1 引言

檢測控制電路是自動化控制系統的核心技術之一，其靈敏度、精確度、使用壽命、安全性、穩定性等因素直接決定了自動化控制過程的優劣。通過對棉紡織企業調研，發現部分紡紗設備仍使用現場人工質檢，不能保證高質量棉條、棉紗產出。另外，一臺紡紗機同時輸入棉條、輸出棉紗96，108，120路，由于人工測試不能保證棉條及時捻接以及棉紗直徑穩定性，造成產品質量及生產效率低等問題。為了保證產品質量及效率的提高，鄭州航院機電研究所設計研究并開發了高精度檢測控制系統。該控制系統有效地改造了國產FA431，FA541系列高速粗紗機，使生產效率提高25%-35%，產品質量大幅提高。經專家認證，改造后的FA431在性價比上優于日本豐田公司FL16粗紗機。該系統不僅可用于紡織機械，通過對系統精度、靈敏度、測量范圍等調節還可在傳統鍛床、機床等中配套使用，有效地保障了人身安全。

由于紅外線有較強的穿透能力和抗干擾能力，不易散射且不易引起串擾。該系統基于紅外傳感利用調制/解調技術完成系統信號發射接收設計。

2 系統信號流程及原理

從紅外發射管到繼電器控制設備停車、啟動，是處理單元信號的主通道。在主通道中，電信號按圖1順序進行傳送。

紅外發光管和紅外接收管分居光電檢測區兩側，很少需要維護。紅外接收管是一種光感電流源。光感電流隨光通量的增大而增大，光感電流對電容進行充電，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號。無遮擋物時，光路暢通無阻，光感電流為最大；有遮擋物通過檢測區時，光路被擋一部分，輸出電位升高，遮光面積越大，輸出電位就越高 ［1］。利用該原理通過對檢測系統靈敏度調節，對被測物體直徑或面積量的測控，實現質檢或安全保護等的作用。系統安裝位置及結構如圖2所示，可通過接插件實現多工位監測。

本設計紅外光的產生和拾取分別采用脈沖調制和同步解調技術。脈沖調制光與直流光相比，一方面增強了抵御環境雜散光和車間內機電干擾的能力，另一方面由于發光管工作于脈沖狀態，其壽命相對延長。當有遮擋物進入檢測區時，紅外接收管接收到的光強度會發生突變。因而，凡是變化的光一概算作遮擋信號。傳統的安全保護器容易出現誤動作，如當打開或關掉照明燈時，信號處理單元會將其判斷為遮擋物信號而誤操作。本系統在設計上采用脈沖調制/同步解調，使紅外發光管一段時間發射信號，一段時間關斷信號，即發出脈沖形式紅外光。同樣，紅外接收管也只在紅外發光管發射脈沖信號期間接通工作。發光和接收在時間上保持同步，因而只有紅外發光管發出的光才會被檢測出來，外界雜散光，則全被屏除在外，從而使該控制系統的抗干擾能力大大提高，大大降低了誤動作。

3 主要功能模塊設計

該控制主要有以下電路模塊組成：高穩定性低功耗直流電源系統、信號發生系統、紅外脈沖發射系統、電子自鎖開關系統、紅外接收系統、信號處理系統、狀態指示面板等。本文僅對系統的重要功能模塊做設計原理說明。

3.1 紅外脈沖發射

來自信號發生器的方波，經過緩沖、放大、變頻后，得到較小占空比的脈沖波，驅動紅外發射管工作。這樣使得紅外發光管工作于脈沖狀態，大大延長了其使用壽命。原理框圖如圖3所示。

