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作者：張毅

  本文研發(fā)的高速在線金屬罐漏光檢測系統(tǒng)，利用光電倍增管對光強的量化測量與分析，可以檢測出金屬罐是否存在有微孔或者裂縫等瑕疵問題，并將次品剔除。該系統(tǒng)較常規(guī)的氣壓檢測具有明顯優(yōu)勢，具有非接觸性、高速度、高精度、響應速度更快的特點，滿足現(xiàn)代高速高質(zhì)量生產(chǎn)的需求。

1  系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

  由于金屬罐包裝市場競爭不斷加劇，眾多制罐企業(yè)關(guān)注于在保證質(zhì)量的情況下，如何最大限度地減小板料厚度，減輕單罐質(zhì)量，提高材料利用率。但在實現(xiàn)金屬罐輕量化的過程中，材料厚度不均、過度拉伸等經(jīng)常造成罐體出現(xiàn)微孔、裂縫等瑕疵。常用壓力金屬罐，如灌裝啤酒、可樂等易拉罐在噴涂或覆膜前，對微

孔等瑕疵的基本要求是最小檢測尺寸達到0. 002 inch(0.050 8mm)，而在線檢測的最大檢測速度要達到3 000個/min。

  為了檢測出最小0. 002 inch的微孔，本文采用檢測漏光的方法，即在金屬罐的外部用強光照射，然后利用光電倍增管模塊來探測透過金屬罐的微弱光，依據(jù)透過金屬罐光強的強弱來判斷金屬罐是否存在瑕疵。為滿足系統(tǒng)高速在線的檢測要求，本文整體系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示，主要由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)組成。測量系統(tǒng)將透過金屬罐微弱光信號量轉(zhuǎn)換電信號量并通過濾波等有效的信號調(diào)理處理。控制系統(tǒng)根據(jù)罐體檢測流水線光電觸發(fā)信號采樣弱光信號，然后做出相應的瑕疵判斷及剔除等操作和處理。照明系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的光照，由于光電倍增管的高度靈敏性，光照強度在長期運行中必須具有一定穩(wěn)定性，且能根據(jù)光電倍增管鏡頭積灰狀況主動調(diào)整校準。

  系統(tǒng)基本工作原理：通過測量系統(tǒng)檢測透過金屬罐的漏光信號并完成信號轉(zhuǎn)換處理輸出有效電信號量，如果控制系統(tǒng)采集信號量超過基準值就發(fā)送控制信號給執(zhí)行機構(gòu)，剔除被檢測出的壞罐。同時，考慮到生產(chǎn)線上有可能存在漏罐現(xiàn)象，為避免強光直接進入光電倍增管，導致光電倍增管過飽和，設(shè)計了快門機構(gòu)用來在出現(xiàn)空罐檢測時能夠快速擋住測量光孔。本文采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)整個控制系統(tǒng)，設(shè)置了兩個光電開關(guān)、一個霍爾開關(guān)來提供中斷觸發(fā)信號�；魻栭_關(guān)提供每次采樣并數(shù)據(jù)處理的啟動信號，保障在高速條件下能夠安全穩(wěn)定工作，光電開關(guān)為系統(tǒng)提供進罐和出罐信號。

  金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)的硬件模塊組成主要包括帶門控光電倍增管模塊、濾波放大器模塊、微處理器控制器、PWM智能調(diào)光驅(qū)動模塊、電源模塊、各類傳感器和快門驅(qū)動電路模塊。

2  系統(tǒng)的實現(xiàn)

  金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)的實現(xiàn)關(guān)鍵在于解決微弱光的在線檢測以及高速邏輯控制問題，需要采用具有靈敏度高、線性度高、噪聲小等特征的光電探測器，構(gòu)建基于具有采樣精度高、數(shù)據(jù)處理能力強的MCU高實時性嵌入式控制系統(tǒng)。

