CN103130005B - 一种基于红外光的带材自动对中检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外光的带材自动对中检测方法，具体过程是：步骤1、信息采集：当带材在红外发射管和红外接收管之间发生横向偏差移动时，就会对相关的红外发射管发出的信号进行了遮挡，这些红外接收管将该变化的信息通过通信方式传输给单片机；步骤2、信息处理：单片机收到红外接收管的状态信号变化情况，根据所有红外发射管和红外接收管的位置参数所建立的直角坐标系，得到所有红外发射管的发射光线方程、以及带材所在位置方程，经过运算得到带材的边缘位置参数，通过比较，判断带材是否偏离预先设定的传输中心线，同时将位置纠偏量发送到纠偏执行机构实现对中。本发明方法，检测范围大，稳定性好，抗干扰能力强。

Description

一种基于红外光的带材自动对中检测方法

技术领域

本发明属于自动化检测技术领域，使用红外光检测非接触不透光带材的边缘位移，具体涉及一种基于红外光的带材自动对中检测方法。

背景技术

随着加工工业的发展，不仅对金属带材的需求量越来越大，同时也对金属带材提出了更高的要求，即化学成分、机械性能、尺寸公差、外观形状都控制在很窄的范围内，只有这样的带材才能保证生产过程的稳定、材料消耗最少、成品率最高、加工成本低。在印刷、造纸、涂布、塑膜、轧钢等行业带状物品的卷取、放卷过程中，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都不同程度地存在着跑偏问题，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，对产品的质量、生产效率及生产过程的稳定性都有很大的影响，因此生产线上均需安装对中控制系统。实现带材对中控制的前提是对中传感器能够采集正确的信息，如果对中传感器不能正确采集信息或者精度不够高，则控制系统就不能给出高精度的控制，就会产生误动作，导致带材跑偏或者其它生产事故。

现在市场上常用的对中传感器种类很多，大体分为三类：电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器。

电容式传感器基本原理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：a.变面积式（改变s），b.变间隙式（改变d），c.变介电常数（改变ξ）。电容式传感器安装要求较高，传感器的输出信号较弱，检测精度较低，仅适用于金属等带材生产。

电感式传感器基本原理是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。电感式传感器能够使用于恶劣环境中，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。

光电式传感器主要应用光电效应原理将光信号转换为电信号输出。传感器测量范围大，成本低，使用范围广，可用于单边和双边检测，光电式传感器为非接触检测，应用范围比较广。

目前市场上出现许多光电式对中纠偏检测系统，这些检测系统均采用平行光的原理进行检测，主要有三种方式：1）利用单个感光器件作为检测元件，如光敏二极管、硅光电池等；缺点是检测范围较小，对于不同宽度的带材检测，需要移动传感器的安装位置。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体积小、抗电磁干扰强精度高，但是成本也比较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外光的带材自动对中检测方法，解决了现有的检测方法都采用平行光的原理进行检测，检测精度不够高，检测范围有限，局限性较大的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于红外光的带材自动对中检测方法，依赖一种检测装置，具体过程是：

步骤1、信息采集：当带材在红外发射管和红外接收管之间发生横向偏差移动时，就会对相关的红外发射管发出的信号进行了遮挡，对应的红外接收管接收到的信号会发生变化，这些红外接收管将该变化的信息通过通信方式传输给单片机；

步骤2、信息处理：单片机收到红外接收管的状态信号变化情况，根据所有红外发射管和红外接收管的位置参数所建立的直角坐标系，得到所有红外发射管的发射光线方程、以及带材所在位置方程，联立方程组求交点坐标，经过运算得到带材的边缘位置参数，通过与对中状态时的位置信号的比较，判断带材是否偏离预先设定的传输中心线，同时单片机将带材的位置纠偏量发送到纠偏执行机构，使得带材传输方向得到及时纠偏，实现对中。

本发明的有益效果是：采用散射光进行检测，在保证检测精度的条件下，也增大了检测的范围；对于不同宽度的带材检测时不需要移动检测装置的位置，不受带材和检测传感器之间横向距离变化的影响，检测精度高，结构简单，稳定性好，易于调试。此带材自动对中检测装置还可以扩展成为带材边缘检测装置，只检测带材的单边位置，仍可以很好的检测带材的整体位置，使其卷曲整齐。

