容式塑料制品扫描检测系统，其特征在于，所述移动极板的材质为金属导体。

7.如权利要求6所述的电容式塑料制品扫描检测系统，其特征在于，所述移动极板的材质为不锈钢。

8.如权利要求1所述的电容式塑料制品扫描检测系统，其特征在于，所述移动极板下表面与底座上表面相互平行。

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