2.1檢測與控制系統(tǒng)與設(shè)計

  結(jié)合高速在線漏光檢測系統(tǒng)的具體應用要求，本文采用高性能MCU構(gòu)建嵌入式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采樣與分析、實時快門控制、LED照明系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)光、實時有效地給出剔除信號、與上位機實時通信等任務。

  所構(gòu)建的嵌入式控制器要求具有較強的數(shù)據(jù)處理能力、較高的A/D速率和高速且穩(wěn)定的通信速率。由于ARM芯片成本較低、技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高和外圍接口豐富的基本特點，比較適合于工業(yè)過程中當作嵌入式控制器。本系

統(tǒng)采用STM32F207增強型MCU，其工作主頻120 MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器12位轉(zhuǎn)換精度，1μs轉(zhuǎn)換時間，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣高精度和數(shù)據(jù)處理高速度的要求。

  所構(gòu)建的弱光檢測與控制系統(tǒng)解決方案如圖2所示，金屬罐隨著生產(chǎn)流水線依次進入檢測工位。當?shù)轿粚�準時，觸發(fā)霍爾開關(guān)產(chǎn)生中斷信號，系統(tǒng)進入弱光檢測工作時序；而當金屬罐未到達檢測工位時，快門處于關(guān)閉狀態(tài)。微處理器依據(jù)當前所處的工作模式，執(zhí)行相應的任務。當系統(tǒng)處于學習模式時，即所有的檢測金屬罐都是合格品，將檢測所得的數(shù)據(jù)建立生成一個合格數(shù)據(jù)庫。當系統(tǒng)處于檢測模式時，微處理器依據(jù)已學習合格數(shù)據(jù)庫，判斷所測金屬罐是否合格。

2.2光電倍增管及后端電路設(shè)計實現(xiàn)

  本文采用光電倍增管( PMT)作為系統(tǒng)的光電探測器，設(shè)計了基于光電倍增管的弱光檢測系統(tǒng)。在弱光檢測方面，光電倍增管是性能最好的一種，在靈敏度、響應速度、噪聲系數(shù)和線性度性能上遙遙領(lǐng)先于其他光電傳感器件。

  光電倍增管一般由光陰極、聚焦電極、電子倍增極系統(tǒng)和陽極組成，同時，配套的高壓偏置電路為各電極提供必要而穩(wěn)定的電壓分布，以得到穩(wěn)定的倍增總增益并使輸出具有最大信噪比。

  本系統(tǒng)要求檢測出最小0.002 inch的微孔，當光子透過微孔進入光電倍增管，與光電材料物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出，即發(fā)生光電發(fā)射效應。光電子在外電場的作用下，經(jīng)多次聚焦在倍增電極碰撞發(fā)射材料，再經(jīng)多次倍增信號最后被陽極接收并輸出電子流。光電倍增管內(nèi)部簡化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)采用PMT模塊使用多堿性光電陰極，測量的光波長范圍280~850 nm，轉(zhuǎn)換增益為1 V／μA，輸出響應時間15μs。實驗測試證明，該光電倍增管模塊能夠有效檢測出透過金屬罐的微弱光信號，即能夠有效分辨出金屬罐0. 002  inch的微孔瑕疵。

  通過實驗測量光電倍增管輸出波形可發(fā)現(xiàn)采用的光電倍增管輸出信號具有一定的高頻噪聲，在高速檢測中易造成誤判。因此，根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計有源低通濾波放大電路，主要由電阻、電容、運算放大器組成，可以實現(xiàn)高品質(zhì)的濾波效果，濾除高頻噪聲并放大信號，提高信噪比。考慮系統(tǒng)最高檢測速度57個/s，即有效信號的最大頻率為57 H，因此設(shè)計低通濾波器的截止頻率為100 H。系統(tǒng)采用二階有源低通濾波電路除去噪聲，設(shè)計有源濾波器的最大優(yōu)點就是濾波器的參數(shù)設(shè)計變得簡單。設(shè)計的有源低通濾波放大電路如圖4所示。

