基于光電傳感器在帶鋼邊緣檢測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

張 威, 王景存

(武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081)

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基于光電傳感器在帶鋼邊緣檢測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

張 威, 王景存

(武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081)

在帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中，為了滿足帶鋼快速運(yùn)行的速度要求，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了以光電式位置檢測(cè)傳感器為核心的邊緣檢測(cè)系統(tǒng);檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速且精確的對(duì)帶鋼邊緣偏移位置進(jìn)行檢測(cè)；系統(tǒng)通過(guò)兩組位置傳感器組成差分電路檢測(cè)帶鋼邊緣的位置,最終通過(guò)輸出兩組電壓值對(duì)應(yīng)于帶鋼邊緣偏移的方向和距離，將兩組位置信號(hào)傳輸給糾編系統(tǒng);糾偏系統(tǒng)通過(guò)對(duì)位置信號(hào)的監(jiān)測(cè)，從而能夠通過(guò)對(duì)帶鋼的位置進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的控制，保證了生產(chǎn)的安全，帶鋼的邊緣檢測(cè)系統(tǒng)在其他高速帶狀物邊緣檢測(cè)領(lǐng)域中也有廣闊的應(yīng)用前景。

邊緣檢測(cè)；光電傳感器;帶鋼;二值化

0 引言

帶鋼檢測(cè)傳感器目前共有電感式、電容式和光電式等3種類(lèi)型[1]。電容式位置傳感器系統(tǒng)檢測(cè)精度低，遲滯性大，不適合高速的帶鋼檢測(cè)。電磁式位置檢測(cè)系統(tǒng)易產(chǎn)生EMC干擾和受到周?chē)腅MC干擾，對(duì)位置信號(hào)的檢測(cè)精度低。系統(tǒng)采用高速線陣CCD光電式傳感器upd3737作為帶鋼邊緣位置檢測(cè)傳感器。高速線陣CCD 光電檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，同時(shí)在高性能液壓跟蹤控制系統(tǒng)的配下可實(shí)現(xiàn)高速帶鋼智能糾偏控制[2]。

1 EPC對(duì)邊檢測(cè)系統(tǒng)原理及系統(tǒng)組成

1.1 EPC對(duì)邊檢測(cè)系統(tǒng)原理

對(duì)邊控制系統(tǒng)自成一體，為連續(xù)閉環(huán)式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出板帶位置偏差，并將偏差值輸入到電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)的輸出與液壓伺服系統(tǒng)相連，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)叫偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)移動(dòng)，這樣，板帶就準(zhǔn)確地行進(jìn)在預(yù)先調(diào)整好的中心(對(duì)邊)位置上，對(duì)中(對(duì)邊)裝置可使板帶運(yùn)行在對(duì)中(對(duì)邊)精度范圍內(nèi)[3]。帶鋼的位置檢測(cè)精度與采樣速率是對(duì)邊控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

檢測(cè)帶鋼兩個(gè)邊緣的位置信號(hào)，兩路信號(hào)檢測(cè)相互獨(dú)立，電路結(jié)構(gòu)相同，組成差分輸入在糾偏系統(tǒng)內(nèi)處理，從而得到帶鋼邊緣的位置信號(hào)。絕大多數(shù)傳感器由于結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換原理以及后續(xù)數(shù)據(jù)采集部分的非線性，其系統(tǒng)的輸出信號(hào)與被測(cè)物理量之間的關(guān)系是非線性的[4]。為了提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度，消除傳感器的非線性，在糾偏系統(tǒng)中采用線性插值法進(jìn)行非線性校正。當(dāng)進(jìn)行位置信號(hào)檢測(cè)時(shí)，其偏移方向公式(1)，偏移量的大小公式(2)：

(1)

(2)

(3)

在公式中，A為偏移方向，當(dāng)A>0，偏移方向?yàn)樽?，?dāng)A<0，偏移方向?yàn)橛?，A=0，帶鋼沒(méi)有偏移。Vright為右邊位置檢測(cè)信號(hào)電壓大小，Vleft為左位置檢測(cè)信號(hào)電壓大小。Di+1和Di為線性插值法中的采樣點(diǎn)的位置信號(hào)，D為實(shí)時(shí)檢測(cè)帶鋼的位置信號(hào)。Vdiff(i+1)和Vdiff(i)為線性插值法中的采樣點(diǎn)的|Vright-Vleft|的絕對(duì)值。Vdiff為實(shí)時(shí)檢測(cè)帶鋼的位置信號(hào)。在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng)初次進(jìn)行安裝調(diào)試時(shí)，先進(jìn)行非線性化校正，通過(guò)檢測(cè)電壓值Vdiff的大小就可以利用上式計(jì)算出帶鋼的偏移距離。

