光电检测系统设计

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光电分选机检测系统设计

摘要

光电分选机是一种利用光电技术分析识别物料的品质优劣,并利用压缩空气将劣质

物料剔除的高科技设备。被广泛应用在颗粒状物料品质检测与分级领域,可有效提高物料的品质等级,增加其附加值,提高加工技术的自动化程度,具有很好的社会与经济效益。

设计中主要对光电分选机的检测系统进行了研究，设计了一种以Xilinx公司的FPGA

芯片XC3S200和高速线阵CCD传感器为核心的光电检测系统。它的主要功能是通过CCD传感器对高速下落的颗粒状物料进行动态扫描,由图像数字转换器对CCD输出信号进行信号调理、A/D转换，FPGA对转换后的图像数据进行高速处理,完成剔除信号的输出。

文中主要对监测系统的硬件部分做了设计，包括：以FPGA为核心的硬件电路的设计，线阵CCD驱动电路的设计，图像数字转换器控制接口电路的设计，数据传输中同步串行通信电路的设计。

第一章光电分选机系统

1.1 光电分选机工作原理

在光电分选机工作前,用户首先通过触摸屏设定被分选物种的分选参数。在分选过程中,被选物料首先由进料斗通过电磁振动给料器配送到各个分选通道中的溜槽,经过溜槽的加速运动后，物料以恒定的速度下落进入光电检测系统。光电检测系统在特制灯光的照射下,前后两个CCD传感器对下落的物料进行动态扫描,将扫描的模拟视频电压进行A/D转换，再将得到的数字视频信号经过滤波和识别处理,输出检测判别信号。判别信号到达喷射气枪的延迟时间正好等于不合格物料从视镜下落至喷射气枪之间的时间,当次品到达喷射器位置时,气枪喷嘴喷射高速气流,将次品吹出,使其落入次品槽,而合格品继续下落并进入合格品槽,从而完成物料的一次分选。为了提高分选精度,落入次品槽的物料可以进行二次分选,同时在分选过程中,还可以通过触摸屏对分选参数进行反复调节,以使分选效果达到最佳。下图为分选过程示意图。

图1.1 分选过程示意图

1）振动给料器2）滑道3）光源4）光电传感器5）背景板6）喷射气枪7）次品槽8）

合格品槽9）触摸屏

1.2工艺指标的确定

光电分选机的工作指标主要有以下三个方面:

(l)处理量

处理量即每小时可处理的物料数量,单位为t/h。

(2)选出率

选出率指从原料中选出的杂质数量占所含杂质总量的百分数,也叫色选精度。

(3)带出比

带出比是指色选机选出的废料中杂质数量与正常米粒或麦粒之比。带出比的高低是可以设定的,一般为3/1一5/1左右。

1.3光电分选机结构特点

光电分选机的形式多种多样,但从工作原理和工作过程来看,主要由供料系统、光电检测系统、分选系统、电控系统四部分组成。光电分选机整机基本结构框图如下图所示,除了以上提及的组成部分外,还包括人机交互界面和主控制器。

图1.2 整机系统结构框图

(1)供料系统

供料系统将对被测物料整理调节,使其流速与个体姿态保持相对稳定,保证物料颗粒能

逐个地被光电检测系统检测,在分选系统中能被方便地分选剔除。

(2)光电检测系统

光电检测系统其作用主要是对物料进行光学检测,为分选系统准确无误地提供物料的光学信息。光电分选机的光学检测系统主要由光源、背景板、接收器和镜头等光学元件及相关辅助装置组成。背景板是提供一个背景,使被测物置于一个背景(即基准色)中进行检测。典型的背景板是一系列从浅到深的颜色片。根据光电等效原则,在光源的照射下,总有一片背景片单位面积上产生的反光信号,与合格品单位面积上产生的反光信号等效。接收器,又称光电接收器或光传感器。一般布置在光电检测系统的观测面上。可将投射到接收面上的光信号转换成电信号。目前用于光电分选机中的半导体光电元件,包括硅光电池、光电二级管、光电三级管等。不过,色选机的大多采用先进的电荷藕合器件(简称CCD)作为光学接收器。

(3)分选系统

分选系统的作用是把光电检测系统检测发现的次品从物料中剔除,它由电控系统控制。物料颗粒从检测点到分选点的运动时间,要与光电检测系统信号发出到分选机构这一段延时时间相匹配。常见的分选是用压缩空气喷吹。物料进入分选系统后合格品沿正常运动轨道落入合格品槽,次品则受到喷嘴发射出的脉冲式压缩空气作用偏离正常运动轨道,落到次品槽而被剔除。喷嘴由电磁阀控制。

(4)电控系统

电控系统除控制色选机整体的各机构外,其重要的工作就是把来自光电检测系统的检测信号整形放大,判断处理,去启动分选机构的电磁阀,完成分选操作。

1.4 光电分选机的整体结构设计

通过对光电分选机工作过程和系统结构的分析可知,光电分选机的控制系统是由主控制器、分选控制系统、光电检测系统、电磁振动给料系统和气枪控制分选系统共同组成的。主控制器系统直接或间接控制和管理其它系统,如控制温度、电源电压、开关信号、指示灯等外围电。

光电检测系统采用CCD传感器对4个分选滑道的物料进行检测和识别处理,整个光电检测系统中包括前后8个摄像机控制板和8个CCD传感器,每个控制板控制1个CCD传感器进行扫描工作并对接收到的扫描信号进行识别处理给出异物位置信息。

电磁振动给料系统按照主控制系统设定的工作参数进行工作,将物料调节整理,保证物料在观察区内能被逐个地观察检测。

气枪驱动系统接收分选控制系统的击打信号后,控制高速电磁阀将高压气流喷出,把物

料中的次品分选剔除。

系统每组滑道有32个溜槽,每个溜槽对应1个气动喷嘴,所以1个滑道对应32个气动喷嘴。光电分选机控制系统总体结构如图1.3所示。

图1.3 光电分选机总体结构图

分选机选用的GP触摸屏带有RS-232接口,所以主控制系统与触摸屏间的通信采用了基于RS-232的异步串行通信方式。主控制系统与光电检测系统和电磁振动给料系统间的通信都采用了三线同步串行通信的方式，这种通信方式有别于常用的两线制，其增加了一条数据使能信号线，可不必搜索同步符,同时接收方接收数据时采用时钟脉冲计数和使能信号双重检测的方法,从而提高了通信的可靠性。CPLD转接板除了能接收检测信号控制LED显示外还负责控制器和前后摄像机控制板之间的通信数据帧的转发。

第二章光电检测系统的硬件设计

2.1检测系统的整体结构

该部分主要是针对光电检测系统进行了设计。系统以高速线阵CCD器件和Xilinx公司