CN1161254A - 采用双频率光探测器的分选机 - Google Patents
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Abstract
一种用于多色分选机的光学检测器，各检测器包括至少两种响应于不同光谱范围的独立的光电二极管材料，以及具有在材料的各自光谱范围的频谱中分别限定的透射响应特性的多峰滤光器。采用这些检测器的分选机可以利用从各检测器所获得的各种信号在放大和阈值检测后予以选择性地编程，结果使排放机构启动。
Description
本发明涉及分选机，这类分选机在物品通过观测台时，通过在至少两种不同的频谱观测这些物品而使非标准可互换物品与标准物品分选或分离开来。具体地说，本发明涉及那些采用由两个以上不同的光敏器件所组成的检测部件的分选机。
采用本发明的那类典型的分选机可以是自重进料通道式分选机或皮带式分选机，分选机使待分选的物品或产品流通过光学观测台。一般说来，产品流是由例如咖啡豆、西红柿等的标准可互换农产品所组成的，这些农产品据知具有处于频谱中至少两个频带内的标准色彩和颜色。然而，如果产品过熟、损伤、或具有不同于标准的等级，这种产品在标准产品有公知标准色彩或颜色的两个频带的至少一个内具有非标准的色彩或颜色。借助面对面地安置在产品流通过的观测台上的光学器件就能从产品流中检测及除去或排出那些非标准的产品。分选机可以有多个平行的通道或通路，各自有其自己的光学观测台。而且各光学观测台可以有多于一个光学传感器件。例如，希望从不同的角度观测产品或物品，使得以第一角度观测时无法看见的部位以第二或第三角度观测时就不会看不见。然而，为了简化起见，各通道或通路的产品流可以看作是由简化的光学观测台所传送的单个化的(singulated)产品的连续运动。
光学观测台包括一个以上灯，用来照射产品流中的各产品。被照射的产品反射光及其它频率，它们被适当安置用以监视上述预定标准频谱的光敏器件所检测。当检测到反射光低于预定标准频谱其中之一的预定阈值时，当非标准产品位于排放装置对面时，例如位于关键地方的喷气口或机械排放阀(ejection finger)的排放装置就受到激励，然后予以启动。
代替上述操作，在被认为是非标准的反射光高于预定标准频谱的其中之一的预定阈值时，可以调节检测器，以操纵排放器。在这种情况下，由于标准产品的反射光低于阈值，所以就会使标准产品通过。
在先有技术中，通常对各频谱采用多个光或光学检测器，观测窗口的格栅的每个象素或光点有一个。例如这样的一种系统公开于1991年11月5日以George A.Zivley名义颁发的美国专利No.5,062,532，这项专利通常已转让。5,062,532专利中建议用由EG&G Reticon公司制造的光电二极管的RL 0256K阵列实施例其中公开的发明。然而，所举例的这种阵列的光电二极管是用于单色或一种频谱分选的宽孔线性器件。5,062,532专利中所述的发明不限于单色分选，但是，显然如果涉及双色分选，带有调到相应频谱的光电二极管的第一和第二阵列物理上必须彼此分开，从而为鉴别非标准检测中涉及那个阵列而使排放起动变得复杂。而且，观测台的光源必定更多。
1993年11月30日以William C.Long名义颁发的美国专利No.5,265,732通常也已转让，这项专利采用了允许在单个位置上检测多个频谱。其中介绍了这样一种先有技术方案：采用一个分束器和两个滤波器，用于分选的两个频谱各有一个滤光器。这项专利还揭示了为了照射产品流中的产品而采用窄带灯，而不是普通的宽带通用照明灯泡。在这个方案中，分束器及适当的滤光器与光源配用，或者光源以不同的角度阵列，但仍然需要适当的滤光器。在所有情况下，这些方案都采用了许多不同而复杂的光学器件，为实施这种方案的空间要求是主要的考虑事项。
