专利名称：一种基于ccd的高精度带材偏移检测装置的制作方法
技术领域：
—种基于CCD的高精度带材偏移检测装置技术领域[0001]本实用新型属于自动控制领域中检测传感器技术，是一种适用于金属箔带，冷轧带钢，纸带等各类带材生产线中的基于CCD的高精度带材偏移检测装置。
背景技术：
[0002]随着国民经济的不断发展，尤其是制造业和房地产行业规模的不断扩大，我国钢材的需求量一直呈现上升趋势。传统的钢铁生产加工线运作速度慢，效率低且故障率高，因而钢铁生产加工线的自动化和规模化正不断提高。[0003]在现有冷轧带钢机组中的镀锌线、镀锡线、酸洗线等各类带材生产线中，由于机组具有长度长、数量多、运转速度高等特点，以及带材自身的不平整性，使得带材在生产过程中很容易出现横向左右摆动跑偏和纵向上下颠簸起伏跳跃的现象。[0004]跑偏不仅会影响带材的加工精度与质量,导致带材无法卷齐，还会使得带材边缘碰撞折边，甚至损坏整卷带材。而且由于生产线具有较高的线速度，更严重的跑偏事故还会导致带材在生产过程中与机组设备发生碰撞，而造成设备损坏、断带、停产等严重后果。为解决带材跑偏控制这一问题，国内外许多单位都进行了研究，在各类带材生产线上，研制了中线位置控制系统，其所使用的传输偏移检测方法主要有以下几种类型[0005]I)基于高频日光灯管和受光器组成的偏移检测方法，这类方法基于高频日光灯管，价格相对便宜，但由于高频日光灯管的污染大、寿命低、故障率高，因灯源故障而导致的生产停车事故，尤其是对镀锌线、镀锡线而言，其损失是很大的。另一方面，既然使用的是可见的日光，就要受到环境光线的影响。无论是白天还是晚上，只要有一束阳光或者光线都会严重影响到带材偏移的控制效果，使得其灵敏度较低。此外，由于这类方法使用高频日光灯管作为灯源，而日光灯管损坏后会释放大量的汞，其处理手段复杂，成本很高，环境污染风险极大。据报道，一只普通的日光灯管含有汞高达23毫克，会污染约8000吨水和2400立方米的空气；荧光灯灯管通常使用铅玻璃，铅玻璃中的氧化铅会在各种自然环境下慢慢被置换析出。因此，即使对日光灯管采用填埋或焚烧的方式，这些污染物最终都会以各种形式破坏人类的生存环境，严重�：Φ饺死嘟】�。[0006]2)基于霍尔磁感应技术的偏移检测方法，这类方法基于霍尔磁感应技术，有效地避免了前一方案的寿命低、受环境影响大、灵敏度低等缺点，但由于霍尔磁感应技术本身具有测量范围小、能耗大、价格昂贵的缺点，因此导致基于这类方法的检测传感器在实际使用中，不仅具有量程短、能耗大、价格昂贵等缺点，而且还会因为其测量范围小，导致在垂直方向上，检测传感器与带材之间的间距过�。菀追⑸鲎玻沟么衅骷觳獾ピ暮诵钠骷鱿炙鸹担枰捣钡慕屑觳楹透唬獠唤鎏岣吡似湓诵谐杀荆灿跋炝似湓诖钠瓶刂浦械墓惴河τ�。[0007]3)基于激光技术的偏移检测方法，这类方法基于激光技术，具有工作间距较大，灵敏度较高，能耗较低、环境污染小等优点，但这类方法适用范围很窄，对待检测的带材的厚度要求很高，需要严格控制在2-4毫米之间，否则无法正常工作，这使得该方法无法应用于很多薄板材的加工工序。此外，这类方法还有量程较短、价格昂贵、稳定性较差，安装维护困难等缺点，无法满足带材偏移检测的要求，因此也没有得到广泛的应用。[0008]为解决这些问题，专利ZL200610124524. 7《带材传输偏移检测传感器》公开了一种基于红外线的带材传输偏移检测传感器，该传感器有效解决了上述两类传感器所存在的污染大、寿命低、受环境影响大、能耗大、价格昂贵等缺点，但其却具有安装校准困难，精度较低，稳定性不高，漂移现象严重、灵敏度受发送器与接收器之间的距离影响较大等缺点， 同样影响了其在带材偏移控制中的应用效果。[0009]针对现有技术所存在的问题，本实用新型提出了一种基于红外线阵CCD技术的新型高精度带材偏移检测方法及其装置。