CN110836914A - 一种图书漏页、折页缺陷检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图书漏页、折页缺陷检测系统及方法，用于检测图书有无漏页、折页缺陷，系统包括电容传感器处理电路、嵌入式处理平台、两块平行极板、两根信号线、压紧装置、显示模块和蜂鸣器模块以及转换录入与检测模式的模式切换模块；压紧装置与上极板硬连接，两块平行极板构成的电容器与电容传感器处理电路之间通过双绞屏蔽线连接，电容传感器处理电路与显示模块分别与嵌入式处理平台连接。本发明基于高精度的电容传感器处理电路，利用双绞屏蔽线和压紧装置减少环境噪声对两极板间电容的干扰，提高图书漏页、折页缺陷检测的精度；相比人工抽检，降低了图书漏页、折页缺陷检测成本，提高了检测精度。

Description

一种图书漏页、折页缺陷检测系统及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种图书漏页、折页缺陷检测系统及方法。

背景技术

在印刷行业机器取代人工，降低生产成本，提高客户满意度的背景下，虽然图书出厂时存在漏页、折页的可能性不是很大，一旦顾客拿到的图书存在漏页、折页的问题，其满意度迅速下降。为此，印刷企业采取了多种措施降低图书漏页、折页概率。根据对北京人卫印刷厂、北京诚信伟业印刷厂等印刷厂家的调研及文献检索，解决该问题现有两种技术方案：

1)人工抽查。人工抽查是目前大部分印刷厂使用的方案，这种传统的人工检测方法需要工人对随机抽取的样品进行缺陷检测，存在以下几点不足：(1)人工检测周期长，容易引起视觉疲劳；(2)人工检测成本高；(3)抽查样品数量有限，不能代表整批产品的状况。

2)称重式检测。图书在线称重检测以其投入较低、简单易用、高效快速等优势，越来越受到印刷企业的欢迎。([1]杜万全.在线称重检测技术在图书生产质量控制中的构想[J].印刷经理人，2019，(2)：43-45.)目前已有称重式检测运用于图书质量检测的构想，但是称重式检测并没有得到推广，原因是：高精度的称重式传感器虽然可以做到0.1克甚至更高的精度，理论上是能够检测出图书的漏页问题的(例如单张70克A4纸是4.37克)。但是，由于图书装订、胶水情况存在差异，实际上，称重式传感器难以检测出漏页缺陷，更检测不出折页缺陷。

综合所述，现有技术方案对图书漏页、折页缺陷的检测，存在成本高，精度低的问题。本发明采用测量图书电容的方式，解决了图书漏页、折页缺陷的检测难题；相比现有技术，该方法检测成本低、检测精度高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种图书漏页、折页缺陷检测系统及方法，以降低检测成本、提高检测精度。

本发明的技术方案如下：

一种图书漏页、折页检测系统包括：用于处理电容信号的电容传感器处理电路、用于数据融合与处理的嵌入式处理平台、获取图书电容值的两块极板，包括上极板和下极板、用于传输电容信号的信号线、用于排出极板间空气的压紧装置、用于显示图书电容值和图书电容信号是否正常的显示模块、蜂鸣器模块、转换录入和检测模式的模式切换模块以及用于给电容传感器处理电路、模式转换模块及嵌入式处理平台供电的电源模块；所述压紧装置与上极板硬连接，极板与电容式传感器处理电路之间通过信号线连接，电容传感器处理电路、显示模块、模式切换模块、蜂鸣器模块以及电源模块分别与嵌入式处理平台连接。

上述信号线采用双线制，使用双绞屏蔽线以减少分布电容与寄生电容的干扰。

上述两块极板采用平行制，且在下极板两边放置垂直的绝缘挡板，保证检测电容数据的稳定性与准确性。

一种图书漏页、折页检测方法，利用上述的系统，包括如下步骤：

(1)、将图书两边与绝缘挡板对齐，通过压紧装置压紧上极板，排出多余空气；

(2)、通过双绞屏蔽线传输电容数据，以减少分布式电容与寄生电容的干扰；

(3)、嵌入式处理平台融合数据，进行中位值滤波，将得到的数据与事先录入的样本数据的上限与下限进行对比，判断图书是否可能存在漏页、折页问题；

(4)、在显示模块上给出实时的图书电容信息及信号是否异常，对存在问题的图书，蜂鸣器模块发出响声提示。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明将电容传感器运用到图书漏页、折页缺陷检测中，相比人工抽检，省时省力，检测精度也更高；相比称重式检测，提高了检测精度。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是变极距型电容式传感器的原理图；

