檢測(cè)控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，其靈敏度及精度直接決定了自動(dòng)化過程的優(yōu)劣。通過對(duì)部分棉紡織企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有一部分紡紗設(shè)備仍使用人工檢測(cè)，不能保證斷條及時(shí)捻接及棉紗粗細(xì)穩(wěn)定性，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量差及生產(chǎn)效率低等問題。選擇匹配的檢測(cè)電路可實(shí)現(xiàn)控制功能，并能在實(shí)際環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)精度可調(diào)式實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。因此，它是產(chǎn)品質(zhì)量及效率提高的保證。
　　鄭州航院機(jī)電研究所基于光電技術(shù)開發(fā)了高精度可調(diào)式檢測(cè)系統(tǒng)。由于紅外線具有較強(qiáng)的穿透能力和抗干擾能力，不易散射且不易引起串干擾，因此該系統(tǒng)基于紅外線傳感技術(shù)并利用調(diào)制/解調(diào)技術(shù)完成了系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射接收，有效地改造了國產(chǎn)FA431、FA541系列高速粗紗機(jī)" title="粗紗機(jī)">粗紗機(jī)，使生產(chǎn)效率提高25～35%，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，受到了使用單位的歡迎。經(jīng)專家認(rèn)證，改造后的FA431粗紗機(jī)在性價(jià)比上優(yōu)于日本豐田公司FL16粗紗機(jī)。該系統(tǒng)不僅可用于紡織機(jī)械，通過對(duì)系統(tǒng)精度、測(cè)量范圍的調(diào)節(jié)，還可應(yīng)用在傳統(tǒng)鍛床、機(jī)床等生產(chǎn)設(shè)備中，系統(tǒng)正確檢測(cè)率達(dá)100%。
1 系統(tǒng)信號(hào)流程及工作原理
　　從信號(hào)發(fā)生器到執(zhí)行機(jī)件，是系統(tǒng)處理紅外信號(hào)的主通道。在主通道中，信號(hào)按圖1所示順序進(jìn)行傳送。

　　紅外接收管是一種光感電" title="感電">感電流源。光感電流隨光通量的增大而增大，光感電流對(duì)電容進(jìn)行充電后，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號(hào)。無遮擋物時(shí)，光路暢通無阻，光感電流最大；有遮擋物通過檢測(cè)區(qū)時(shí)，光路被遮擋一部分，光感電流降低，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(duì)檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度的調(diào)節(jié)，對(duì)被測(cè)物體直徑和面積量的測(cè)控，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢或安全保護(hù)等作用。紅外發(fā)光管和紅外接收管分居光電檢測(cè)區(qū)兩側(cè)，很少需要維護(hù)。在實(shí)際工作環(huán)境中，為了滿足同時(shí)對(duì)多個(gè)工位自動(dòng)檢測(cè)的要求，系統(tǒng)使用接插件連接，安裝位置及結(jié)構(gòu)如圖2所示(本圖為通過接插件實(shí)現(xiàn)多工位檢測(cè))。

　　系統(tǒng)發(fā)光管采用脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，紅外光的產(chǎn)生和拾取分別采用脈沖調(diào)制技術(shù)和同步解調(diào)技術(shù)來完成。脈沖調(diào)制光與直流光相比，一方面增強(qiáng)了抵御環(huán)境雜散光干擾和車間內(nèi)機(jī)電信號(hào)干擾的能力，另一方面由于發(fā)光管工作于脈沖狀態(tài)，其壽命也相對(duì)延長。當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，紅外接收管接收到的光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生突變。因而，凡是變化的光信號(hào)，一概被看作有遮擋信號(hào)。傳統(tǒng)的安全保護(hù)器容易出現(xiàn)誤動(dòng)作，如當(dāng)打開或關(guān)掉照明燈時(shí)，信號(hào)處理單元會(huì)將其判斷為有遮擋信號(hào)而發(fā)生誤操作。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用脈沖調(diào)制/同步解調(diào)技術(shù)，使紅外發(fā)光管一段時(shí)間發(fā)射信號(hào)，一段時(shí)間關(guān)斷信號(hào)，即發(fā)出脈沖形式的紅外光。同樣，紅外接收管也只在紅外發(fā)光管發(fā)射脈沖信號(hào)期間接通工作，大大降低了誤動(dòng)作發(fā)生的機(jī)率。發(fā)光和接收在時(shí)間上保持同步，因而只有紅外發(fā)光管發(fā)出的光才會(huì)被檢測(cè)出來，外界雜散光則全被屏除在外，從而使該控制系統(tǒng)的抗干擾能力大大提高。這是本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的獨(dú)特點(diǎn)。
2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)
　　該控制系統(tǒng)主要由以下功能模塊組成：高穩(wěn)定性低功耗直流電源系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)、紅外脈沖發(fā)射系統(tǒng)、電子自鎖開關(guān)系統(tǒng)、紅外接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、狀態(tài)指示面板等。由于篇幅有限，這里僅對(duì)系統(tǒng)的重要功能模塊的設(shè)計(jì)作一說明。
2.1 紅外脈沖發(fā)射系統(tǒng)
　　為提高紅外光的發(fā)射效率并對(duì)多工位檢測(cè)開關(guān)進(jìn)行控制，本系統(tǒng)采用脈沖編碼方式，大大提高了紅外發(fā)射管的發(fā)射效率。另外，增加紅外光束光學(xué)聚焦系統(tǒng)，降低了對(duì)發(fā)射管功率的要求。紅外脈沖發(fā)射系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。來自信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的方波經(jīng)過緩沖、放大、變頻后，得到較小占空比的脈沖波，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管工作，使得紅外發(fā)光管工作于脈沖狀態(tài)。這樣，可降低平均紅外發(fā)射功率，提高瞬時(shí)發(fā)射功率及抗干擾能力，加大紅外作用距離，并且大大延長了其使用壽命^[3]。