它具有安装简单，校准简便、灵敏度好、精度很高、抗干扰性强、稳定可靠、零漂移、能耗极低、价格低廉、故障率低、无污染，量程和工作间距大， 不受环境影响等优势，较好地解决了现有技术所存在的问题。实用新型内容[0010]本实用新型的目的是提供一种具有安装简单，校准简便、灵敏度高、抗干扰性强、 稳定可靠、零漂移、能耗极低、价格低廉、故障率低、无污染，量程和工作间距大，不受环境影响的基于CCD的高精度带材偏移检测装置，以克服现有技术的不足。[0011]为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是[0012]一种基于CXD的高精度带材偏移检测装置，包括红外发射装置和红外接收装置， 其中红外发射装置和红外接收装置分别固定在传输中的带材边沿两端，红外发射装置和红外接收装置的固定位置相互对应，红外发射装置、被检测的带材和红外接收装置的位置相互平行。[0013]红外发射装置包括电源单元、脉冲发生单元、变频脉冲驱动单元、红外发射单元和光学处理单元，红外发射装置所述由脉冲发生单元产生一个500-800HZ的低频载波信号和一个20-60KHZ的高频脉冲信号，并通过变频脉冲驱动单元，将高频脉冲信号于低频载波信号进行复合处理，从而得到一种具有高抗干扰和高可靠性能力的可变频率的变频复合脉冲信号，并将该脉冲信号输送到红外发射单元，通过光学处理单元进行处理，将所产生的红外光信号变成平行红外脉冲光信号后进行发射。其中，红外发射单元是由至少两个以上的红外发射管按串并联方式联接构成。[0014]红外接收装置负责接收由红外发射装置发射的红外平行光信号，红外接收装置包括滤光器、电源单元、线阵CCD组单元、CCD驱动电路单元、信号预处理电路单元、二值化处理电路单元以及转换输出电路单元，所述线阵CCD组单元由至少两个以上的红外线阵CCD 排列构成。当红外发射装置和红外接收装置之间有带材经过时，带材将会遮挡部分由红外发射装置发射的红外平行光信号，在红外接收装置的线阵CXD组上形成阴影区，阴影区域的大小与带材的偏移程度密切相关。因此，在本实用新型中，红外接收装置通过读取线阵 CCD组单元按时间串行输出的信号，读取线阵CCD组的感光长度，经过信号预处理电路单元对所接收的信号进行预处理，然后由二值化处理电路单元进行计算，即可得出带材在红外接收装置上的投影量以及带材的偏移程度，并通过转换输出电路单元将计算结果进行处理，后按中线位置控制系统的要求进行输出。[0015]由于本实用新型引入了红外线阵CCD技术，使用红外光作为检测介质，排除了外界光源的干扰，有效地避免了在工厂环境中的各类光线对测量结果的干扰。此外，由于红外线阵CCD具有高密度集成特征，因此，本实用新型能够得到相当高的测量精度，其精度可达 O. 001mm，能够有效地满足硅钢生产线等具有高精度特殊要求的生产线的偏移检测需要。[0016]此外，本实用新型采用全数字电路构成，使得本实用新型较已有技术具有更简单的结构、更强的抗干扰能力、更高的灵敏度、更快的响应速度、更低的能耗以及更加低廉的价格，较好地解决了现有技术所存在的问题。[0017]本实用新型不仅用在带材生产线的带式传输中线位置控制系统中，还同样适用于造纸厂的纸带、织布厂的布匹、塑料厂的塑料膜生产、带式输送机等带式传输系统的传输位置偏移的检测控制系统中。
[0018]图I为本实用新型的原理图。[0019]图2为图I的A向视图。[0020]图3为本实用新型实施例的组成结构示意图。[0021]图4为本实用新型实施例的红外发射装置光学处理单元原理结构图。[0022]图5为本实用新型实施例的红外发射装置的电路原理图。[0023]图6为本实用新型实施例的红外接收装置的总体框图。[0024]图7为本实用新型实施例红外接收装置中的线阵CXD组单元物理结构图。[0025]图8为本实用新型实施例红外接收装置中的CXD驱动电路单元电路原理图。[0026]图9为本实用新型实施例红外接收装置中的信号预处理电路单元、二值化处理电路单元和转换输出电路单元电路原理图。
