CN102878926A - 一种基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，包括红外发射装置、红外接收装置及辅助校准装置，其中红外发射装置和红外接收装置分别固定在传输中的带材边沿两端，红外发射装置和红外接收装置的固定位置相互对应，辅助校准装置则位于红外发射装置和红外接收装置的两侧。由于本发明引入了红外校准装置，使得安装过程简单易行、校准简便直观，大大减少了安装校准的工作量和工作强度；引入了差分阵列的思想，使得可以以较低的成本，大大提高了系统的测量分辨率、响应速度和灵敏度；在红外发射装置中设计了基于复合频率的脉冲驱动单元，在红外接收装置中引入了自动增益控制单元AGC，这大大提高了本发明的鲁棒性、可靠性、稳定性、精度、灵敏度和抗干扰能力，实现了零漂移。

Description

一种基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置

技术领域

本发明属于自动控制领域中检测传感器技术，是一种适用于金属箔带，冷轧带钢，纸带等各类带材生产线中的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置。

背景技术

随着国民经济的不断发展，尤其是制造业和房地产行业规模的不断扩大，我国钢材的需求量一直呈现上升趋势。传统的钢铁生产加工线运作速度慢，效率低且故障率高，因而钢铁生产加工线的自动化和规模化正不断提高。

在现有冷轧带钢机组中的镀锌线、镀锡线、酸洗线等各类带材生产线中，由于机组具有长度长、数量多、运转速度高等特点，以及带材自身的不平整性，使得带材在生产过程中很容易出现横向左右摆动跑偏和纵向上下颠簸起伏跳跃的现象。

跑偏不仅会影响带材的加工精度与质量，导致带材无法卷齐，还会使得带材边缘碰撞折边，甚至损坏整卷带材。而且由于生产线具有较高的线速度，更严重的跑偏事故还会导致带材在生产过程中与机组设备发生碰撞，而造成设备损坏、断带、停产等严重后果。为解决带材跑偏控制这一问题，国内外许多单位都进行了研究，在各类带材生产线上，研制了中线位置控制系统，其所使用的传输偏移检测方法主要有以下几种类型：

1)基于高频日光灯管和受光器组成的偏移检测方法，这类方法基于高频日光灯管，价格相对便宜，但由于高频日光灯管的污染大、寿命低、故障率高，因灯源故障而导致的生产停车事故，尤其是对镀锌线、镀锡线而言，其损失是很大的。另一方面，既然使用的是可见的日光，就要受到环境光线的影响。无论是白天还是晚上，只要有一束阳光或者光线都会严重影响到带材偏移的控制效果，使得其灵敏度较低。此外，由于这类方法使用高频日光灯管作为灯源，而日光灯管损坏后会释放大量的汞，其处理手段复杂，成本很高，环境污染风险极大。据报道，一只普通的日光灯管含有汞高达23毫克，会污染约8000吨水和2400立方米的空气；荧光灯灯管通常使用铅玻璃，铅玻璃中的氧化铅会在各种自然环境下慢慢被置换析出。因此，即使对日光灯管采用填埋或焚烧的方式，这些污染物最终都会以各种形式破坏人类的生存环境，严重危害到人类健康。

2)基于霍尔磁感应技术的偏移检测方法，这类方法基于霍尔磁感应技术，有效地避免了前一方案的寿命低、受环境影响大、灵敏度低等缺点，但由于霍尔磁感应技术本身具有测量范围小、能耗大、价格昂贵的缺点，因此导致基于这类方法的检测传感器在实际使用中，不仅具有量程短、能耗大、价格昂贵等缺点，而且还会因为其测量范围小，导致在垂直方向上，检测传感器与带材之间的间距过小，容易发生碰撞，进而使得传感器检测单元的核心器件出现损坏，需要频繁的进行检查和更换，这不仅提高了其运行成本，同样也影响了其在带材偏移控制中的广泛应用。

