CN103630153B - 一种低角度环形红外led阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低角度环形红外LED阵列传感器，属于光电检测技术领域。该发明主要包括：红外LED发射阵列、红外LED接收阵列、红外发射控制电路及红外接收调理电路。本发明中，红外发射、接收阵列均采用LED环形阵列结构，发射阵列位于内环，接收阵列位于外环，光束方向垂直于环的中心轴线，且发射光束与接收光束位于同一平面上。本发明可用于透光、半透光物体形状、物理特性沿圆环分布状况的检测与诊断。

Description

一种低角度环形红外LED阵列传感器

技术领域：

本发明涉及一种低角度环形红外LED阵列传感器，属于光电检测技术领域。。

背景技术：

LED是固态的半导体组件，不同的LED能发出不同波长的光线，从200-1550nm不等，LED被完全封装在环氧树脂里面，能承受高强度机械冲击与震动，LED光源体积小、质量轻。单色性好、无需滤光，可直接发出相关波段的光，亮度衰减周期长，使用寿命长，光谱窄，因此各波段的光谱稳定，检测灵敏度较高，操作简便。

目前LED已广泛应用于机器视觉，主要是因为机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉（于丽娜.一种LED环形照明的设计方法[J].电子工业专用设备,2011(40):26-30.）；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。机器视觉技术普遍采用的光源有荧光灯、卤素灯、光纤导管和LED光源，但是荧光灯亮度差，卤素灯和光纤导管价格高，寿命短，因此设计往往使用LED光源，而环形LED可以多角度入射，可以使图像整体效果更柔和，因此现在市场对于环形LED的研究正在不断的进步，以谋求更大的研究与突破。

另一方面，随着科技水平的不断提高，LED凭借着发光效率、紧凑性、安全性和稳定性上的独特优势，越来越广泛的应用于视觉光源上，不管是用于照明还是显示屏。而环形LED光源比普通LED光源更能广泛的照明，可以照到一般光源所无法触及的地方，因而现在也越来越得到人们的重视与研究（贺静.基于微处理器的封闭式环境计算机视觉光源设计[J].福建电脑,2012,28(02):148-149.）。另外红外发射接收LED的研究领域也越来越广泛，现在已不仅仅局限于红外遥控系统中，在其他领域也慢慢得到了应用。

在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概40%-50%都集中在半导体行业。具体如（1）PCB印刷电路：各类生产印刷电路板组装技术、设备；单、双面、多层线路板，覆铜板及所需的材料；辅助设施以及油墨、药水药剂、配件；电子封装技术与设备等。（2）SMT表面贴装：SMT工艺与设备、焊接设备、测试仪器、返修设备及各种辅助工具及配件、SMT材料、贴片剂、胶粘剂、焊料及防氧化油、清洗剂等；再流焊机、波峰焊机及自动化生产线设备。（3）电子生产加工设备：电子元件制造设备、半导体及集成电路制造设备、元器件成型设备、电子工模具。机器视觉系统还在质量检测的各个方面已经得到了广泛的应用，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。

在国内，视觉技术的应用开始于90年代，因为行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的普及不够，导致以上各行业的应用几乎空白。目前国内机器视觉大多为国外品牌，如康耐视、DALSA、基恩士、欧姆龙等。国内大多机器视觉公司基本上是靠代理国外各种机器视觉品牌起家，随着机器视觉的不断应用，公司规模慢慢做大，技术上已经逐渐成熟。例如：上海波创电气有限公司，专业代理加拿大DALSA机器视觉产品，在六年的时间里，发展成国内首屈一指的机器视觉企业。国内现在也开始意识到机器视觉的重要性，微视就是中国人自己的机器视觉的公司，研发自己的机器视觉产品。当然，技术上跟国外的品牌相比还存在一些不足。

在行业应用方面，主要有制药、包装、电子、汽车制造、半导体、纺织、烟草、交通、物流等行业，用机器视觉技术取代人工，可以提供生产效率和产品质量。例如在物流行业，可以使用机器视觉技术进行快递的分拣分类，不会出现目前大多快递公司人工进行分拣，减少物品的损坏率，可以提高分拣效率，减少人工劳动。例如：在布匹的生产过程中，像布匹质量检测这种有高度重复性和智能性的工作只能靠人工检测来完成，在现代化流水线后面常常可看到很多的检测工人来执行这道工序，给企业增加巨大的人工成本和管理成本的同时，却仍然不能保证100%的检验合格率（即“零缺陷”）。对布匹质量的检测是重复性劳动，容易出错且效率低。流水线进行自动化的改造，使布匹生产流水线变成快速、实时、准确、高效的流水线。在流水线上，所有布匹的颜色及数量都要进行自动确认（以下简称“布匹检测”）。现在采用机器视觉的自动识别技术完成以前由人工来完成的工作。在大批量的布匹检测中，用人工检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度