具体实施方式
[0027]
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本实用新型的限制。[0028]由图I可知，本实用新型实施例包括红外发射装置和红外接收装置两个组成部分。红外发射装置和红外接收装置安装在带钢传输线的同侧，并且要求在水平方向上保持平行，在垂直方向上保持相互对应。其A向视图如图2所示。[0029]由图3可知，红外接收装置2和红外发射装置3被分别固定在传输中的运动带材 I边沿的上下两端。其中，红外接收装置2和红外发射装置3外壳均为长方体，相对一侧各开有窗口，窗口上安装有保护镜6。红外接收装置2内安装有红外接收管阵列及信号处理电路板4。红外发射装置3内安装有红外发射电路5。图3中的实箭头为红外发射装置3向红外接收装置2投射的平行红外光。图3中的虚线表示的是被运动带材I遮住的红外检测信号。[0030]如图4所示，本实用新型实施例的红外发射装置光学处理单元将经由12个红外发光管所组成的红外发射单元所产生的红外光信号，通过凸透镜折射形成了平行红外脉冲光信号。图4中的凹槽由不透红外光的条状塑料9制成，表面开有12个孔，作为孔径光阑控制红外发光管的有效光束范围，一方面减少了红外发射管之间的干扰，另一方面避免了反射光对平行光源的影响。凸透镜8采用田径跑道式的透镜，通过对结构的优化，一方面满足了长距离的平行光的需要，另一方面克服了普通圆形透镜造成的平行光盲区的影响，并且具有安装简便的特点。红外发射装置工作过程中，12个红外发射二极管7作为点光源，通过凹槽的孔径光阑约束，发出一定宽度范围的红外光束，经凹透镜8的折射，形成长条形平行光。[0031]图5中展示了红外发射装置的电路原理图。由图5可知，该电路包括了电源单元、 脉冲发生单元、变频脉冲驱动单元和红外发射单元等四个部分。其中，红外发射单元由12 个串联的红外发射管RD1-RD12构成。RD1-RD12的作用是提供作为检测信号的红外光信号。 脉冲发生单元由2块NE555芯片和少量外围电路构成，产生一个500-800HZ的低频载波信号和一个20-60KHZ的高频脉冲信号。脉冲发生单元的输出端同变频脉冲驱动单元相连，通过变频脉冲驱动单元，将高频脉冲信号于低频载波信号进行复合和放大处理，从而得到一种具有高抗干扰和高可靠性能力的可变频率的变频复合脉冲信号，实现对红外发射电路的调制。变频脉冲驱动单元的集电极同红外发射单元发射电路的负端相连，驱动红外发射单兀产生红外光信号。[0032]如图6所示，本实用新型实施例的红外接收装置由滤光器、电源单元、线阵C⑶组单元、CCD驱动电路单元、信号预处理电路单元、二值化处理电路单元和转换输出电路单元构成。其中，滤光器起到了过滤环境光线，滤除干扰的作用，其目的是将红外光以外的其它光线滤除，使得红外接收装置不会受到环境光线的影响，从而提高了红外接收装置的精确度。线阵CXD组单元由四块规格为150 X 5，分辨率为600dpi的红外线阵(XD，分2排按交错方式排列而成，负责接收由红外发射装置所发射的平行红外脉冲光信号，其物理结构如图7 所示，有效地克服了红外线阵CCD边缘地带的检测盲区，提高了检测的精确度和灵敏度，避免了带材位于盲区内小幅度偏移时所出现的无法检测的情况。CCD驱动电路单元由现场可编程门阵列FPGA进行驱动，其驱动电路如图8所示，其输出为从红外线阵CCD中采集得到的有效像素单元的线性串行信号。由图8所示的CCD驱动电路单元电路图可知，该电路利用FPGA的并行工作的特点，使用FPGA晶振分频，分别产生四路严格时序，严格相位的驱动信号，分别通过四个反相器与线阵CXD芯片的OSG，ΦΙ Φ1，Φ2引脚相连接，再经过三极管将信号放大后经过OS端输出，得到有效像素单元的线性串行信号，接入信号预处理电路单元。