图4是差动式电容传感器的结构图；

图5是FDC2214的单端模式示意图；

图6是FDC2214差动模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1所示，一种图书漏页、折页缺陷检测系统，包括用于处理电容信号的电容传感器处理电路(本实施例选用FDC2214)、用于数据融合与处理的嵌入式处理平台(本实施例选用MSP430F169)、获取图书电容值的两块极板，包括上极板和下极板、用于传输电容信号的信号线(本实施例选用双绞屏蔽线)、用于排出极板间空气的压紧装置、用于显示图书电容值和图书电容信号是否正常的显示模块(本实施例选用LCD1602)、蜂鸣器模块、转换录入和检测模式的模式切换模块以及用于给电容传感器处理电路、模式转换模块及嵌入式系统平台供电的电源模块；所述压紧装置与上极板硬连接，极板与电容式传感器处理电路之间通过信号线连接，电容传感器处理电路、显示模块、模式切换模块、蜂鸣器模块以及电源模块分别与嵌入式处理平台连接。两块极板采用平行制，且在下极板两边放置垂直的绝缘挡板，保证检测电容数据的稳定性与准确性。

一种图书漏页、折页检测方法，将图书两边与挡板对齐，通过压紧装置压紧上极板，排出多余空气，通过双绞屏蔽线传输电容数据，以减少分布式电容与寄生电容的干扰，嵌入式处理平台融合数据，进行中位值滤波，将得到的数据与事先录入的样本数据的上限与下限进行对比，判断图书是否可能存在漏页、折页问题，在显示器上给出实时的图书电容信息及信号是否异常，对存在问题的图书，蜂鸣器发出响声提示。

以下详细介绍系统的主要部分：

1.基于FDC2214芯片的电容传感器模块。电容式传感是一种低功耗，低成本且高分辨率的非接触式感测技术，适用于从接近检测和手势识别到远程液位感测领域的各项应用。电容式传感系统中的传感器可以采用任意金属或导体，因此可实现高度灵活的低成本系统设计。电容式传感应用灵敏度的主要限制因素在于传感器的噪声敏感性。FDC2214采用创新型抗EMI(电磁干扰)架构,即使在高噪声环境中也能维持性能不变。

FDC2214是基于LC谐振电路原理的电容传感器的集成处理电路。

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：

式中：ε——电容极板间介质的介电常数，ε＝ε₀ε_r，其中ε₀为真空介电常数，ε_r为极板间介质的相对介电常数。

A——两平行极板所覆盖的面积

d——两平行极板之间的距离

当被测参数变化使得式(1-1)中的A、d或者ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可以把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。因此，电容传感器可以分为变极距型、变面积型和变介电常数型。

本发明基于变极距型电容式传感器的原理，两平行极板构成电容，当极板间的距离改变时，电容值将改变，这就会导致LC电路振荡频率的变化，根据该频率值可以通过FDC2214测量出对应的数据。

图3为变极距型电容式传感器的原理图以及电容量与极板间距离的关系图。当传感器的ε_r和A为常数，初始极距为d₀时，由式(1-1)可知其初始电容量C₀为：

若电容器极板间距离由初始值d₀缩小了Δd,电容量增大了ΔC，则有

由式(1-3)可知，变极距型电容式传感器的输出特性并不是线性关系，而是曲线关系，在式(1-3)中，若

时，

则式(1-3)可以简化为：

此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距电容式传感器只有在很小时，才有近似的线性关系。

由式(1-4)可知，电容的相对变化量为：

当|Δd/d₀|＜＜1时，上式可按级数展开，可得：

由式(1-6)可见，输出电容的相对变化量ΔC/C₀与输入位移Δd之间成非线性关系，当|Δd/d₀|＜＜1时可略去高次项，得到近似的线性关系，如下式所示：

电容传感器的灵敏度为：

它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d₀呈反比关系。

如果考虑式(1-6)的线性项与二次项，则

由此可得出传感器的相对非线性误差r_L为：

由式(1-8)和式(1-10)可以看出：要提高灵敏度，应减少起始间隙d₀，但非线性误差却随着d₀的减小而增大。

在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。差动式电容传感器结构图如图4所示。在差动平板电容器中，当动极板上移Δd时，电容器C₁的间隙d₁变为d₀-Δd，电容器C₂的间隙d₂变为d₀+Δd，则