目前环形LED已经少有成就（祝振敏,曲兴华,梁海昱,贾果欣.基于发光二极管环形阵列与漫反射表面的均匀照明光源研究[J].光学学报，2011，31(1)：186-191），如目前已研制成功的，以环形LED多波段光源为基础，形成红、紫外相机、载物台等设备组成成像系统，以研究其在提取物证方面的应用；非视觉生物效应，以昼夜节律光生物理论为基础的光健康理念是半导体照明与研究的新方向；利用光源入射角度与PCB板表面光吸收的特性，引入新型光源分布。得到区别于一般暗场低角度环形光图像，使图像更具有高对比度，高分辨率等等各方面的应用。当今市场与生活都离不开LED光源，环形LED也越来越起着不可或缺的作用。

本发明主要以低角度环形红外LED阵列光源为主体，通过两圈发射、接收LED阵列来检测物体透光率，几何形状及物理特性沿圆周方向的分布。红外LED具有发光效率高、寿命长、适应性强、抗干扰能力等特点，是理想的检测传感器。

发明内容：

本发明涉及一种低角度环形红外LED阵列传感器，属于光电检测技术领域。该发明技术方案的阵列传感器主要包括：红外LED发射阵列、红外LED接收阵列、红外发射控制电路及红外接收调理电路。本发明中，红外发射、接收阵列均采用LED环形阵列结构，发射阵列位于内环，接收阵列位于外环，光束方向垂直于环的中心轴线，且发射光束与接收光束位于同一平面上。

（1）红外LED发射阵列，发射阵列由若干贴片式红外LED发射传感器组成，向外发射红外光线，红外LED发射传感器呈环形排列；红外LED发射阵列用于在360°的平面内向外发射红外光束，光束均匀分布，红外LED传感器数目由被测对象大小、接收阵列距离等参数确定，且发射阵列置于骨架内环。

（2）红外LED接收阵列，接收阵列由若干贴片式红外LED接收传感器组成，均匀分布在接收环形骨架上；红外LED接收阵列用于接收透过被测物体后发射阵列发射的红外光线，环形阵列中红外LED传感器数目由被测对象大小、发射阵列与接收阵列间距离等参数确定。

（3）红外发射控制电路，采用共电源独立发射结构，每个发射LED恒压、恒流，独立向外发射红外光线；红外发射控制电路由电阻、电源组成。

（4）红外接收调理电路，接收透射红外光，将光强信号转换为电压信号，并进行放大、滤波处理；提供给后续电路与仪器。

（5）传感器支撑骨架用于内环发射阵列和外环接收阵列中红外LED传感器的支撑与安装，采用高透光率的胶粘贴在骨架上，骨架几何尺寸由被测对象大小确定。传感器支撑骨架，由电绝缘材料加工而成。

采用本发明的技术方案，该阵列传感器中红外LED采用贴片式封装，分发射阵列环与接收阵列环两部分，发射阵形与接收阵列光束位于同一平面，接收阵列用于接收由发射阵列发出的经过被测物体的红外光，适用于透光、半透光物体外形、物理特性沿圆环分布状况的产品的检测与诊断。

附图说明：

图1为本发明中低角度环形红外LED阵列传感器组成及布设示意图。

图2为本发明中低角度环形红外LED阵列传感器的原理示意图。

图3为本发明中实施例中检测空调送风叶轮注塑缺料的示意图。

图4为本发明中实施例阵列传感器骨架结构示意图。

图5为本发明中实施例中发射控制电路与接收调理电路。

具体实施方式：

下面结合附图及一个实施例对本发明作进一步的说明。

本发明涉及一种低角度环形红外LED阵列传感器，其组成及布设示意图如图1所示，传感器支撑骨架由传感器支撑骨架外环1和传感器支撑骨架内环2组成，外环1与内环2的中心轴线重合，红外LED发射阵列3均布在传感器支撑骨架内环2上，红外LED接收阵列4均布在传感器支撑骨架外环1上。红外LED发射阵列用于在360°的平面内向外发射红外光束，红外LED接收阵列用于接收透过被测物体后发射阵列发射的红外光线。本实施例中红外LED发射阵列3设有12个；红外LED接收阵列4设有16个。