　　為了滿足該裝置的工作要求，可將兩個(gè)以上的紅外發(fā)光管串聯(lián)起來，以提高輸出功率和作用距離，并降低所需電流。
2.2 紅外接收系統(tǒng)
　　紅外接收系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。當(dāng)檢測(cè)區(qū)域無被測(cè)物時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的脈沖光無遮擋，被接收管完全接收，在前置電容上產(chǎn)生負(fù)極性的光敏電壓，此電壓與前置電容兩端所置的電壓大小相等方向相反，沒有信號(hào)經(jīng)過后置電容；當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)中時(shí)，接收管接收到的紅外光的強(qiáng)度發(fā)生變化，從而有信號(hào)經(jīng)過后置電容進(jìn)入后繼信號(hào)處理單元。另外，接收紅外光時(shí)增加了紅外光束光學(xué)聚焦功能，使檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度提高，檢測(cè)距離由幾米增加到幾十米，系統(tǒng)檢測(cè)精度大大增強(qiáng)^[2]。接收管輸出的電信號(hào)很微弱，因而經(jīng)過后置電容的電信號(hào)非常小，需經(jīng)解調(diào)后再進(jìn)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(gòu)成最大受光區(qū)。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(hào)比較電路，對(duì)輸出新電平信號(hào)進(jìn)行處理^[3]。

2.3 信號(hào)處理系統(tǒng)
　　系統(tǒng)采用低功耗、高增益、內(nèi)部帶有頻率補(bǔ)償?shù)乃倪\(yùn)放集成芯片^[4]。當(dāng)無遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，電路中只有直流信號(hào)，電容隔直；當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，接收電路產(chǎn)生輸出突變的電信號(hào)，通過電容向后繼電路傳送，經(jīng)三極管進(jìn)行初步放大，然后再送到放大電路進(jìn)行二次放大。信號(hào)處理系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

　　由于解調(diào)脈沖波與紅外發(fā)射管的工作在時(shí)間上保持同步，且電子自鎖開關(guān)僅在紅外發(fā)射管工作時(shí)接通，所以僅有來自紅外發(fā)射管的光信號(hào)被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關(guān)的方波信號(hào)由阻容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號(hào)被還原出來，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(wǎng)絡(luò)調(diào)整脈沖信號(hào)的高低電平值，以得到合適的電壓來驅(qū)動(dòng)后繼電路。利用集成運(yùn)放負(fù)反饋原理，給信號(hào)處理電路添加靈敏度子系統(tǒng)來調(diào)節(jié)檢測(cè)精度。調(diào)整精度后，系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于其它質(zhì)檢及安全保護(hù)機(jī)械設(shè)備中，如對(duì)傳統(tǒng)無安全保護(hù)裝置的機(jī)床、鍛床等的改造。
3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
　　系統(tǒng)原理圖繪制、仿真調(diào)試及PCB板設(shè)計(jì)均利用EDA(Protel)軟件^[5]進(jìn)行，各部分零件經(jīng)選型、調(diào)試、焊接后，在常溫、常濕、日光燈照環(huán)境下，利用紅外傳感探頭對(duì)被測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)。通過改變測(cè)量距離及被測(cè)物直徑，得出幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

　　從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，由于紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光在空氣中遠(yuǎn)距離傳播時(shí)光束的發(fā)散性以及其它諸如空氣流動(dòng)、塵埃、密度差等因素的影響，隨著測(cè)試距離加大，測(cè)試物體直徑減小，不能達(dá)到預(yù)期的測(cè)試結(jié)果。通過加大發(fā)射功率及改善接收端解調(diào)檢波功能，目前檢測(cè)距離為30m、測(cè)試物直徑為2mm時(shí)，檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上。如何提高檢測(cè)物精度及檢測(cè)距離是本項(xiàng)目今后繼續(xù)研究的重點(diǎn)，也是繼續(xù)擴(kuò)展檢測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵所在。
　　考慮到紅外傳感元件受環(huán)境溫度、照度、濕度等因素的影響較大，通過對(duì)環(huán)境溫度、濕度、照度、燈光頻閃等進(jìn)行調(diào)節(jié)來檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性。在環(huán)境照度≤20000LX、環(huán)境溫度在-15℃~60℃之間、環(huán)境濕度≤90%RH、頻閃≤1500RPM時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，檢測(cè)率(正確停車百分比)不低于90%。測(cè)試數(shù)據(jù)掃描曲線如圖6所示。