專利名稱：基于穩(wěn)光led的帶材跑偏光電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及對(duì)各類帶材的橫向跑偏 進(jìn)行在線檢測(cè)的反射式光電傳感器。適于對(duì)塑料薄膜、紙、織物、膠帶、 膠片、金屬箔帶等各類帶材生產(chǎn)中的跑偏檢測(cè)與糾偏控制。
背景技術(shù)：
在諸如軟包裝印刷、塑料薄膜加工生產(chǎn)、紙品、紡織物、膠帶、金屬 箔帶等各類帶材加工、生產(chǎn)過(guò)程中，由于機(jī)組中的張力不穩(wěn)、各電機(jī)速度 同步性能不好、機(jī)械振動(dòng)、軸承磨損等而導(dǎo)致帶材在向前運(yùn)動(dòng)中伴隨著橫 向跑偏現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量及生產(chǎn)速度，甚至造成整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備無(wú) 法運(yùn)行。
對(duì)帶材跑偏的測(cè)控是各類帶材生產(chǎn)中的基本要求，而目前具有跟邊和
跟線檢測(cè)功能的光電傳感器均屬于反射型，其技術(shù)方案與特點(diǎn)主要有一 是以白熾燈為光源，其光路的核心是菱鏡，接收器件為光敏電阻；二是仍
以白熾燈為光源，但光路為同軸反射式結(jié)構(gòu)，是由凸透鏡、半反鏡、濾光
鏡等組成，接收器件為光電池；三是基于CCD圖像傳感技術(shù)的跑偏檢測(cè)方 案；四是以發(fā)光二極管替代白熾燈為光源的方案。在一、二方案中，由于 白熾燈發(fā)熱量大、傳感器腔內(nèi)溫度高，易導(dǎo)致溫漂與器件老化，此外，由 于白熾燈光譜成分的局限性而導(dǎo)致檢測(cè)的色盲問(wèn)題；在方案三中，目前主 要問(wèn)題在于實(shí)時(shí)性有待提高，適于帶材運(yùn)行速度較低及對(duì)跟線精度要求高 的場(chǎng)合；在方案四中，目前主要問(wèn)題在于信噪比有待提高，靈敏度不夠， 不適于生產(chǎn)速度較高的場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有的跑偏傳感器存在的色盲、功耗及溫漂 大、信噪比低等問(wèn)題，提供一種基于穩(wěn)光LED的高靈敏、無(wú)色盲、能適于 帶材高速生產(chǎn)場(chǎng)合的具有檢測(cè)帶材邊緣、帶材表面的印刷圖案邊緣、及帶 材表面的印刷標(biāo)志線等跑偏的新型反射式光電跑偏傳感器。
本發(fā)明包括外殼，外殼為長(zhǎng)方體，其底面開(kāi)有窗口，窗口面上設(shè)置有 保護(hù)鏡。外殼內(nèi)對(duì)應(yīng)窗口位置設(shè)置有白光LED光源，白光LED光源正下方 依次設(shè)置有聚光鏡、上物鏡、分光鏡和下物鏡，其中聚光鏡、上物鏡和下物鏡均為凸透鏡，且均與保護(hù)鏡平行設(shè)置，白光LED光源位于聚光鏡上方 的焦點(diǎn)處，下物鏡的上方焦點(diǎn)與上物鏡的下方焦點(diǎn)重合。分光鏡為反光 鏡，其下面為反光面，分光鏡與保護(hù)鏡的平面夾角為45度；分光鏡在上
物鏡下方焦點(diǎn)處開(kāi)有直徑為1 3mm的通孔。分光鏡的反射光路上依次設(shè) 置有像鏡、濾光鏡和兩個(gè)光敏接收器件，其中像鏡為凸透鏡、濾光鏡為平 面濾光鏡，像鏡和濾光鏡均與保護(hù)鏡垂直設(shè)置。兩個(gè)光敏接收器件均為片 狀的硅光電池，其平面形狀為直角三角形；兩個(gè)光敏接收器件處于同一平 面，且與濾光鏡平行；兩個(gè)光敏接收器件的斜邊位置對(duì)應(yīng)，組合后為成長(zhǎng) 方形。所述的白光LED光源的發(fā)射光為圓錐型散射光，圓錐型散射光內(nèi)的 邊沿位置設(shè)置有感光的光源光電池。光源光電池和兩個(gè)光敏接收器件均與 設(shè)置在外殼內(nèi)的穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板連接。外殼上固定設(shè)置的航空 連接件與穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板連接。
穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板的印刷電路板上固定設(shè)置有信號(hào)連接件、 光照電流-電壓變換器、L電流-電壓變換器、L電流-電壓變換器、邊信 號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算放大器、穩(wěn)光控制器、LED驅(qū)動(dòng)器。其中，L 信號(hào)電流-電壓變換器和12信號(hào)電流-電壓變換器的輸入端分別與兩個(gè)光敏 接收器件連接，L電流-電壓變換器的輸出端與線信號(hào)運(yùn)算放大器的輸入 端連接，12電流-電壓變換器的輸出端與邊信號(hào)運(yùn)算放大器的輸入端連 接，邊信號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算放大器的輸出端分別與信號(hào)連接件的 輸入端連接；光源光敏器件的輸出端與光照電流-電壓變換器的輸入端連 接，光照電流-電壓變換器的輸出端與穩(wěn)光控制器的輸入端連接，穩(wěn)光控 制器的輸出端與白光LED光源的控制端連接，來(lái)自信號(hào)連接件的電源端的 正負(fù)5V電源電壓分別與各電流-電壓變換器，邊信號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào) 運(yùn)算放大器、穩(wěn)光控制器的正負(fù)5V電源端連接，信號(hào)連接件的輸出端與 外殼上的航空連接件連接。
本發(fā)明中的白光LED光源、光源光敏器件、三角形的光敏接收器件、 聚透鏡、上物鏡、分光鏡、下物鏡、像鏡、濾光鏡、保護(hù)鏡、信號(hào)連接 件、各電流-電壓變換器，邊信號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算放大器、穩(wěn)光 控制器、LED驅(qū)動(dòng)器、航空連接件等均采用的成熟產(chǎn)品，可以通過(guò)市場(chǎng)取 得。例如信號(hào)連接件采用CH2.54型連接件、航空連接件采用Y4-7TK/7ZJ航空連接件、各電流-電壓變換器均采用TLC2652、邊信號(hào)運(yùn)算放 大器與線信號(hào)運(yùn)算放大器均采用AD623、穩(wěn)光控制器采用LM258、 LED采用CL-H10W、 LED驅(qū)動(dòng)器采用C8050、光源光敏器件采用2CR21型硅光電 池、兩個(gè)光敏接收器件均采用2CR10X20三角形硅光電池、聚光鏡采用 ①14R14d3型、上物鏡采用①17R17d3.6型、下物鏡采用①10R10d2型、像 鏡采用①15R17d3型、濾光鏡采用cM5d1.5蘭色型、分光鏡采用34X20 (中心孔①1.5)、保護(hù)鏡采用16X12X1.5。
本發(fā)明的有益效果是采用穩(wěn)光控制技術(shù)使光源穩(wěn)定、采用高亮度的 白光LED以克服白熾燈光譜導(dǎo)致的檢測(cè)色盲問(wèn)題并消除了傳感器的發(fā)熱、 克服了溫漂問(wèn)題、采用具有中心通孔的分光鏡克服半反鏡對(duì)光源照度及反 射信號(hào)的損失，使檢測(cè)的信噪比與靈敏度得以很大提高，此外，直接分別 輸出帶材邊緣跑偏信號(hào)與標(biāo)志線跑偏信號(hào)，使后續(xù)應(yīng)用處理很簡(jiǎn)便。本發(fā) 明在諸如軟包裝印刷、塑料薄膜、紙類生產(chǎn)加工、紡織物、膠帶、金屬箔 帶等各類帶材的加工、生產(chǎn)過(guò)程中檢測(cè)帶材邊緣、帶材表面的印刷圖案邊 緣或標(biāo)志線的跑偏及糾偏控制方面用途廣泛、使用方便。