亦为共同转让的于1995年1月24日以Calvin G.Gray和JefferyStanley Pawley申请的美国专利08/377,451描述了用于多色分选的光学检测器(photo-optial detector)。该检测器采用与诸如由EG&G Judson制造的硅/锗J16si系列的半导体材料的夹层件型光二极管器件一起使用的多峰光学干涉滤光器。该装置以小型的较少元件组成的单一检测器提供多色分选。但是，由于可用的多峰滤光器的数目和频谱范围受限，这种装置的分选应用范围也相应地受到限制。
因此，本发明的目的是提供一种经过改良的用于分选机的光检测器(photo-optical detector)，这种检测器响应于复合多峰频谱并具有单个多峰滤光器或一组多个光学滤光器件用以通过至少两个确定光的频谱，一个在第一光敏材料的宽频灵敏度内，另一个在第二光敏材料的宽频灵敏度内。
本发明的另一个目的是提供一种上述型式经过改良的光学检测器，其中第一光敏材料是硅，第二光敏材料是锗或是铟-镓-砷化物。
本发明的又一个目的是提供一种采用总体上如上述型式的夹层检测器的分选机，这种分选机还包括例如微处理器的电子处理器装置，用以为夹层检测器的每个分立的器件发出信号，或者当出现来自分立器件的选定的信号组合时发出信号，因此在出现单个器件信号或一个以上选定的信号组合时能排出非标准的产品。
本发明的再一个目的是提供一种总体上具有上述型式的经过改良的光学检测器，这种检测器采用了多于两种光敏材料的夹层。
本发明的再有一个目的是提供一种分选机，这种分选机采用了具有多于两种光敏材料器件的夹层光学检测器，具有多于两个确定的光频谱灵敏度的滤光器或一组滤光器组件、以及用以选择来自各种用以启动排放器从分选的产品流中去除非标准产品的器件的信号的一种以上组合的电子处理器装置。
本发明还有一个目的是提供一种总体上具有上述型式的改进的光学检测器，这种检测器采用了多种光敏材料的夹层并且该夹层采用一种滤光器件，用于在下光敏材料的宽频率敏感范围内使光确定的频谱通过。
本发明的还再一目的是提供一种采用夹层光学检测器的分选机，该检测器具有至少两种材料的器件和至少一种具有确定光频谱的滤波器件、一个具有宽确定光频谱的宽带通干涉滤光器以及用于从各器件的信号中选出一种或多种组合的信号以启动排放器从分选的产品流中去除非标准产品的电子处理器。
因此，实现了及能详细理解使本发明上述及其它特征，优点和目的显得清楚的方式，参阅形成说明书其中一部分的附图中例示的典型的最佳实施例就能对上述简略总结的发明进行更具体的描述。然而要提出的是，这些附图仅例示了本发明的几个典型的最佳实施例，由于本发明可以接纳其它同样有效的实施例，因而不要将附图看作对本发明范围的限制。
图1是根据本发明的装有夹层检测器和电气处理装置的电光分选机的侧视图。
图2是例如图1中所示的电光分选机的光学观测台的顶视图。
图3是根据本发明的夹层检测器侧向剖视图。
图4是根据本发明的分选活动的简化模型的原理图。
图5是图3中所示的夹层检测器的典型的响应性例图。
图6是本发明所采用的滤光器的透射率例图。
图7是根据本发明的多峰滤光器及多个夹层检测器的示意图。
现在参照附图，首先参照图1，图中示出一种高速分选机，这种分选机用以使非标准、可互换的产品或物品与这类物品的传送线或传送流分开。通常，分选机10包括一个以上一般成超过45°，最好为大约80°的近乎垂直的陡角的通道、斜道或滑道12。通道是借助支架14安装就位的，利用固定在同一支架顶上的料斗16重力输送待分选的产品。通过分路振动送料器18把产品从料斗16输送到通道12。虽然工业用分选机一般有两个以上通道12，同时对分别流过通道的产品工作，但是为了讨论的简明起见，下文所论述的分类机10只包含单一通道12。
此外，利用本发明需要时可以采用产品机械用的具有一个以上通路的皮带式分选机。这种分选机具有水平传动的皮带，产品就被分类及存储在其上。皮带移过光学观测台的方式与通道分选机非常相似。
要由分选机10分开或分选的物品是例如咖啡豆的小而可互换的物品。将会理解的是，咖啡豆可利用一个以上光谱带的颜色个别识别的，从料斗经振动送料器沿通道向下的进料完全借助于重力作用。自由落下的产品流只是由弯道和通道表面所引起的摩擦才减慢。然而众所周知，产品是大量快速移动的。