該濾波器的傳遞函數(shù)如式(1)所示。

  因此，按巴特沃斯LPF歸一化表，取f1=1，Q=0.707，則Avp  =1.59 <3，電路能夠穩(wěn)定工作，不會產(chǎn)生自激震蕩。若取C= 100 nF，則電阻值R=R1=R2的阻值計算為：

  計算值約16 kΩ，實際取R4=R5=16 kΩ，R2=10 kΩ．R1 =6 kΩ。用PSpice軟件仿真得到有源低通濾波器的幅頻特性曲線所示截止頻率約為100 Hz。實驗結(jié)果可觀察到，經(jīng)低通濾波放大后弱光檢測信號中的高頻干擾噪聲被有效抑制。

2.3  智能LED調(diào)光驅(qū)動模塊設(shè)計實現(xiàn)

  弱光檢測系統(tǒng)對光源的要求較為苛刻，要求光強穩(wěn)定，響應速度快，快速亮度調(diào)節(jié)。本文采用大功率LED燈珠陣列作為系統(tǒng)的光源。因環(huán)境條件的改變，系統(tǒng)需要對光源進行定期校準，所以需要設(shè)計一套智能調(diào)光照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)每次開機時光源校準，實現(xiàn)每次工作光源強度保持不變。系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)光亮度的情況還包括：LED長時間工作導致發(fā)光強度降低；光檢機長時間工作濾片粘上灰塵污點影響測量值等情況。

  大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，其發(fā)光的強度由流過LED的電流決定。因此，LED驅(qū)動器需要提供恒定電流，以確保LED的發(fā)光亮度穩(wěn)定。大功率LED恒流驅(qū)動基本方式有電阻限流、線性控制調(diào)節(jié)、開關(guān)調(diào)節(jié)器控制等。系統(tǒng)采用TPS92640精確調(diào)光LED驅(qū)動器，其輸入電壓Uin范圍為7~85 V1同時支持模擬與數(shù)字PWM調(diào)節(jié)，PWM控制可實現(xiàn)2 500:1細分調(diào)光。通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，來實現(xiàn)不同光亮的調(diào)節(jié)。PWM的頻率調(diào)節(jié)可影響光源的閃爍頻率，實現(xiàn)證明頻率大于300 Hz時，LED的光源趨于穩(wěn)定�；�于TPS92640智能LED調(diào)光驅(qū)動器電路原理圖如圖5所示。

  內(nèi)部電路包括：PWM輸入接口、RC震蕩電路、電流反饋、最大輸出電壓限制電路、MOSFET單臂橋、BUCK CONVERTERS等。

  本照明系統(tǒng)采用5W大功率LED燈珠陣列，其最大驅(qū)動電流1. 25 A。因此，設(shè)置LED驅(qū)動板最大輸出電壓UOUT=12 V，最大輸出電流/LED=1 A。依據(jù)公式(3)確定RvoU11、RyOUl2反饋電壓回路。同時依據(jù)公式(4)確定BUCK控制回路開關(guān)頻率，。及R、C依據(jù)式(5)和式(6)可確定恒流控制回路的參數(shù)RIADJ1、RIADj2與Rcs。

對智能LED調(diào)光驅(qū)動器進行測試，當輸入電壓為12 V，10個LED串聯(lián)作負載，PWM占空比為100%時，測得負載端電流可知響應速度快速，約40 μS，電流恒定在1A。連續(xù)變化PWM占空比，可測的負載端電流大小與PWM占空比呈線性比例關(guān)系變化。