3)基于激光技术的偏移检测方法，这类方法基于激光技术，具有工作间距较大，灵敏度较高，能耗较低、环境污染小等优点，但这类方法适用范围很窄，对待检测的带材的厚度要求很高，需要严格控制在2-4毫米之间，否则无法正常工作，这使得该方法无法应用于很多薄板材的加工工序。此外，这类方法还有量程较短、价格昂贵、稳定性较差，安装维护困难等缺点，无法满足带材偏移检测的要求，因此也没有得到广泛的应用。

为解决这些问题，专利号为ZL200610124524.7、发明名称为《带材传输偏移检测传感器》的发明专利公开了一种基于红外线的带材传输偏移检测传感器，该传感器有效解决了上述两类传感器所存在的污染大、寿命低、受环境影响大、能耗大、价格昂贵等缺点，但其却具有安装校准困难，精度较低，稳定性不高，漂移现象严重、灵敏度受发送器与接收器之间的距离影响较大等缺点，同样影响了其在带材偏移控制中的应用效果。

针对现有技术所存在的问题，本发明提出了一种基于阵列红外技术的新型高灵敏度带材偏移检测方法及其装置。它具有安装简单，校准简便、灵敏度高、抗干扰性强、稳定可靠、零漂移、能耗极低、价格低廉、故障率低、无污染，量程和工作间距大，不受环境影响等优势，较好地解决了现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有安装简单，校准简便、灵敏度高、抗干扰性强、稳定可靠、零漂移、能耗极低、价格低廉、故障率低、无污染，量程和工作间距大，不受环境影响的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明的所采用的技术方案是：

一种基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，包括红外发射装置、红外接收装置及辅助校准装置，其中红外发射装置和红外接收装置分别固定在传输中的带材边沿两端，红外发射装置和红外接收装置的固定位置相互对应，辅助校准装置则位于红外发射装置和红外接收装置的两侧，用于校准红外发射装置和红外接收装置安装位置是否正确，

红外发射装置：包括电源单元、脉冲发生单元、变频脉冲驱动单元、红外发射单元以及光学处理单元，其特点是，由脉冲发生单元产生一个500-800Hz的低频载波信号和一个20-60KHz的高频脉冲信号，并通过变频脉冲驱动单元，将高频脉冲信号于低频载波信号进行复合处理，从而得到一种具有高抗干扰和高可靠性能力的可变频率的变频复合脉冲信号，并将该脉冲信号输送到红外发射单元，通过光学处理单元进行处理，将所产生的红外光信号变成平行红外脉冲光信号后进行发射，其中，红外发射单元是由至少两个以上的红外发射管按串并联方式联接构成；

红外接收装置：包括电源单元、阵列红外接收单元、自动增益控制单元AGC以及信号整形放大输出单元，其特点是，阵列红外接收单元由多个红外接收管按差分方式，以阵列形式排列构成，负责接收由红外发射装置所发射的平行红外脉冲光信号，自动增益控制单元AGC则负责对由红外接收单元所接收到的红外脉冲信号进行增益控制，使得当红外接收装置与红外发射装置之间的距离较远，信号较弱时，能对信号自动进行增益补偿，提高系统的灵敏度；而当红外接收装置与红外发射装置之间的距离较近，信号较强时，能对信号自动进行增益消减，避免信号因放大过强而导致失真，提高了系统的灵敏度。信号整形放大输出单元则对由自动增益控制单元AGC处理过的信号进行整形和放大，将所接收到的脉冲信号经过处理后按中线位置控制系统的要求进行输出；

辅助校准装置：包括校准信号发射模块和校准信号接收模块，其中，校准信号发射模块包括电源单元、校准信号产生单元以及校准信号发射单元，而校准信号接收模块则包括校准信号接收单元和显示输出单元，所述辅助校准装置分别位于红外发射装置和红外接收装置的两侧，用于校准红外发射装置和红外接收装置的安装位置是否正确，校准信号产生单元负责产生一个特殊的脉冲信号，而校准信号发射单元由一个或多个信号发射管按串并联方式联接构成，负责发射校准用脉冲信号，而校准信号接收单元则由一个或多个信号接收管并联构成，当系统上电后，校准信号发射单元自动发射校准脉冲信号，校准信号接收单元接收到校准脉冲信号后，驱动显示输出单元不断输出校准成功的信息，否则，如果校准信号接收单元接收不到校准脉冲信号，则显示输出单元不断输出校准失败的信息；