下文会更详细描述的光学观测器或传感器20是朝着通道的底部安装的。当产品流流过传感器时，非标准或次标准的产品就受到传感或检测。将会理解的是，这种传感和检测需要把次标准产品与标准产品和背景区别开来。一般说来，例如咖啡豆的次标准产品，可以根据其颜色深或浅、或根据与为标准的或可接受的物品所预定的深、浅或颜色的可接受范围不同的颜色或色彩而予以检测的。这种传感可以处于单色检测的单一光谱范围内、双色检测的两个分立的光谱范围内、或者多色检测的多个光谱范围内。要理解的是“光谱范围”可以全部或局部处于可见光谱内，或者全部或局部地处于非可见光谱内。例如，通常进行红外范围内的传感。当传感到次标准产品或物品时，就产生电信号，通过启动排料器机构而使次标准物品排出。
毗邻光学传感器20且设置在其下方的排料器36的是由刚刚提到的启动电信号所启动的，以产生气流，把不想要的次标准产品从产品线的产品流中除去。需要的话，排料器可以是机械式排料器，一般当启动信号发生时，使电磁阀工作，在产品线放出或射出气流，及时移走次标准物品。在传感时间之后的启动延时是很短暂的，定时成需要排出检测到的次标准物品。而且以本领域中众所周知的方式完成。在这个过程中这样除去的物品落入排放蓄料器28中，供后续处理。未除去的物品继续沿通道延伸部分30向下，以便收集和包装，作为通过预定标准而无需除去的优质产品。流量的控制和传感器的灵敏度是用本领域内众所周知的预置控制进行控制的。
现在参阅图2，如从图中所见到的，示出了分选机的观测或光学传感器及相关组件。传感器20通常是带有中心孔32的环形结构，如上所述待分开或分选的产品流通过处可“窗口”位置或平面的中心孔，这就是分选机的电光观测台。光学或观测机构是众所周知的，通常包括三个沿周边均匀间隔的单独的传感器37，这些传感器包括光电池、光电二极管或其它光学检测器(photo-optical detector)。在这个平面上至少包含三个灯，每个单独的传感器一个灯。每个灯38朝分立的背景板40投影光束，来自背景板以及来自背景板和光电传感器之间流动的任何产品的反射光为传感器所检测。之所以采用三个传感器，其原因是要保证传感到只沿一个方向可检测到而沿另一个未必能检测到的次标准物品。对于光电传感器37和背景板40的每个观测组合，只示出了一个灯。在现行的实践中，通常有多个灯38用以均匀地照射产品线，这些灯或者附加的多个灯用以均匀地照射背景板。
图3例示了由美国宾夕法尼亚州Montgomeryville的EG&E Judson公司制造的J16Si系列的硅/锗“夹层”检测器51。当然也可以采用具有与这种器件相类似的响应的半导体材料的任何其它两种以上元素的器件。这种二色检测器包括以“夹层结构”装在锗光电二极管器件52上的高性能硅光电二极管器件50，且在这些器件之间装有滤光器件53。滤光器53是一层具有所需的限制其频谱在下光电二极管器件52的响应区域中的光通过的滤光特性的材料，并且最好附在上光二极管器件50下面。将会看到射入窗口54的辐射引起硅器件50中800nm的标称响应。辐射中的较长波长会穿过硅材料和滤光器件53，引起锗器件52中1300nm的标称响应。实际上图5中更精确地画出了两种器件的响应性，每种器件(响应性)在频谱上都稍微呈宽带。
J16Si系列检测器已用于光纤功率测量以及二色温检测的用途。制造商说明了在实用时分别与端子56和58相连接的各硅器件或元件及锗器件或元件需要前置放大器。
图4中示出了本发明的主要部分的非常简化的原理图。产品59通过光学观测台，受到一个以上光源61的照射。一般说来，光源是宽带白炽灯或荧光灯。来自产品的辐射的反射光穿过观测窗口63，为放置在夹层检测器51前方的双峰滤光器(未示出)所接收。但是据发现，要用光学分选的产品种类很多，而且有相应透射特性的多峰干涉滤光器还未投入使用或尚未知晓。一种改变方案是采用组合的干涉滤光器以在产品的标准色谱内获得透射特性。传统的滤光器65具有图6所示的透射性，其透射率的百分率是由波长范围内的峰69描绘的。滤光器65所能通过的光的所需频谱足以宽过产品标准颜色的较窄频谱，并且进而在那些较窄频谱上提供最大的透射响应。第二滤光器53，附在上光二极管50的下面或置于光二极管50和52之间并且有如图6所示峰71的透射响应。滤光器71通过的光的所需光谱较窄，近于下光二极管52的最大响应区域。滤光器65和53的透射响应通常不同，尽管它们可以相同。