3  系統(tǒng)實驗平臺搭建與測試

  本文研制的金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)應用于金屬鋁罐生產(chǎn)線，安裝于整條生產(chǎn)線縮徑機的末端檢測環(huán)節(jié)。因不便于在生產(chǎn)線直接測試，需設(shè)計實驗模擬平臺。依據(jù)系統(tǒng)實際工作環(huán)境，實驗模型包括系統(tǒng)轉(zhuǎn)盤、光孔密封滑塊機構(gòu)、快門機構(gòu)、電機傳動機構(gòu)等。轉(zhuǎn)盤上設(shè)計有安裝金屬罐孔位；平臺與裝盤之間安裝光孔密封滑塊使得光路通道不受外光影響；快門機構(gòu)控制光通道的打開和關(guān)閉，快門機構(gòu)設(shè)計采用高頻電磁鐵，快速推動帶光孔的遮光板實現(xiàn)光通道的通斷控制。在金屬罐上部構(gòu)建LED照明系統(tǒng)，同時為避免外光影響需要構(gòu)建暗箱保持內(nèi)部光亮度穩(wěn)定，不受外界光干擾。

  同時在實驗模擬平臺上進行金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統(tǒng)測試，分別對檢測系統(tǒng)的檢測精度、檢測速度進行分析測試。該系統(tǒng)最小漏光孔的孔徑為0.05 mm，若檢測能夠成功辨別出最小孔徑則視為檢測精度達到系統(tǒng)要求。該系統(tǒng)最高檢測速度為3 000個/min，若在最高檢測速度下，相同孔徑的檢測值與低速檢測時，采樣值的漂移不大，則滿足系統(tǒng)高速檢測要求。圖6所示為金屬罐罐身孔位分布圖，以下所測數(shù)據(jù)設(shè)LED驅(qū)動電流為1A時，LED的光強為100%，采樣A/D值均為平均濾波后的值。

  在LED光強為100010，0.05 mm標準測光孔，以金屬罐正上方標記為12點鐘方向，則對應分布于1~ 12點鐘不同方向測光孔的測試采樣A/D值如表1所示。由表1數(shù)據(jù)測試分析可得，孔位分布不同，對漏光檢測值會有一定的偏差，但偏差值不足以影響金屬罐漏光檢測的判斷。

在LED光強為100%，檢測速度在10個／s，不同采樣條件下，采樣A/D值如表2所示。由表2可知，合格罐與漏罐的采樣值相差較大，能夠?qū)崿F(xiàn)最小0.05 mm光孔檢測。隨著光孔的增大，光電倍增管輸出增大。

  在LED光強為100 010，0.05 mm標準測光孔，檢測速度不同條件下，采樣A/D值如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可得，隨檢測速度的提高，采樣A/D值有所下降，但下降幅度不大，能夠滿足系統(tǒng)檢測要求。

4結(jié)束語

本文研發(fā)的金屬罐高速漏光在線檢測與控制系統(tǒng)已基本能夠檢測出最小0.002 inch的微孔，最高檢測速度可達到3400個/min以上，滿足系統(tǒng)檢測精度、檢測速度的要求。后續(xù)將進一步完善準確率指標，同時構(gòu)建友善的人機界面和上位機軟件控制系統(tǒng)，最終研制一套國產(chǎn)的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、高靈敏度、高速、高穩(wěn)定性能的在線漏光檢測系統(tǒng)，改變我國在金屬罐檢測設(shè)備依賴進口設(shè)備的情況。該高速在線漏光檢測系統(tǒng)的研制成功，也有助于光電檢測技術(shù)在生產(chǎn)中更廣泛應用。

5摘要：針對沖壓式金屬罐生產(chǎn)過程中造成的微小裂紋、沙眼等罐體缺陷，采用光電檢測技術(shù)進行高速在線檢測。考慮缺陷罐體漏光極其微弱的特點，設(shè)計了基于高靈敏度光電倍增管的光強檢測和光照電路，以及高實時工位、罐體、壞罐剔除、防漏等測控軟硬件模塊，實現(xiàn)了罐體的高速連續(xù)在線檢測。測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)正常工作達到1 800罐/min工況下的有效性和良好性能。