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為分光鏡的結(jié)構(gòu)示意圖3為邊緣跑偏在接受器件上的成像位置關(guān)系示意圖； 圖4為標(biāo)志線跑偏在接受器件上的成像位置關(guān)系示意圖； 圖5為穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，基于穩(wěn)光LED的帶材跑偏光電傳感器包括外殼1，外殼 1為長(zhǎng)方體，其底面開(kāi)有窗口，窗口面上設(shè)置有保護(hù)鏡9。外殼1內(nèi)對(duì)應(yīng) 窗口位置設(shè)置有白光LED光源2，白光LED光源2正下方依次設(shè)置有聚光 鏡13、上物鏡12、分光鏡11和下物鏡10，其中聚光鏡13、上物鏡12和 下物鏡10均為凸透鏡，且均與保護(hù)鏡9平行設(shè)置，白光LED光源2位于 聚光鏡13上方的焦點(diǎn)處，下物鏡10的上方焦點(diǎn)與上物鏡12的下方焦點(diǎn) 重合。分光鏡11為反光鏡，其下面為反光面，分光鏡11與保護(hù)鏡9的平 面夾角為45度。分光鏡11的反射光路上依次設(shè)置有像鏡8、濾光鏡7和 兩個(gè)光敏接收器件6，其中像鏡8為凸透鏡、濾光鏡7為平面濾光鏡，像 鏡8和濾光鏡7均與保護(hù)鏡9垂直設(shè)置。白光LED光源2的發(fā)射光為圓錐 型散射光，圓錐型散射光內(nèi)的邊沿位置設(shè)置有感光的光源光電池4。光源 光電池4和兩個(gè)光敏接收器件6均與設(shè)置在外殼1內(nèi)的穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板5連接。外殼1上固定設(shè)置的航空連接件3與穩(wěn)光控制與信號(hào)處
理電路板5連接。圖中帶箭頭虛線為檢測(cè)光路。
如圖2，分光鏡11在上物鏡12下方焦點(diǎn)處開(kāi)有直徑為1 3mm的通孔。
如圖3和圖4，兩個(gè)光敏接收器件6-1和6-2均為片狀的硅光電池， 其平面形狀為直角三角形；兩個(gè)光敏接收器件6處于同一平面，且與濾光 鏡7平行。兩個(gè)光敏接收器件6的斜邊位置對(duì)應(yīng)，之間具有間隙，組合后 為成長(zhǎng)方形。
如圖5，穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板5的印刷電路板上固定設(shè)置有 CH2. 54型信號(hào)連接件5-5、 TLC2652型光照電流-電壓變換器5-2、 TLC2652型I,電流-電壓變換器5-4、 TLC2652型L電流-電壓變換器5_ 3、 AD623型邊信號(hào)運(yùn)算放大器5-7、 AD623型線信號(hào)運(yùn)算放大器.5-8、 LM258型穩(wěn)光控制器5-6、 C8050型LED驅(qū)動(dòng)器5_1。其中，I,信號(hào)電流-電壓變換器和L信號(hào)電流-電壓變換器的輸入端分別與兩個(gè)光敏接收器件 6連接，L電流-電壓變換器的輸出端與線信號(hào)運(yùn)算放大器的輸入端連接， 12電流-電壓變換器的輸出端與邊信號(hào)運(yùn)算放大器的輸入端連接，邊信號(hào) 運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算放大器的輸出端分別與信號(hào)連接件的輸入端連 接；光源光敏器件4的輸出端與光照電流-電壓變換器的輸入端連接，光 照電流-電壓變換器的輸出端與穩(wěn)光控制器的輸入端連接，穩(wěn)光控制器的 輸出端與白光LED光源2的控制端連接，來(lái)自信號(hào)連接件的電源端的正負(fù) 5V電源電壓分別與各電流-電壓變換器，邊信號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算 放大器、穩(wěn)光控制器的正負(fù)5V電源端連接，信號(hào)連接件的輸出端與外殼 上1的Y4-7TK/7ZJ航空連接件3連接。
如圖3所示，當(dāng)傳感器用于檢測(cè)帶材15的邊緣17跑偏時(shí)，傳感器將 帶材15的邊緣17在由兩片三角形光敏元件6-1和6-2構(gòu)成的長(zhǎng)方形接收 器件組上產(chǎn)生邊緣17的成像19 (圖3中的陰影部分)，將三角形光敏元 件6-1和6-2輸出的信號(hào)L、 L相加并減去背景信號(hào)后即得帶材15的邊 緣17的跑偏信號(hào)yt。