附图说明

图1是本发明检测方法所依赖的检测装置的结构示意图；

图2是本发明检测方法实施例的安装位置示意图；

图3是本发明检测方法的运算原理示意图；

图4是本发明检测方法的系统误差仿真图；

图5是本发明检测方法的带材处于特定位置的系统误差仿真图。

图中，1.传感器组一，2.传感器组二，3.单片机，4.纠偏执行机构，5.带材，6.安装槽架，7.绝缘柱。

具体实施方式

本发明的检测方法与现在市场上传感器检测方法不同，所述的检查精度、检查范围和距离涵义解释如下：

检测精度：建立如图3所示的坐标系，能够得知所有发光管的发射光线方程，并与带材所在位置方程的交点坐标，所有交点坐标中，相邻的坐标之差最大值为系统的检测误差，即检测精度。带材位置发生变化时，交点坐标都会变化，检测精度会随着带材位置的不同而发生变化。

检测范围：检测装置能检测出的带材位置发生变化时的最大范围。

检测距离：检测装置光电对射管之间的间距，即带材能够在对射管之间上下移动的距离。

如图1所示，本发明基于红外光的带材自动对中检测方法，所依赖的检测装置的结构是，沿带材走向的左右两侧边缘分别设置有传感器组一1和传感器组二2，传感器组一1和传感器组二2均包括发射端和接收端，每组发射端设置有多组红外发射管，每组接收端设置有多组对应的红外接收管，传感器组一1和传感器组二2同时与单片机3（或带材对中CPC控制器）连接，单片机3与带材5的传输线上的纠偏执行机构4连接。

如图2所示，实际安装时，传感器组一1和传感器组二2分别通过绝缘柱7与上方的安装槽架6连接。传感器组一1和传感器组二2还可以是通过其他的支架进行固定安装。

本发明基于红外光的带材自动对中检测方法，利用上述的检测装置，按照以下步骤实施：

步骤1、信息采集：所有的红外发射管依次发出红外散射光线信号，实施例发射出38KHz红外载波，所有的红外接收管一直处于接收状态，当带材5在红外发射管和红外接收管之间发生横向偏差移动时，就会对相关的红外发射管发出的信号进行了遮挡，对应的红外接收管接收到的信号会发生变化，这些红外接收管将该变化的信息通过通信方式传输给单片机；

步骤2、信息处理：单片机收到红外接收管的状态信号变化情况，根据所有红外发射管和红外接收管的位置参数所建立的直角坐标系，得到所有红外发射管的发射光线方程、以及带材5所在位置方程，联立方程组求交点坐标，经过运算得到带材5的边缘位置参数，通过与对中状态时的位置信号的比较，判断带材5是否偏离预先设定的传输中心线，同时单片机3将带材5的位置纠偏量发送到纠偏执行机构4，使得带材5传输方向得到及时纠偏，实现对中。

参照图3，是本发明检测方法的坐标计算原理图，设置以下参数：红外发射管和红外接收管的个数均为N，A1,A2,A3…Aj分别为各个红外发射管位置，B1,B2,B3…Bi分别为相应的各个红外接收管位置，红外发射管和红外接收管之间的安装距离为H，相邻红外接收管之间的安装距离为L，红外发射管之间的安装距离也为L，带材处于连线r所在位置，设定带材位置r时，r值纵向高低任意可变，中线f（红外发射管和红外接收管中间位置连线）与r线之间的距离为h，一个红外发射管发射后能接收到的红外接收管的个数为n，检测精度为Δx，即带材位置与发射光线相邻交点坐标差，具体计算过程是：