為了滿足該裝置的工作要求，可將兩個以上的紅外發光管串聯起來，以提高輸出功率和作用距離，并可降低所需電流。

3.2 紅外接收

在檢測區中無遮擋物的情況下，紅外發射管發出的脈沖光無遮擋地被接收管接收，在前置電容上產生負極性的光敏電壓，此電壓與前置電容兩端的電壓大小相等方向相反，沒有信號經過后置電容；當有遮擋物進入檢測區中時，接收管接收到紅外光的強度發生變化，從而有信號經過后置電容進入后繼信號處理單元。接收管輸出的電信號很微弱，因而經過后置電容的電信號非常小，需經解調后再進行放大。為滿足工作要求可在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見光，使紅外接收管構成最大受光區。在放大器前端增加電濾波，消除低頻干擾和高頻干擾。通過信號比較電路，輸出新電平信號進行處理［2］。原理框圖如圖4所示。

3.3 信號處理

系統采用低功耗、高增益、內部有頻率補償的四運放集成芯片［3］。當無遮擋物進入檢測區時，電路中只有直流信號，無法通過隔直電容；當有遮擋物進入檢測區時，接收電路輸出突變電信號，通過電容向后繼電路傳送，經三極管進行初步放大，然后再送到放大電路進行二次放大。原理框圖如圖5所示。

由于解調方波與紅外發射管的工作在時間上保持同步，且電子開關僅在紅外發射管工作時接通，所以僅有來自紅外發射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關的方波信號由阻容網絡濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號被還原出來，即遮擋物的擋光面積大，留下的直流分量也大，遮擋物的擋光面積小，留下的直流分量也小。利用電阻網絡調整脈沖信號的高低電平值，以得到合適的電壓來驅動后繼電路。利用集成運放負反饋原理，對信號處理電路添加靈敏度子系統電路用來調節檢測精度。調整精度后，系統可廣泛應用于其他質檢及安全保護機械設備，如對傳統無安全保護裝置的機床、鍛床等的改造。

4 測試結果及數據分析

檢測系統原理圖繪制、仿真調試及PCB板圖均利用EDA（Protel）軟件設計［4］，各部分零件經選型、調試、焊接。在常溫、常濕、日光燈照環境下，利用紅外傳感探頭對被測物進行檢測，通過改變測量距離及被測物直徑，得出幾組實驗數據，如表1所示。

從實驗數據看出，由于紅外發射管發射的紅外光在空氣中遠距離傳播光束發散性以及其他諸如空氣流動、塵埃、密度差等影響，隨著測試距離加大，測試物體直徑減小，不能達到預期測試結果。通過加大發射功率及改善接收端解調檢波功能，目前能達到檢測距離30m、測試物直徑2mm，檢測準確率95%。但1mm以下準確檢測率較低。因此，如何提高檢測物精度是本項目今后繼續研發的重點，也是繼續擴展檢測領域的關鍵。

考慮到紅外傳感元件受環境溫度、照度、濕度等性能影響較大，調節環境溫度、濕度、照度、燈光頻閃檢測系統穩定性。在環境照度≤20000LX，環境溫度-15~60℃，環境濕度≤90% RH，頻閃≤1500 RPM范圍內實驗測試檢測率（正確停車百分比）不低于90%。測試數據如圖6所示。

對國產FA431物檢測裝置高速粗紗機（機身 15075mm）改造調試，輸出棉紗32支（50mm以下）機身兩側裝加紅外檢測探頭，進行現場工作檢測，棉紗超出32支直徑允許范圍自動停機率95%以上，有效地保證了產品質量，提高了生產效率。

5 結論

本檢測系統應用380或220V，50-60Hz交流電工作，與傳統紡紗機械設備等通用性好，無需另配電源；安裝架安裝方便，利用對光顯示電路調節發射管、接收管對射精度，簡易快捷；對傳統機械聯線改造簡單，控制機械部分電路通斷。

在實際工作環境中，如FA431高速粗紗機包括 96錠、108錠、120錠等多路同時檢測。為了滿足對多個工位同時進行檢測或安全防護，系統可通過接插件連接實現。高精度檢測系統基于紅外傳感技術，可用于紡織、機械、食品生產中對產品質量監控及安全保護等領域，有效地保證了產品質量的提高和生產的正常進行。此系統有廣泛的應用前景。
來源；工控網