如圖4所示，當(dāng)傳感器用于檢測(cè)帶材15的標(biāo)志線16跑偏時(shí)，傳感器 將帶材15的標(biāo)志線16在由兩片三角形光敏元件6-1和6-2構(gòu)成的長(zhǎng)方形 接收器件組上產(chǎn)生標(biāo)志線16的的成像20，將三角形光敏元件6-1和6-2 輸出的信號(hào)L、 L,相減后即得帶材15的標(biāo)志線16的跑偏信號(hào)y2。工作中，白光LED光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡與上物鏡聚光后穿過(guò)在光路
焦點(diǎn)處呈45度設(shè)置的分光鏡中的小孔、并通過(guò)下物鏡后形成平行光、再經(jīng)一片保護(hù)鏡形成長(zhǎng)方形檢測(cè)光斑照射在帶材表面的被測(cè)區(qū)域，光線在帶材表面被測(cè)的標(biāo)志線或邊緣的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度隨跑偏而變化的反射光，其再經(jīng)保護(hù)鏡、下物鏡及分光鏡反射后通過(guò)與主光路呈度設(shè)置的像鏡、濾光鏡將被測(cè)的帶材邊緣或標(biāo)志線成像在由兩個(gè)光敏接收器件構(gòu)成的長(zhǎng)方形接收器件組上，兩個(gè)光敏接收器件輸出的兩路短路電流信號(hào)分別經(jīng)TLC2652型L電流-電壓變換器、TLC2652型12電流-電壓變換器形成電壓信號(hào)，此兩路電壓信號(hào)再通過(guò)AD623型線信號(hào)運(yùn)算放大器的減法運(yùn)算后形成標(biāo)志線跑偏信號(hào)。同時(shí)，此兩路電壓信號(hào)再通過(guò)AD623型線信號(hào)運(yùn)算放大器的加減法運(yùn)算后形成邊緣跑偏信號(hào)，這兩路跑偏信號(hào)經(jīng)CH2.54型信號(hào)連接件及Y4-7TK/7ZJ航空連接件輸出，實(shí)現(xiàn)了跑偏檢測(cè)功能。此外，用于檢測(cè)白光LED光源照度的光源光電池的輸出短路電流經(jīng)TLC2652型光照電流-電壓變換器形成電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)具有PI調(diào)節(jié)功能的LM258型穩(wěn)光控制器及LED驅(qū)動(dòng)器后對(duì)白光LED光源的照度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的穩(wěn)光控制以進(jìn)一步提高傳感器的性能，穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板上的供電電壓為i5VDC，來(lái)自經(jīng)Y4-7TK/7ZJ航空連接件電源端輸入的外部供電。帶材15在放巻過(guò)程中，當(dāng)其邊緣17或標(biāo)志線16出現(xiàn)橫向跑偏時(shí)，跑偏傳感器即輸出相應(yīng)的信號(hào)到糾偏控制器，經(jīng)糾偏控制器的控制算法運(yùn)算后輸出指令使糾偏執(zhí)行器推動(dòng)放巻機(jī)構(gòu)作與跑偏方向相反的運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到糾偏控制的目的。
權(quán)利要求