参阅图4，器件50与前置放大器/放大器60相连接，器件52与前置放大器/放大器62相连接，以产生输出信号，这些输出信号则分别在阈值检测器64和66中经受阈值检测，由于透射响应峰值未必相同，所以如图6中所示，可以以不同的电平设定阈值检测电平。亦即是，可以以标称值80为峰值高于第二峰值的第一峰值设置电平，而可以标称值60为第二峰值设置阈值电平。
在工作时，当分类解释装置判定检测器64的输入信号已经超过阈值电平时，就从检测器64中产生有效信号68，当分类解释装置判定检测器66的输入信号已经超过阈值电平时，就从检测器66中产生有效值号70。实际上，分离解释装置一般位于后续的微处理器内，但是从刚才描述的有关图4的功能操作就能清楚地了解阈值电平的发出及信号产生的方案。
在适当的电子处理装置，一般是微处理器中利用信号68和70形成上述的最终排放启动信号，这是本领域中众所周知的。也许，这种处理装置的最简便的逻辑运算是要在产生信号68或70时引发排放启动信号。然而也可以建立只在两种信号都出现时才引发排放启动信号的逻辑。
如上所述，通常如图7中所简略示出的，从多个角度观测产品流。在这幅图中，当从顶上观看时，三个夹层检测器51是以相对于产品流120°的位置安放的。例如有关图4所论述的，各检测器51a、51b及51c与有关组件相联系，虽然并非所有的组件都示于图7中。在任何情况下，六种输入信号都加到微处理器80，即：来自检测器51a的输入信号68a和70a，来自检测器51b的输入信号68b和70b，以及来自检测器51c的输入信号68c和70c。微处理可以进行编程，以便在这六种输入信号的其中任何一种出现时，或者这六种输入信号的任何组合出现时产生排放信号。
通过使用两个或多个滤波器并将一个或多个这种器件用于光二极管的夹层件中，本发明可以分选多种类型的产品而不会增加整个装置的尺寸或光学复杂性。事实上，本发明的扫描能力仅受限于光二极管材料的可用性及其响应。一旦获知产品的标准色彩和对应频谱，就可以通过适当组合光二极管和滤光器来设计光检测器。
采用具有总体的响应频谱范围彼此不同的多于两种半导体材料的检测器51以及采用二个或多个滤光器的方案可以选做另一优选实施例。然而，即使所获得的组合更为复杂，上述总的工作原理仍然适用。因此，尽管讨论了若干个实施例及总体地描述了另一些实施例，但是应该理解本发明并不限于这些实施例，因为本领域的技术人员显然可以作出许多改型。
Claims (10)
1.一种光学检测器，包括：
响应于宽带光辐射信号中的第一颜色频谱的第一光敏器件，所述第一光敏器件允许至少部分通过在所述第一光敏器件基本无响应的波长的宽带光辐射信号；
第二光敏器件，夹在所述第一光敏器件后面且与之光学对准，所述第二光敏器件响应于第二颜色频谱；
在所述第一光敏器件前面的第一滤光器，用于使在所述第一颜色频谱中的第一确定的光频谱通过，并使所述第二颜色频谱通过；
介于第一和第二光敏器件之间的第二滤光器，用于使在所述第二颜色频谱中的第二确定的光频谱通过；
所述第一光敏器件产生与第一确定光频谱中的光辐射成比例的输出信号，
所述第二光敏器件产生与第二确定光频谱中的光辐射成比例的输出信号。
2.如权利要求1的光学检测器，其特征在于所述第二滤光器是附在所述第一光敏器件上的滤光材料的薄膜。
3.一种光学分选机，具有光学观测台，受观测的产品流通过该光学观测台，利用多个确定光频谱加以分选，所述光学分选机包括：
照射装置，用以在宽带光谱范围内明亮地照射在所述光学观测台上的产品流；