所述红外接收装置及辅助校准装置校准信号接收模块的表面均开有多个与接收管个数相应的孔，所有接收管均分别置于孔内，这使得本发明所描述的带材传输偏移检测方法及其装置不会受到环境光线的影响。其次，由于本发明引入了红外校准装置，使得安装过程简单易行、校准简便直观，大大减少了安装校准的工作量和工作强度。此外，本发明采用数字技术，引入了差分阵列的思想，使得可以以较低的成本，大大提高了系统的测量分辨率、响应速度和灵敏度。另一方面，本发明在红外发射装置中设计了基于复合频率的脉冲驱动单元，在红外接收装置中引入了自动增益控制单元AGC，这大大提高了本发明的鲁棒性、可靠性、稳定性、精度、灵敏度和抗干扰能力，实现了零漂移，系统输出的灵敏度和精度与红外发射装置与红外接收装置之间的距离无关等优点。

由于本发明全部采用电子元器件构成，因此本发明还具有成本低、能耗小、结构简单、体积小、重量轻、使用方便、节能环保等优势，较好地解决了现有技术所存在的问题。

本发明不仅用在带材生产线的带式传输中线位置控制系统中，还同样适用于造纸厂的纸带、织布厂的布匹、塑料厂的塑料膜生产、带式输送机等带式传输系统的传输位置偏移的检测控制系统中。

附图说明：

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明实施例的安装固定方式示意图。

图3为本发明实施例的红外发射装置光学处理单元结构图。

图4为本发明实施例的红外发射装置及辅助校准装置的信号发射模块的电路原理图。

图5 为本发明实施例的红外接收装置的电路原理图。

图6 为本发明实施例红外接收装置中的阵列红外接收单元物理结构图。

图7 为本发明实施例的辅助校准装置红外校准接收模块原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

由图1可知，本发明包括红外发射装置、红外接收装置及辅助校准装置三个组成部分。由图2可知，本发明实施例的辅助校准装置包括红外校准信号发射模块7和红外校准信号接收模块8两部分，其中，辅助校准装置的红外校准发射单元7与红外发射装置3处于同一个物理水平面上，而辅助校准装置的红外校准接收单元8与红外接收装置2也处于同一个物理装置水平面上。它们之间的相互关系及固定方式如图2所示。

由图2可知，红外接收装置2和红外发射装置3分别固定在传输中的运动带材1边沿的上下两端。其中，红外接收装置2和红外发射装置3外壳均为长方体，相对一侧各开有窗口，窗口上安装有保护镜6。红外接收装置2内安装有红外接收管阵列及信号处理电路板4。红外发射装置3内安装有红外发射电路5。图2中的实箭头为红外发射装置3向红外接收装置2投射的平行红外光。图2中的虚箭头为红外校准发射单元7向红外校准接收单元8发射的辅助校准信号。图2中的虚线表示的是被运动带材1遮住的红外检测信号。

如图3所示，本发明实施例的红外发射装置光学处理单元将经由12个红外发光管所组成的红外发射单元所产生的红外光信号，通过凸透镜折射形成了平行红外脉冲光信号。图3中的凹槽由不透红外光的条状塑料11制成，表面开有12个孔，作为孔径光阑控制红外发光管的有效光束范围，一方面减少了红外发射管之间的干扰，另一方面避免了反射光对平行光源的影响。凸透镜10采用田径跑道式的透镜，通过对结构的优化，一方面满足了长距离的平行光的需要，另一方面克服了普通圆形透镜造成的平行光盲区的影响，并且具有安装简便的特点。红外发射装置工作过程中，12个红外发射二极管9作为点光源，通过凹槽的孔径光阑约束，发出一定宽度范围的红外光束，经凹透镜10的折射，形成长条形平行光。