在Δd/d₀＜＜1时，按级数展开得：

电容值总的变化量为：

电容值相对变化量为：

略去高次项，则ΔC/C₀与Δd/d₀近似成为如下的线性关系：

如果只考虑式(1-16)中的线性项和三次项，则电容式传感器的相对非线性误差r_L近似为：

可见，电容式传感器做成差动式之后，灵敏度增加了一倍，而非线性误差则大大降低了。

根据图5所示的FDC2214单端模式示意图，设被测电容器的容抗为X_C1，LC电路中电容器的容抗为X_C，LC电路中电感器的感抗为X_L，频率为f。根据振荡电路的条件有：容抗等于感抗。即

X_C1+X_C＝X_L (1-19)

式中X_C1＝1/(2πfC₁)，X_L＝2πfL，其中C₁为被测电容、C为电容器电容、L为电感器的电感。可以求得被测电容值：

由于纸张的介电系数较小，测得的电容值很小，属于高精度的待测物体，需要提高灵敏度并减少非线性误差，可以选择FDC2214的差动模式，FDC2214的差动模式示意图如图6所示。

电容式传感应用灵敏度的主要限制因素在于传感器的噪声敏感性。外界存在的寄生电容会对数据产生不良影响，因此，本发明采用双绞屏蔽线减弱寄生电容对电容式传感器的影响。极板间的数据是图书的电容值经过调频电路转换后得到的，本发明中，对极板间的电容值产生影响的主要因素有：图书与极板的相对位置以及图书中的空气成分，为解决这些影响因素，提高系统的准确性，本发明在下极板两侧增添了挡板，图书放置时要求与挡板齐平，以此保证图书与极板的相对位置保持不变；在上极板上增添了恒力自动压紧装置，该装置可自动压紧极板，使得书本尽快排出空气，保证极板间的电容不受空气间隙的影响。

2.基于MSP430F169单片机的嵌入式处理平台。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed SignalPocessor)。MSP430系列单片机的电源电压采用1.8～3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA，活动模式耗电250pA/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，IO输入端口的漏电流最大仅50nA。总体而言，MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用10年。MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构，一个时钟周期可以执行一条指令(传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令)，使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS。另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40～+85"C，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。

3.基于LCD1602液晶模块和蜂鸣器的人机交互模块。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。采用LCD1602液晶显示模块和蜂鸣器作为人机交互器件，可以起到良好的信息交互功能，且具有性能稳定、功耗小以及成本低廉的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种图书漏页、折页检测系统，用于检测图书的漏页、折页缺陷问题；其特征在于：系统包括用于处理电容信号的电容传感器处理电路、用于数据融合与处理的嵌入式处理平台、获取图书电容值的两块极板，包括上极板和下极板、用于传输电容信号的信号线、用于排出极板间空气的压紧装置、用于显示图书电容值和图书电容信号是否正常的显示模块、蜂鸣器模块、转换录入和检测模式的模式切换模块以及用于给电容传感器处理电路、模式转换模块及嵌入式处理平台供电的电源模块；所述压紧装置与上极板硬连接，极板与电容式传感器处理电路之间通过信号线连接，电容传感器处理电路、显示模块、模式切换模块、蜂鸣器模块以及电源模块分别与嵌入式处理平台连接。

2.根据权利要求1所述的一种图书漏页、折页检测系统，其特征是，所述信号线采用双线制，使用双绞屏蔽线以减少分布电容与寄生电容的干扰。

3.根据权利要求1所述的一种图书漏页、折页检测系统，其特征是，所述两块极板采用平行制，且在下极板两边放置垂直的绝缘挡板，保证检测电容数据的稳定性与准确性。

4.一种图书漏页、折页检测方法，利用权利要求1-3所述的系统，其特征在于包括如下步骤：

（1）、将图书两边与绝缘挡板对齐，通过压紧装置压紧上极板，排出多余空气；

（2）、通过双绞屏蔽线传输电容数据，以减少分布式电容与寄生电容的干扰；

（3）、嵌入式处理平台融合数据，进行中位值滤波，将得到的数据与事先录入的样本数据的上限与下限进行对比，判断图书是否可能存在漏页、折页问题；

（4）、在显示模块上给出实时的图书电容信息及信号是否异常，对存在问题的图书，蜂鸣器模块发出响声提示。

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