如图2所示，本发明中低角度环形红外LED阵列传感器的原理示意图，发射控制电路控制红外LED发射阵列发射红外光束，红外光束经过待检测装置，由红外LED接收阵列用于接收透过被测物体后发射阵列发射的红外光线，经过接收调理电路，信号经过转化输出到相应的设备中。

图3为该发明中的阵列传感器应用于空调送风叶轮注塑时造成的缺料缺陷的检测布设示意图，空调送风叶轮放置在传感器支撑骨架外环1和传感器支撑骨架内环2之间。

图4为该实施例中阵列传感器骨架结构示意图，其中红外LED接收传感器粘贴在传感器支撑骨架外环1的接收LED阵列贴装处1-1，红外LED发射传感器粘贴在传感器支撑骨架内环2的发射LED阵列贴装处2-1，环形LED阵列传感器中LED数目可根据检测场合对光强的要求进行调整，形成多发、多收阵列结构，实际检测中也可以使用多个发射、接收环，以实现多部位的检测。

本发明实施，选用型号为IR11-21C-TR8的LED作为发射传感器，选用型号为PT17-21B-L41-TR8的LED作为接收传感器。本发明中根据LED尺寸、环形结构尺寸及LED光强特性来选择所需发射与接收LED的数量，尽量考虑到光照均匀性的要求，避免由于光照不均匀给系统造成较大的误差。发射与接收LED数量，及两个之间的间隔由发射LED辐射强度与角位移的关系、满足最强辐射与充分接收及保证强度在80%左右等条件决定。

本发明中发射电路由传感器与电阻直接相连，然后接入电源与地组成电路即可，如图5左半部分所示，电源取直流电源，为保证发射光强的稳定，电源应尽量稳定，同时应该加上限流电阻R₁。

本发明中接收电路中需要将LED进行反接，接收电路如图5中部所示。电阻R₂为限流电阻。在本发明中，发射与接收采用直射式，但是当放上被测物体后，被测物体处于发射与接收阵列之间，会有一部分红外线被发射，这样会降低接收电压值，为避免接收电压过小，因此需要给予它稳定的电压源。

本发明中信号调理电路用于对接收传感器输出信号进行放大，以便后续设备或电路使用，电路图如图4右半部分所示。放大电路采用JRC4558作为运算放大器，采用了差动放大方式，差动放大电路是把两个输入信号分别输入大到运算放大器的同相和反相输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分的电路。采用差动放大电路，有利于抑制共模干扰（提高电路的共模抑制比）和减小温度漂移。

以上显示和描述了本发明专利的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种低角度环形红外LED阵列传感器，其特征在于：该阵列传感器包括：

(1)红外LED发射阵列，发射阵列由若干贴片式红外LED发射传感器组成，向外发射红外光线，红外LED发射传感器呈环形排列，发射光束均匀分布在360°的平面内；

(2)红外LED接收阵列，接收阵列由若干贴片式红外LED接收传感器组成，均匀分布在接收环形骨架上，接收由红外LED发射阵列发射的红外光线；

(3)红外发射控制电路，采用共电源独立发射结构，每个红外LED发射传感器恒压、恒流，独立向外发射红外光线；

(4)红外接收调理电路，接收透射红外光，将光强信号转换为电压信号，并进行放大、滤波处理；

(5)传感器支撑骨架，由电绝缘材料加工而成；

所述传感器支撑骨架由传感器支撑骨架外环和传感器支撑骨架内环组成，传感器支撑骨架外环和传感器支撑骨架内环的中心轴线重合；所述传感器支撑骨架的内环用于红外LED发射阵列中红外LED发射传感器的支撑与安装；所述传感器支撑骨架的外环用于红外LED接收阵列中红外LED接收传感器的支撑与安装；所述红外LED发射传感器和红外LED接收传感器采用高透光率的胶粘贴在骨架上。

2.如权利要求1中所述的一种低角度环形红外LED阵列传感器，其特征在于：所述红外LED发射阵列的红外LED发射传感器数目由被测对象大小、接收阵列距离参数确定，红外LED发射阵列均布在传感器支撑骨架内环，红外LED接收阵列均布在传感器支撑骨架外环。

3.如权利要求1中所述的一种低角度环形红外LED阵列传感器，其特征在于：所述红外LED接收阵列的红外LED接收传感器数目由被测对象大小、发射阵列与接收阵列间距离参数确定。

4.如权利要求1中所述的一种低角度环形红外LED阵列传感器，其特征在于：所述红外发射控制电路由电阻、电源组成。

5.如权利要求4中所述的一种低角度环形红外LED阵列传感器，其特征在于：所述传感器支撑骨架为环形，骨架几何尺寸根据被测对象大小选择适用。