步骤1、选定直线的确定方式处于点斜式：

y-y₀＝k(x-x₀)，    （1）

步骤2、建立坐标系：以B1为零点，即B1坐标为（0，0），则A1坐标为（0，H），以此类推，则所有点坐标为：

A1(0,H)、A2(L,H)、A3(2L,H)、A4(3L,H)、A5(4L,H)…Aj((j-1)L,H),其中的j＝0,1,2,3……N；

B1(0,0)、B2(L,0)、B3(2L,0)、B4(3L,0)、B5(4L,0)……Bi((i-1)L,0),其中的i=0,1,2,3……N；

坐标系中的直线斜率为k，以A4为例，则斜率为：

$k_{A4B1}=\frac{2H}{(n-1)L},k_{A4B2}=\frac{2H}{(n-3)L}$ ，    （2）

$k_{A4B3}=\frac{2H}{(n-5)L},k_{A4B4}=\frac{2H}{(n-7)L}$

由此规律得到： $k_{A4\mathrm{Bm}}=\frac{2H}{[n-(2m-1)]L},---\left(3\right)$

其中的m=1,2,3,4……n；

根据点斜式方程能够得到A4的发射光直线方程式为：

$x_{A4}=\frac{y[\frac{n}{2}-\frac{(m-1)}{2}]L}{H}+(m-1)L,---\left(4\right)$

在图3的坐标系中，以A4为基准的直线方程组x_A4向左右平移间距L,2L,3L…，能够得到所有红外发射管的发射光线方程x_All，在两侧去除不能接收到光的直线，即所有直线方程中变量x<0和x>500的部分，就能够得到所有有效的光线的直线方程组，实施例系统方程中设定N=43，n=21，L=9.5，H=500，则所有红外发射管发射出光线直线方程和带材位置的直线方程是：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{All}}=\frac{y(\frac{n-1}{2}-m)L}{H}+(\frac{1-n}{2}+m)L+\mathrm{wL}\\ y=\frac{H}{2}-h\end{array}\right.$

w=0,1,2......(N-1)，    （5）

m＝1,2,3,4......n

其中的w是平移的次数，m是一个发光二极管发射时对红外接收管接受的全部直线方程个数，y是带材所在位置直线方程，参数h影响带材所在位置，能够任意变化，当带材位置固定住之后h也随之固定，解方程组（5）就能够得到x和y的交点坐标，相邻交点坐标之差为检测装置的误差。

因为红外发射管的光线是散射光，所以带材在不同的位置误差是不相等的。带材置于检测装置中，部分光线挡住，部分未挡住，根据分析计算出未挡住光线的方程中，最靠近带材位置的交点坐标即为带材的位置量。系统上电后首先确定带材位置初始位置，开始工作后不间断的进行测量，当发生带材偏移时，根据红外接收管的接收信息能够计算出新的带材位置，此时读出的位置和初始位置进行比较，就能够确定带材位置的变化量（纠偏量）。

检测装置中由于红外发射管的特性会有差异，造成每个红外发射管的发射张角不同，因此在计算带材位置时，通过软件算法忽略发射光线边缘不稳定信号，在计算时限定一个红外发射管的发射光线能够接收到的个数，这样能够更准确的得到带材位置。

如图4所示，带材处于中线f的任意位置，横坐标的取值范围为0-250mm，纵坐标表示带材的检测精度，从图4中能够看出，带材的检测精度波动变化，不是均匀变化的，因为相邻交点之差决定带材的检测精度。经过仿真分析得到不同位置下的检测精度，其中带材在13mm处时检测的效果最好，检测精度为0.5mm。

如图5所示，带材在距离中线f的13mm处，即h=13，横向移动带材，得到不同位置检测精度图，因为在整个检测装置中，两侧为无效检测区域，中间为有效检测区域，误差大小有差异，从图5中能够看出，两侧检测误差大且对称，中间检测误差小，为0.5mm。

本发明的基于红外对中检测传感器检测方法，硬件平台以单片机为核心处理器，光电红外对射管作为检测元件；软件算法采用红外散射光检测原理，根据带材挡住和未挡住散射光的分析计算得到带材的实时偏差位置，从而及时进行纠偏操作，保证带材的对中沿纵向运动。经软件算法仿真以及实验验证该检测方法简单合理，整套检测设备检测的精度高，成本低，适用于实现不透明非接触带材位置的检测，特别适合中小企业，具有非常广阔的应用前景。

Claims (2)

1.一种基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，依赖一种检测装置，该检测装置的结构是，

沿带材(5)走向的左右两侧边缘分别设置有传感器组一(1)和传感器组二(2)，传感器组一(1)和传感器组二(2)均包括发射端和接收端，每组发射端设置有多组红外发射管，每组接收端设置有多组对应的红外接收管，传感器组一(1)和传感器组二(2)同时与单片机(3)连接，单片机(3)与带材(5)的传输线上的纠偏执行机构(4)连接，