为了降低成本，共用相同的电路，本发明实施例将红外发射装置及辅助校准装置的信号发射模块设计在一起。图4中展示了复合后的红外发射装置及辅助校准装置的信号发射模块电路原理图。由图4可知，该电路包括了电源单元、脉冲发生单元、变频脉冲驱动单元和红外发射单元等四个部分。其中，红外发射单元由12个串联的红外发射管RD1-RD12同3个串联的红外发射管LED1-LED3并联构成。RD1-RD12的作用是提供作为检测信号的红外光信号，LED1-LED3处于与红外接收装置相对一侧平面矩形外侧的三个顶点上，其作用是提供作为辅助校准信号的红外光信号。脉冲发生单元由2块NE555芯片和少量外围电路构成，产生一个500-800Hz的低频载波信号和一个20-60KHz的高频脉冲信号。脉冲发生单元的输出端同变频脉冲驱动单元相连，通过变频脉冲驱动单元，将高频脉冲信号于低频载波信号进行复合和放大处理，从而得到一种具有高抗干扰和高可靠性能力的可变频率的变频复合脉冲信号，实现对红外发射电路的调制。变频脉冲驱动单元的集电极同红外发射单元发射电路的负端相连，驱动红外发射单元产生红外光信号。

如图5所示，本发明实施例的红外接收装置由电源单元、阵列红外接收单元、自动增益控制单元AGC、信号整形放大输出单元构成。其中，阵列红外接收单元是由256个红外接收管以8行32列的矩阵形式排列而成，负责接收由红外发射装置所发射的平行红外脉冲光信号，其物理结构如图6所示。由图6可知，在本发明实施例的阵列红外接收单元中，同一列中各红外接收管又以等间距沿着正方向错位排列，在行方向上，各红外接收管的感光中心间距为0.125cm，而在列方向上，各红外接收管的感光中心间距为3.0cm，从而形成了一种特殊的差分排列形式。此外，红外接收装置表面还开有多个与红外接收管个数相应的孔，所有接收管均分别置于孔内，使得本发明实施例不会受到环境光线的影响。

由图5可知，每一个红外接收管的输出端均与自动增益控制单元AGC连接，其功能是对由红外接收单元所接收到的红外脉冲信号进行增益控制，使得当红外接收装置与红外发射装置之间的距离较远，信号较弱时，能对信号自动进行增益补偿，提高系统的灵敏度；而当红外接收装置与红外发射装置之间的距离较近，信号较强时，能对信号自动进行增益消减，避免信号因放大过强而导致失真，提高了系统的灵敏度、鲁棒性、可靠性和抗干扰能力，使得系统输出的灵敏度和精度与红外发射装置与红外接收装置之间的距离无关。

由图5可知，信号整形放大输出单元由带外围附属电路的单片机MCU、数模转换芯片DAC构成，它采用并行工作模式，按行/列的方式，对阵列红外接收单元中的红外接收管的导通与否的工作状态进行逐行/列扫描，并对扫描结果进行运算处理，将运算的结果，亦即带材的偏移量，送入数模转换芯片DAC，按中线位置控制系统的要求输出相应的模拟控制信号。

由红外接收管的光电特性可知，在本发明的实施例中，由于本发明仅仅对红外接收管的导通与否的工作状态进行扫描，并采用数字化方式进行处理，因此，它具有响应速度快、灵敏度高、精度高、测量分辨率高、线性度好、零漂移的特点。

由图7可知，辅助校准装置的红外校准接收模块由电源单元、红外接收单元、自动增益控制单元AGC、信号整形放大输出单元和校准状态显示单元构成。其中，红外接收单元由三个红外接收管VD1-VD3组成，用于接收由辅助校准装置红外校准发射模块所发射的辅助校准信号。在辅助校准装置的红外校准接收模块的表面开有3个与辅助校准装置红外校准发射模块中红外发射管位置相对应的孔，红外接收管VD1-VD3被分别置于孔内，其目的是隔绝环境光线的影响。VD1-VD3均与自动增益控制单元AGC连接，经由运算放大器构成的信号整形放大输出单元，对由自动增益控制单元AGC处理过的辅助校准信号进行整形放大，将结果输出到由发光二极管构成的校准状态显示单元进行显示输出。实际使用中，当红外发射装置所在的物理水平面与和红外接收装置所在的物理水平面之间处于相互平行的位置时，校准状态显示单元中的所有发光二极管均会点亮，表示校准成功。

