CN102261887B - 一种检测塑料板规格尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用电容式传感器对塑料(高分子)板的规格尺寸进行检测的方法，该方法基于可驱动定位点至设定空间任意位置的运动单元及用于放置塑料制品的底座，通过在运动单元的定位点设置移动极板，从移动极板和底座上分别引出导线与电容器测量单元相连并由运动单元带动移动极板的方式实现了电容器对塑料板的扫描，通过对输出信号与运动坐标对应关系的记录，实现了对产品的规格尺寸的检测和对塑封芯片位置的探测；整个扫描过程可以由运动系统自动完成，在避免漏检、错检的同时节约了大量人力成本。

Description

一种检测塑料板规格尺寸的方法

技术领域

本发明涉及自动检测技术，更具体地，涉及一种利用电容器检测塑料板规格尺寸的方法。

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，由于其制造数量巨大，对于塑料制品的生产厂家来说，如何快速而有效地对塑料制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结果，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。

目前暂无利用电容式传感器专门对塑料制品的规格尺寸进行检测的设备或方法。

发明内容

本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种利用电容器检测塑料板规格尺寸的方法，该方法灵敏度和测量精确度都较高，检测过程由可由运动单元自动完成，节约了大量人力资源成本。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种检测塑料板规格尺寸的方法，基于可驱动定位点至设定空间任意位置的运动单元及用于放置塑料制品的底座，所述方法包括以下步骤：

1)在所述运动单元的定位点设置移动极板，在所述移动极板与运动单元之间、底座与相邻物之间分别设置绝缘材料，使移动极板和底座分别与周围空间相互电气隔离，形成一个电容器的两极，所述移动极板与底座上表面之间设置有检测空位；

2)分别从移动极板和底座引出一条导线与电容测量单元连接，所述电容测量单元内顺序连接有用于将电容转化为通用模拟量的信号转换模块、将通用模拟量转化为数字信号的模数转换模块和用于接收该数字信号的采集模块，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；

3)将塑料板放置于底座支承面的检测空位内；

4)调整运动单元在竖直方向的高度，使移动极板的下表面贴近塑料板的上表面，锁定该高度，使移动极板只在一个确定的水平面上运动；

5)驱动运动单元带动移动极板沿经过塑料板的路径进行线性扫描，在该过程中电容测量单元对移动极板和底座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；

6)根据输出信号-行程曲线上输出信号随坐标的突变情况找到该扫描路径上移动极板进入和离开塑料板的临界坐标值u₁,u₂；

7)根据上一步骤得到的临界坐标值计算塑料板沿扫描路径方向的尺寸，计算公式为：

ΔU=|u₁-u₂|。

为了实现定位点在空间任意一点定位，所述运动单元设置有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。

进一步地，所述移动极板的材质为金属导体。

再进一步地，所述移动极板的材质为不锈钢。

更进一步地，所述移动极板下表面与底座的上表面相互平行。

为了使电容器对电容值的采集达到较好的效果，所述步骤4)中，移动电极与塑料板上表面的间距调整后为1-10mm。

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式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，客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；在电容式传感器扫描过程中，通过对输出信号与运动坐标对应关系的记录，实现了对产品的规格尺寸的检测和对塑封芯片位置的探测；同时由于运动单元可以实现自动扫描，节约了大量人力成本。

附图说明

图1为本发明所述检测塑料板规格尺寸的方法的运动单元结构示意图。

图2为本发明所述检测塑料板规格尺寸的方法的电容传感器移动极板安装示意图。

图3为本发明所述检测塑料板规格尺寸的方法的电容测量单元功能示意图。

图4为本发明所述检测塑料板规格尺寸的方法的扫描过程示意图。

图5为本发明所述检测塑料板规格尺寸的方法的塑封芯片结构示意图。

图6为本发明所述检测塑料板规格尺寸的方法的输出信号-行程曲线。

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，本发明所述的检测塑料板规格尺寸的方法，基于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为两平板问的相对面积，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。

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 (6)

1.一种检测塑料板规格尺寸的方法，基于可驱动定位点至设定空间任意位置的运动单元及用于放置塑料制品的底座，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在所述运动单元的定位点设置移动极板，在所述移动极板与运动单元之间、底座与相邻物之间分别设置绝缘材料，使移动极板和底座分别与周围空间相互电气隔离，形成一个电容器的两极，所述移动极板与底座上表面之间设置有检测空位；

2)分别从移动极板和底座引出一条导线与电容测量单元连接，所述电容测量单元内顺序连接有用于将电容转化为通用模拟量的信号转换模块、将通用模拟量转化为数字信号的模数转换模块和用于接收该数字信号的采集模块，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；

3)将塑料板放置于底座支承面的检测空位内；

4)调整运动单元在竖直方向的高度，使移动极板的下表面贴近塑料板的上表面，锁定该高度，使移动极板只在一个确定的水平面上运动；

5)驱动运动单元带动移动极板沿经过塑料板的路径进行线性扫描，在该过程中电容测量单元对移动极板和底座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；

6)根据输出信号-行程曲线上输出信号随坐标的突变情况找到该扫描路径上移动极板进入和离开塑料板的临界坐标值u₁,u₂；

7)根据上一步骤得到的临界坐标值计算塑料板沿扫描路径方向的尺寸，计算公式为：

ΔU=|u₁-u₂|。

2.如权利要求1所述的检测塑料板规格尺寸的方法，其特征在于，所述运动单元设置有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。

3.如权利要求1所述的检测塑料板规格尺寸的方法，其特征在于，所述移动极板的材质为金属导体。

4.如权利要求3所述的检测塑料板规格尺寸的方法，其特征在于，所述移动极板的材质为不锈钢。

5.如权利要求1所述的检测塑料板规格尺寸的方法，其特征在于，所述移动极板下表面与底座的上表面相互平行。

6.如权利要求1所述的检测塑料板规格尺寸的方法，其特征在于，所述步骤4)中，移动极板下表面与塑料板上表面的间距为1-10mm。

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