多个光学检测器，安装成用以接收来自所述受观测产品的反射光，根据受观测产品各自的颜色，反射率分别在宽带光谱范围内变化，所述多个光学检测器各自包括：
响应于宽带光频谱中的第一颜色频谱的第一光敏器件，所述第一光敏器件允许至少部分通过在所述第一光敏器件基本无响应的波长的宽带光频谱；
第二光敏器件，夹在所述第一光敏器件后面且与之光学对准，所述第二光敏器件响应于第二颜色频谱；
在所述第一光敏器件前面的第一滤光器，用于使在所述第一颜色频谱中的第一确定的光频谱通过，并使所述第二颜色频谱通过；
介于第一和第二光敏器件之间的第二滤光器，用于使在所述第二颜色频谱中的第二确定的光频谱通过；
所述第一光敏器件产生与第一确定光频谱中的光辐射成比例的输出信号，
所述第二光敏器件产生与第二确定光频谱中的光辐射成比例的输出信号；以及
电子处理装置，与所述光学检测器相连接，用以按出现的第一和第二光敏器件的输出信号的至少一种组合所定产生排放信号。
4.根据权利要求3的光学分选机，其特征在于，所述第一和第二确定光的频谱对各光学检测器是相同的。
5.根据权利要求3的光学分选机，其特征在于，所述第一和第二确定光的频谱对各光学检测器是不相同的。
6.一种光学检测器，包括：
响应于宽带光辐射信号中第一颜色频谱的硅器件，所述硅器件允许至少部分通过宽带光辐射信号，
第二光敏器件，夹在所述硅器件的后面且与之光学对准，响应于第二颜色频谱；
在所述硅器件前面的宽带通滤光器，用于使在所述第一颜色频谱中的第一确定的光频谱通过，并使所述第二颜色频谱通过；
介于所述硅和第二光敏器件之间并附在所述硅器件上的薄膜滤光材料，用于使在所述第二颜色频谱中的第二确定的光频谱通过；
所述硅器件产生与第一确定光频谱中的光辐射成比例的输出信号；
所述第二光敏器件产生与第二确定光频谱中从产品上反射的光成比例的输出信号。
7.如权利要求6的光学检测器，其特征在于，第二光敏器件是由锗或铟-镓-砷化物制成。
8.一种光学分选机，具有光学观测台，受观测的产品流通过该光学观测台，利用多个颜色频谱加以分选，所述光学分选机包括：
照射装置，用以在宽带光谱范围内明亮地照射在所述光学观测台上的产品流；
多个光学检测器，安装成用以接收来自所述受观测产品的反射光，根据受观测产品各自的颜色，反射率分别在宽带光谱范围内变化，所述多个光学检测器各自包括：
响应于宽带光频谱中的第一颜色频谱的硅器件，所述硅器件允许至少部分通过宽带光辐射信号；
第二光敏器件，夹在所述硅器件的后面且与之光学对准，响应于第二颜色频谱；
在所述硅器件前面的宽带通滤光器，用于使在所述第一颜色频谱中的第一确定的光频谱通过，并使所述第二颜色频谱通过；
介于所述硅和第二光敏器件之间并附在所述硅器件上的薄膜滤光材料，用于使在所述第二颜色频谱中的第二确定的光频谱通过；
所述硅器件产生与第一确定光频谱中从产品上反射的光成比例的输出信号；
所述第二光敏器件产生与第二确定光频谱中从产品上反射的光成比例的输出信号；以及
微处理器，与所述光学检测器相连接，用以按X和Y输出信号的至少一种预定组合的量所定产生排放信号。
9.根据权利要求8的光学分选机，其特征在于，所述第一和第二确定光的频谱对各光学检测器是相同的。
10.根据权利要求8的光学分选机，其特征在于，所述第一和第二确定光的频谱对各光学检测器是不相同的。
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Delaware Applicant after: Satake USA Inc. Address before: Houston, Texas, USA Applicant before: ESM International, Inc. |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: ESM INTERNATIONAL CO., LTD. TO: SATAKE USA INC. |
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