1.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要有upd3737線陣ccd傳感器為核心的位置檢測(cè)電路和糾偏系統(tǒng)組成的，系統(tǒng)工作時(shí)。對(duì)upd3737采用一定波長(zhǎng)的光源進(jìn)行照射，通過(guò)工業(yè)鏡頭將光線集中到upd3737中，帶鋼遮擋的位置不同，光線的照射強(qiáng)度不同，從而檢測(cè)出對(duì)邊控制系統(tǒng)中帶鋼位置信號(hào)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)的位置檢測(cè)電路主要由位置傳感upd3737、驅(qū)動(dòng)upd3737電路、16D/A轉(zhuǎn)換電路和二值化處理電路組成。upd3737通過(guò)CPLD產(chǎn)生一定時(shí)序的波形驅(qū)動(dòng)upd3737正常工作， upd3737在一個(gè)采樣周期內(nèi)將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同幅度但頻率一定的脈沖信號(hào)，把脈沖信號(hào)通過(guò)比較器的閥值電壓進(jìn)行二值化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)。在一個(gè)周期內(nèi)將得到的標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)傳輸給CPLD進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，在CPLD內(nèi)進(jìn)行脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)處理，將脈沖個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓值的大小，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 位置檢測(cè)電路框圖

通過(guò)SPI通訊方式與16位的D/A進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，電壓信號(hào)實(shí)時(shí)代表著帶鋼的位置信號(hào)。將電壓信號(hào)傳送給糾偏系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 upd3737簡(jiǎn)介

upd3737型圖像傳感器是一種高靈敏度、低暗電流、5 150像元內(nèi)置采樣保持電路的線陣CCD圖像傳感器。CCD是由按一定規(guī)律排列的MOS陣列組成，陣列中的每一個(gè)基本單元是一個(gè)MOS電容器[5]。upd3737的光譜響應(yīng)對(duì)波長(zhǎng)為530 nm的光具有最好的響應(yīng)，而所選半導(dǎo)體燈光輸出光波長(zhǎng)為535 nm，非常接近CCD的最佳響應(yīng)波長(zhǎng)。

upd3737的移位寄存器的最高速率為20 MHz,在一次采樣周期內(nèi)最少需要2593個(gè)移位脈沖信號(hào)。位置信號(hào)的采樣周期最大為400 Hz，滿足目前工業(yè)中高速運(yùn)行的帶鋼的采樣要求。

2.2 upd3737驅(qū)動(dòng)及輸出信號(hào)處理

upd3737的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平為5 V,連接反相器74HC04，使用反相器提高了CPLD的驅(qū)動(dòng)能力。通過(guò)反相器74HC04與CPLD的I/O連接，CPLD產(chǎn)生一定工作時(shí)序的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)upd3737，經(jīng)過(guò)反相器的驅(qū)動(dòng)脈沖連接到P1接口上。upd3737的輸出信號(hào)電路如圖3所示。

圖3 upd3737輸出電路原理圖

P1接口的時(shí)序方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)upd3737，使upd3737在一個(gè)周期內(nèi)將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為一定個(gè)數(shù)的高脈沖信號(hào)。upd3737輸出信號(hào)的單個(gè)脈沖幅值為隨著光照強(qiáng)度不同而變化，upd3737有5 150個(gè)像元，每個(gè)像元代表一個(gè)電壓幅度。輸出的的高幅值的脈沖個(gè)數(shù)最多為5 150個(gè)。計(jì)數(shù)高于一定幅值的脈沖個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出光照強(qiáng)度，光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)著帶鋼的位置。

2.3 二值化處理電路

upd3737的輸出幅值不等的脈沖在一個(gè)周期內(nèi)的頻率為4 MHz，TVL3501為高速比較器，響應(yīng)速度為4.5 ns，滿足壓擺率的設(shè)計(jì)要求。二值化處理電路如圖4所示。將upd3737的輸出不同幅值的脈沖信號(hào)進(jìn)行二轉(zhuǎn)化處理為T(mén)TL電平信號(hào)。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R23，選擇閥值電壓進(jìn)行二值化處理。

圖4 二值化處理原理圖

upd3737的脈沖信號(hào)中的低于閥值電壓的電平二值化處理為低電平。高于閥值電壓的電平二值化為高電平。計(jì)算upd3737的輸出一個(gè)周期內(nèi)高脈沖的個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出光照強(qiáng)度。

2.4 電壓輸出電路

CPLD在upd3737的一個(gè)周期內(nèi)，通過(guò)二值化處理后得到的標(biāo)準(zhǔn)的TTL脈沖信號(hào)，在CPLD內(nèi)處理脈沖個(gè)數(shù)，將脈沖個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓大小, 為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用高速光耦進(jìn)行傳輸隔離。通過(guò)隔離光耦控制16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX5436。最終將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)著光照強(qiáng)度，將電壓信號(hào)輸出給糾偏系統(tǒng)監(jiān)測(cè)帶鋼的位置信號(hào)。