由于红外接收管的光电特性，当无光照时，电路中只有很小的反向饱和漏电流，此时相当于截止状态;当有光照射时，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，相当于导通状态。换句话说，当红外光照射到接收管时，红外接收管相当于一个导通的开关，而当其没有接收到红外光时，相当于一个断开的开关。接收到红外光照的管子导通，相当于开关被按下；没有接收到红外光照的管子没有导通，相当于开关没有被按下。当传输线上的带钢发生偏移时，偏移出传输带的部分会遮盖从发射电路照射下来的红外光，而下方相应红外接收管就会处于红外的阴影区，管子由开启状态转变为关闭状态。当偏移量发生改变的时，红外阴影区也会随之发生变化，所覆盖的接收管也会发生相应的变化。因此，可以通过检测接收管阵列的状态来获得带钢的偏移量，处理并输出一个反应偏移量的模拟量。由于扫描检测的是接收管的开闭状态，因此本装置又具有响应速度快、灵敏度高的特点。

本发明在使用时安装好两个红外接收装置和红外发射装置后，首先通过校准装置进行校准，不断调整红外接收装置和发射装置之间的位置和夹角，使得校准装置中的指示灯点亮，此时二者所在平面即处在相互平行的位置。

在本发明的输出端连接控制装置后，控制装置就能够完成对带材传输过程中发生偏移事件后进行有效地控制。

很明显，本发明并不局限于上述实施例，而是可以在不脱离发明范围和思想的情况下进行变化和修改，故该实施例不应理解为对本发明的限制。

本说明书未作详细描述的内容，属于本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，包括红外发射装置、红外接收装置及辅助校准装置，其中红外发射装置和红外接收装置分别固定在传输中的带材边沿两端，红外发射装置和红外接收装置的固定位置相互对应，辅助校准装置则位于红外发射装置和红外接收装置的两侧。

2.如权利要求1所述的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，其特征在于：所述

红外发射装置：包括电源单元、脉冲发生单元、变频脉冲驱动单元、红外发射单元以及光学处理单元，所述红外发射装置由脉冲发生单元产生一个500-800Hz的低频载波信号和一个20-60KHz的高频脉冲信号，并通过变频脉冲驱动单元，将高频脉冲信号于低频载波信号进行复合处理，从而得到一种可变频率的变频复合脉冲信号，并将该脉冲信号输送到红外发射单元，通过光学处理单元进行处理，将所产生的红外光信号变成平行红外脉冲光信号后进行发射，其中，红外发射单元是由至少两个以上的红外发射管按串并联方式联接构成；

红外接收装置：包括电源单元、阵列红外接收单元、自动增益控制单元AGC以及信号整形放大输出单元，所述红外接收装置阵列红外接收单元由多个红外接收管按差分方式，以阵列形式排列构成，负责接收由红外发射装置所发射的平行红外脉冲光信号，自动增益控制单元AGC则负责对由红外接收单元所接收到的红外脉冲信号进行增益控制，使得信号较弱时，能对信号自动进行增益补偿，提高系统的灵敏度；信号较强时，能对信号自动进行增益消减，避免信号因放大过强而导致失真，提高了系统的灵敏度；信号整形放大输出单元则对由 自动增益控制单元AGC处理过的信号进行整形和放大，将所接收到的脉冲信号经过处理后按中线位置控制系统的要求进行输出；

辅助校准装置：包括校准信号发射模块和校准信号接收模块，其中，校准信号发射模块包括电源单元、校准信号产生单元以及校准信号发射单元，而校准信号接收模块则包括校准信号接收单元和显示输出单元，所述辅助校准装置分别位于红外发射装置和红外接收装置的两侧，用于校准红外发射装置和红外接收装置的安装位置是否正确，校准信号产生单元负责产生一个脉冲信号，而校准信号发射单元由一个或多个信号发射管按串并联方式联接构成，负责发射校准用脉冲信号，而校准信号接收单元则由一个或多个信号接收管并联构成，当系统上电后，校准信号发射单元自动发射校准脉冲信号，校准信号接收单元接收到校准脉冲信号后，驱动显示输出单元不断输出校准成功的信息，否则，如果校准信号接收单元接收不到校准脉冲信号，则显示输出单元不断输出校准失败的信息。