在本实用新型实施例中，信号预处理电路单元的电路如图9中相应部分所示，其作用是通过差动放大和低通滤波方式实现包络检波，通过电阻和电容和运算放大器，滤除高次杂波，完成反向，放大，滤除直流成分的功能，达到优化信号波形的目的，以便接入二值化处理电路单元。二值化处理电路单元包括二值化子电路和AD采样子电路两部分组成。二值化子电路采用的是可变阈值的电压比较电路，其结构如图9中二值化子电路部分所示。其中，运算放大器工作在非线性工作区，反向输入端接收低通滤波后的信号，正向输入端与滑动变阻器相接，通过调节滑动变阻器的分压，来控制阈值的大�。佣视こЩ肪车牟煌枨�。随后，AD采样子电路负责接收由二值化子电路产生的二值化后的信号，通过高速AD 转换芯片TLC5510进行采样，AD芯片的采样值、AD芯片的时钟信号由FPGA输出的CXD驱动信号中的RS信号提供，AD芯片的使能信号由FPGA输出的CCD驱动信号中的SH信号提供，从而保证了 AD芯片在时序上和CXD的输出严格一致，然后再将AD转换后的数字量送入 FPGA进行暂存和计数，因为在时序上是一致，因此保证了输出结果的准确性和测量的精确性。[0033]转换输出电路单元由数模转换芯片DAC构成，其目的是依据所得到的带材的偏移量，按中线位置控制系统的要求输出相应的模拟控制信号。[0034]在本实用新型的输出端连接控制装置后，控制装置就能够完成对带材传输过程中发生偏移事件后进行有效地控制。[0035]很明显，本实用新型并不局限于上述实施例，而是可以在不脱离发明范围和思想的情况下进行变化和修改，故该实施例不应理解为对本实用新型的限制。[0036]本说明书未作详细描述的内容，属于本领域技术人员公知的现有技术。
权利要求1.、一种基于CCD的高精度带材偏移检测装置，包括红外发射装置和红外接收装置，其特征在于所述红外发射装置和红外接收装置分别固定在传输中的带材边沿两端，红外发射装置和红外接收装置的固定位置相互对应，红外发射装置、被检测的带材和红外接收装置的位置相互平行。
2.如权利要求I所述的基于CCD的高精度带材偏移检测装置，其特征在于所述 红外发射装置包括电源单元、脉冲发生单元、变频脉冲驱动单元、红外发射单元以及光学处理单元，所述脉冲发生单元通过变频脉冲驱动单元连接到红外发射单元，红外发射单元连接光学处理单元，其中，红外发射单元是由至少两个以上的红外发射管按串并联方式联接构成； 红外接收装置包括滤光器、电源单元、线阵CXD组单元、CXD驱动电路单元、信号预处理电路单元、二值化处理电路单元以及转换输出电路单元，所述线阵CCD组单元由至少两个以上的红外线阵CXD排列构成，红外接收装置中CXD驱动电路单元连接线阵CXD组单元读取线阵CXD组的感光长度，CXD驱动电路单元通过信号预处理电路单元和二值化处理电路单元与转换输出电路单元连接。
专利摘要本实用新型涉及一种基于CCD的高精度带材偏移检测装置，包括红外发射装置和红外接收装置，所述红外发射装置和红外接收装置分别固定在传输中的带材边沿两端，红外发射装置和红外接收装置的固定位置相互对应，红外发射装置、被检测的带材和红外接收装置的位置相互平行，所述红外接收装置包括线阵CCD组单元。由于本实用新型引入了红外线阵CCD技术，使用红外光作为检测介质，排除了外界光源的干扰，有效地避免了在工厂环境中的各类光线对测量结果的干扰。此外，由于红外线阵CCD具有高密度集成特征，因此，本实用新型能够得到相当高的测量精度，其精度可达0.001mm，能够有效地满足硅钢生产线等具有高精度特殊要求的生产线的偏移检测需要。
文档编号G01B11/02GK202814346SQ20122047362
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者肖攸安, 杜夏, 王霄鹏, 王晶, 王伟, 张润, 戴晓云 申请人:武汉理工大学
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