圖5 電壓輸出原理圖

MAX5436的分辨率65536,upd3737有5 150個(gè)像元，當(dāng)有一個(gè)像元變化時(shí)，16位的MAX5436 能夠輸出不同的電壓值。CPLD通過(guò)SPI接口通訊的方式控制帶鋼位置信號(hào)的電壓輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

初次安裝系統(tǒng)時(shí)，由于安裝的位置誤差和檢測(cè)的帶鋼的寬度不同，同時(shí)也為了消除傳感器的非線性化，提高系統(tǒng)的精度。必須先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做線性化校正處理。

線性化校正處理過(guò)程如下：當(dāng)帶鋼在中心時(shí)，記錄并存儲(chǔ)兩邊的電壓信號(hào)，依次記錄向左右個(gè)偏離50 mm，100 m，150 mm，200 mm，的電壓信號(hào)，在程序中每段做線性插值法處理，提高檢測(cè)精度和適應(yīng)不同帶鋼的檢測(cè)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 帶鋼對(duì)邊位置檢測(cè)結(jié)果與分析

糾偏系統(tǒng)檢測(cè)兩組位置信號(hào)的電壓值，根據(jù)電壓值的大小判斷偏移位置的方向和距離。在帶鋼中心位置時(shí)，調(diào)節(jié)位置傳感器使得左右兩邊位置檢測(cè)信號(hào)的電壓值處于量程的中心位置。在帶鋼向任何一邊跑偏的時(shí)候，防止帶鋼的位置超出測(cè)量量程。

檢測(cè)電路的信號(hào)值與偏移的位置的關(guān)系如表1所示。帶鋼的位置檢測(cè)精度在偏移中心點(diǎn)小于50 mm時(shí)，測(cè)量誤差小于1 mm，在滿量程偏移中心點(diǎn)200 mm內(nèi)，系統(tǒng)的位置檢測(cè)誤差不超過(guò)2 mm，當(dāng)帶鋼出現(xiàn)位置偏移時(shí)，糾偏系統(tǒng)快速的控制帶鋼的偏移，使帶鋼處于中心點(diǎn)位置。帶鋼出現(xiàn)很小的偏差時(shí)，糾偏系統(tǒng)能夠迅速的使帶鋼回到中心點(diǎn)。在中心點(diǎn)50 mm內(nèi)的偏移時(shí)，帶鋼的控制誤差不大于1 mm。滿足工業(yè)控制過(guò)程中對(duì)高速帶鋼的位置控制要求。

表1 電壓與位置關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高速帶鋼的邊緣位置信號(hào)檢測(cè)的要求，光電式位置信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)很好的滿足了高速帶鋼檢測(cè)時(shí)的測(cè)量精度和響應(yīng)速度的要求。同時(shí)，光電式位置信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)不受檢測(cè)帶狀物的外形和材料的影響，可檢測(cè)各種高速帶狀物的邊緣位置信號(hào)，在其他的帶狀物邊緣檢測(cè)系統(tǒng)中也能得到充分的應(yīng)用。

[1] 劉 寧，王躍民.帶鋼糾偏系統(tǒng)(CPC)分析及其應(yīng)用[J]. 中國(guó)儀器儀表，2009(8)：89-91.

[2] 何平安,彭曉鈞,王衛(wèi)平，等. 基于雙線陣CCD 的EPC/CPC 數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)[J]. 光電子·激光,2006，17(5)：608-611.

[3] 顧 軍,劉 震,麻 潔. 鋼帶自動(dòng)對(duì)中(對(duì)邊)CPC/EPC糾偏控制系統(tǒng)[J].江蘇冶金,2004，32(6)：49-51.

[4] 劉 寧，王躍民.基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器系統(tǒng)的非線性校正[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24(2)：201-205.

[5] 戴 焯.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2010.

Design of Strip Edge Detection System Based on Photoelectric Sensor

Zhang Wei, Wang Jingcun

(College of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

In the process of strip production, taking the photoelectric position detection sensor as the core of edge detection system is designed to meet the requirements of the fast running speed and improve the production efficiency. The detection system can detect the position of the strip edge quickly and accurately. The position of the strip edge is detected by the Two set of position sensor differential circuit，The output voltage value of the two sets is corresponding to the direction and distance of the strip edge, and the two position signal is transmitted to the correction system. Through the detection of position signal, the system can quickly and accurately control to the position of the strip and ensure the safety of production, and it has wide application prospect in other high-speed strip edge detection.

edge detection; photoelectric sensor; strip; binarization

2015-10-07；

2015-11-12。

張 威(1990-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事數(shù)字信號(hào)處理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的研究。

王景存(1963-)，男，教授，主要從事數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)控制方向的研究。

1671-4598(2016)03-0033-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.010

TM930.9

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