3.如权利要求1或2所述的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，其特征在于：所述红外接收装置及辅助校准装置校准信号接收模块的表面均开有多个与接收管个数相应的孔，所有接收管均分别置于孔内。

4.如权利要求2所述的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，其特征在于：所述红外接收装置和红外发射装置外壳均为长方体，相对一侧各开有窗口，窗口上安装有保护镜，红外接收装置内安装有红外接收管阵列及信号处理电路板，红外发射装置内安装有红外发射电路。

5.如权利要求2或4所述的基于阵列红外技术的高灵敏度带材 偏移检测装置，其特征在于：所述红外发射装置中的红外发射装置光学处理单元将经由12个红外发光管所组成的红外发射单元所产生的红外光信号，通过凸透镜折射形成了平行红外脉冲光信号，12个红外发光管设置在所述长方体的一个凹槽中，所述凹槽由不透红外光的条状塑料制成，表面开有12个孔，作为孔径光阑控制红外发光管的有效光束范围，所述凸透镜采用田径跑道式的透镜，红外发射装置工作过程中，12个红外发射二极管作为点光源，通过凹槽的孔径光阑约束，发出红外光束，经凹透镜的折射，形成长条形平行光。

6.如权利要求2所述的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，其特征在于：所述红外发射装置及辅助校准装置的信号发射模块设置在一起，所述信号发射模块包括电源单元、脉冲发生单元、变频脉冲驱动单元和红外发射单元四个部分，其中，红外发射单元由12个串联的红外发射管RD1-RD12同3个串联的红外发射管LED1-LED3并联构成，红外发射管RD1-RD12的作用是提供作为检测信号的红外光信号，红外发射管LED1-LED3处于与红外接收装置相对一侧平面矩形外侧的三个顶点上，其作用是提供作为辅助校准信号的红外光信号，所述脉冲发生单元由2块NE555芯片和少量外围电路构成，所述脉冲发生单元产生一个500-800Hz的低频载波信号和一个20-60KHz的高频脉冲信号，所述脉冲发生单元的输出端同变频脉冲驱动单元相连，通过变频脉冲驱动单元，将高频脉冲信号于低频载波信号进行复合和放大处理，从而得到一种可变频率的变频复合脉冲信号，实现对红外发射电路的调制，所述变频脉冲驱动单元的集电极同 红外发射单元发射电路的负端相连，驱动红外发射单元产生红外光信号。

7.如权利要求2所述的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，其特征在于：所述阵列红外接收单元是由256个红外接收管以8行32列的矩阵形式排列而成，其中，同一列中各红外接收管以等间距沿着正方向错位排列，在行方向上，各红外接收管的感光中心间距为0.125cm，在列方向上，各红外接收管的感光中心间距为3.0cm，红外接收装置表面还开有多个与红外接收管个数相应的孔，所有接收管均分别置于孔内。

8.如权利要求2所述的基于阵列红外技术的高灵敏度带材偏移检测装置，其特征在于：所述辅助校准装置的红外校准接收模块中红外接收单元由三个红外接收管VD1-VD3组成，用于接收由辅助校准装置红外校准发射模块所发射的辅助校准信号，在辅助校准装置的红外校准接收模块的表面开有3个与辅助校准装置红外校准发射模块中红外发射管位置相对应的孔，红外接收管VD1-VD3被分别置于孔内，红外接收管VD1-VD3均与自动增益控制单元AGC连接，经由运算放大器构成的信号整形放大输出单元，对由自动增益控制单元AGC处理过的辅助校准信号进行整形放大，将结果输出到由发光二极管构成的校准状态显示单元进行显示输出。 

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