利用上述的检测装置，按照以下步骤具体实施：

步骤1、信号采集：当带材(5)在红外发射管和红外接收管之间发生横向偏差移动时，就会对相关的红外发射管发出的信号进行了遮挡，对应的红外接收管接收到的信号会发生变化，这些红外接收管将该变化的信号通过通信方式传输给单片机(3)；

步骤2、信号处理：单片机(3)收到红外接收管的信号变化情况，根据所有红外发射管和红外接收管的位置参数所建立的直角坐标系，得到所有红外发射管的发射光线方程、以及带材(5)所在位置方程，联立方程组求交点坐标，经过运算得到带材(5)的边缘位置参数，通过与对中状态时的信号的比较，判断带材(5)是否偏离预先设定的传输中心线，同时单片机(3)将带材(5)的位置纠偏量发送到纠偏执行机构(4)，使得带材(5)传输方向得到及时纠偏，实现对中。

2.根据权利要求1所述的基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，所述的单片机(3)的信号处理的过程是，

设置以下参数：红外发射管和红外接收管的个数均为N，A1、A2、A3…Aj分别为各个红外发射管位置，B1、B2、B3…Bi分别为相应的各个红外接收管位置，红外发射管和红外接收管之间的安装距离为H，相邻红外接收管之间的安装距离为L，红外发射管之间的安装距离也为L，带材处于连线r所在位置，设定带材位置r时，r值纵向高低任意可变，中线f与r线之间的距离为h，一个红外发射管发射后能接收到的红外接收管的个数为n，检测精度为Δx，即带材位置与发射光线相邻交点坐标差，具体计算过程是：

步骤1、选定直线的确定方式处于点斜式：

y-y₀＝k(x-x₀)，   (1)

步骤2、建立坐标系：以B1为零点，即B1坐标为(0，0)，则A1坐标为(0，H)，以此类推，则所有点坐标为：

A1(0,H)、A2(L,H)、A3(2L,H)、A4(3L,H)、A5(4L,H)…Aj((j-1)L,H),其中的j＝0,1,2,3……N；

B1(0,0)、B2(L,0)、B3(2L,0)、B4(3L,0)、B5(4L,0)……Bi((i-1)L,0),其中的i＝0,1,2,3……N；

坐标系中的直线斜率为k，以A4为例，则斜率为：

$\begin{array}{cc}{k}_{A4B1}=\frac{2H}{(n-1)L}& k_{A4B2}=\frac{2H}{(n-3)L}\end{array}$

$\begin{array}{cc}{k}_{A4B3}=\frac{2H}{(n-5)L}& k_{A4B4}=\frac{2H}{(n-7)L}\end{array},---\left(2\right)$

由此规律得到： $k_{A4\mathrm{Bm}}=\frac{2H}{[n-(2m-1)]L},---\left(3\right)$

其中的m＝1,2,3,4……n；

根据点斜式方程能够得到A4的发射光直线方程式为：

$x_{A4}=\frac{y[\frac{n}{2}-\frac{(m-1)}{2}]L}{H}+(m-1)L,---\left(4\right)$

以A4为基准的直线方程组x_A4向左右平移间距L,2L,3L...，能够得到所有红外发射管的发射光线方程x_All，在两侧去除不能接收到光的直线，即所有直线方程中变量x＜0和x＞500的部分，就能够得到所有有效的光线的直线方程组，则所有红外发射管发射出光线直线方程和带材位置的直线方程是：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{All}}=\frac{y(\frac{n-1}{2}-m)L}{H}+(\frac{1-n}{2}+m)L+\mathrm{wL}\\ y=\frac{H}{2}-h\end{array}\right.$

w＝0,1,2......(N-1)，   (5)

m＝1,2,3,4......n

其中的w是平移的次数，m是一个发光二极管发射时对红外接收管接受的全部直线方程个数，y是带材所在位置直线方程，参数h影响带材所在位置，能够任意变化，当带材位置固定住之后h也随之固定，解方程组(5)就能够得到x和y的交点坐标，相邻交点坐标之差为检测装置的误差。