1、基于穩(wěn)光LED的帶材跑偏光電傳感器，包括長(zhǎng)方體的外殼，其特征在于外殼的底面開(kāi)有窗口，窗口面上設(shè)置有保護(hù)鏡；外殼內(nèi)對(duì)應(yīng)窗口位置設(shè)置有白光LED光源，白光LED光源正下方依次設(shè)置有聚光鏡、上物鏡、分光鏡和下物鏡；其中聚光鏡、上物鏡和下物鏡均為凸透鏡，且均與保護(hù)鏡平行設(shè)置，白光LED光源位于聚光鏡上方的焦點(diǎn)處，下物鏡的上方焦點(diǎn)與上物鏡的下方焦點(diǎn)重合；分光鏡為反光鏡，其下面為反光面，分光鏡與保護(hù)鏡的平面夾角為45度；分光鏡在上物鏡下方焦點(diǎn)處開(kāi)有直徑為1～3mm的通孔；分光鏡的反射光路上依次設(shè)置有像鏡、濾光鏡和兩個(gè)光敏接收器件，其中像鏡為凸透鏡、濾光鏡為平面濾光鏡，像鏡和濾光鏡均與保護(hù)鏡垂直設(shè)置；兩個(gè)光敏接收器件均為片狀的硅光電池，其平面形狀為直角三角形；兩個(gè)光敏接收器件處于同一平面，且與濾光鏡平行；兩個(gè)光敏接收器件的斜邊位置對(duì)應(yīng)，組合后為成長(zhǎng)方形；所述的白光LED光源的發(fā)射光為圓錐型散射光，圓錐型散射光內(nèi)的邊沿位置設(shè)置有感光的光源光電池；光源光電池和兩個(gè)光敏接收器件均與設(shè)置在外殼內(nèi)的穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板連接；外殼上固定設(shè)置的航空連接件與穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板連接；穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板的印刷電路板上固定設(shè)置有信號(hào)連接件、光照電流-電壓變換器、I1電流-電壓變換器、I2電流-電壓變換器、邊信號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算放大器、穩(wěn)光控制器、LED驅(qū)動(dòng)器；I1信號(hào)電流-電壓變換器和I2信號(hào)電流-電壓變換器的輸入端分別與兩個(gè)光敏接收器件連接，I1電流-電壓變換器的輸出端與線信號(hào)運(yùn)算放大器的輸入端連接，I2電流-電壓變換器的輸出端與邊信號(hào)運(yùn)算放大器的輸入端連接，邊信號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算放大器的輸出端分別與信號(hào)連接件的輸入端連接；光源光敏器件的輸出端與光照電流-電壓變換器的輸入端連接，光照電流-電壓變換器的輸出端與穩(wěn)光控制器的輸入端連接，穩(wěn)光控制器的輸出端與白光LED光源的控制端連接，來(lái)自信號(hào)連接件的電源端的正負(fù)5V電源電壓分別與各電流-電壓變換器，邊信號(hào)運(yùn)算放大器、線信號(hào)運(yùn)算放大器、穩(wěn)光控制器的正負(fù)5V電源端連接，信號(hào)連接件的輸出端與外殼上的航空連接件連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于穩(wěn)光LED的帶材跑偏光電傳感器。現(xiàn)有技術(shù)靈敏度不夠，不適于生產(chǎn)速度較高的場(chǎng)合。本發(fā)明外殼底面開(kāi)有窗口，窗口面上設(shè)置有保護(hù)鏡，外殼內(nèi)對(duì)應(yīng)窗口位置設(shè)置有白光LED光源，白光LED光源正下方依次設(shè)置有聚光鏡、上物鏡、分光鏡和下物鏡，分光鏡與保護(hù)鏡的平面夾角為45度；分光鏡在上物鏡下方焦點(diǎn)處開(kāi)有通孔。分光鏡的反射光路上依次設(shè)置有像鏡、濾光鏡和兩個(gè)光敏接收器件。兩個(gè)光敏接收器件均為片狀的硅光電池，其平面形狀為直角三角形，組合后為成長(zhǎng)方形。白光LED光源附近設(shè)置的光源光電池以及兩個(gè)光敏接收器件均與穩(wěn)光控制與信號(hào)處理電路板連接。本發(fā)明靈敏度高、后續(xù)應(yīng)用處理簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101458066SQ20081016387
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者玲 盧, 陳德傳 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)