（控制理论与控制工程专业论文）瓶装啤酒灌装量在线检测系统的研制.pdf

摘要 啤酒灌装生产线客观上需要进行封盖后的灌装量检测以保证啤酒更高的质 量和企业更好的竞争力。目前国内啤酒生产企业由人工完成这种检测和不合格品 剔除，检测的速度和精度难以满足高速生产线的要求。啤酒灌装量在线检测设备 市场基本上被德国和美国企业所垄断，设备价格昂贵。为此研制拥有自主知识产 权的啤酒灌装量在线检测设备具有非常重要意义。 本文主要包含以下内容： 1 、对多种可能应用于啤酒灌装量的检测方法进行逐一比较、筛选，选择了 高频检测方案并建立了等效电路模型，进行了检测系统的整体方案设计。 2 、对传感器参数主要包括接收极板和发射极板的尺寸和间隔，高频信号源 的波形、电压、频率进行了实验优选；重点设计了高频激励源电路和传感器调理 电路。 3 、通过实验，研究了啤酒泡沫和温度对本检测系统的影响并建立了误差模 型，在传感器信号数字化滤波的同时，进行了啤酒泡沫和温度补偿，进一步提高 了检测系统本身的精度：利用单片机a t m e g a 6 4 对补偿后的信号进行数字化处 理，主要包括不合格产品的划分、报警和剔除处理。 4 、设计制作了基于a t m e g a 6 4 、l c d 的人机界面系统，可设置相关参数和 显示实时数据，使本检测系统可以独立操作：设计了基于e n c 2 8 j 6 0 以太网控制 硬件电路并裁剪和移植u l p 协议，与上位机通讯准确、快捷、方便。 本文所研制的瓶装啤酒灌装量在线检测系统精度高、速度快、灵敏度可调。 经测试，分辨率为l m l 的啤酒，检测速度为每小时7 2 0 0 0 瓶，误剔除瓶数量小于 剔除瓶总数的1 ，满足国家包装标准+ 1 0 m l 的要求。 关键词：啤酒；灌装量；高频检测；人机界面；u l p 协议栈 a b s t a c t b e e rf i l l i n gv o l u m ed e t e c t i o ni sn e c e s s a r yt oe n s u r eah i g h e rq u a l i t yo fb e e ra n d e n h a n c et h ec o m p e t i t i v e n e s so fb e e rm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa f t e rc a p p i n go nt h e f i l l i n gp r o d u c t i o nl i n e a tp r e s e n t ，t h eb e e rf i l l i n gv o l u m ed e t e c t i o na n dr e j e c t i n gi s m a i n l ym a n u a l l yo p e r a t e di nc h i n a ，t h es p e e da n da c c u r a c yo fd e t e c t i o nc a nn o tm e e t t h er e q u i r e m e n t so fh i g h s p e e dp r o d u c t i o nl i n e s t h eg e r m a n ya n dt h eu n i t e ds t a t e s e n t e r p r i s e sh a v e b e e nd o m i n a t e dt h em a r k e to fb e e rv o l u m eo nl i n ed e t e c t i o n e q u i p m e n ti nc h i n a ，s ot h ed e t e c t i o ne q u i p m e n ti sv e r ye x p e n s i v e t h e r e f o r ei t st h e v e r ys i g n i f i c a n c et od e v e l o po u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t so fb e e rv o l u m e d e t e c t i o ne q u i p m e n t t h eb o t t l e db e e rf i l l i n gv o l u m eo n l i n ed e t e c t i o ns y s t e mm a i n l yc o n t a i n st h e f o l l o w i n ge l e m e n t s ： 1 t h r o u g hr e s e a r c h i n g ，c o m p a r i n g ，s c r e e n i n gt h e r o r i e st h a tm a yb eu s e di nb e e r v o l u m e d e t e c t i o n ，w ed e m o n s t r a t e dt h eh i g hf r e q u e n c yd e t e c t i o nm o d e l a n d e s t a b l i s h e dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh i g hf r e q u e n c y i f u r t h e r m o r e ，t h eg e n e r a ls c h e m eo ft h eb o t t l e db e e rf i l l i n gv o l u m eo nl i n ed e c t e c t i o n s y s t e mw a sp r o p o s e d 2 t h es e n s o rp a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d eh i g h - f r e q u e n c ys i g n a ls o u r c ew a v e f o r m ， v o l t a g e ，f r e q u e n c y ，e l e c t r o d ep l a t es i z ea n de l e c t r o d ep l a t e sd i s t a n c ew a ss e l e c t e db y e x p e r i m e n t ；a tt h es a m et i m e ，w ef o c u so nt h ed e s i g no fah i g h - f r e q u e n c ye x c i t a t i o n s o u r c ec i r c u i ta n ds e n s o rc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 3 t h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t a , t h eb e e rf o a ma n dt e m p e r a t u r e o nt h ei m p a c to ft h ed e t e c t i o ns y s t e mw a ss t u d i e d w ea l s oe s t a b l i s h e de r r o rm o d e l t h es e n s o rs i g n a l sn e e dd i g i t a lf i l t e r , b e e rf o a ma n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，w h i c h c a ni m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h ed e t e c t i o ns y e t e m b e e rq u a l i f i e dj u d g e m e n t ，a l a r m p r o c e s s i n ga n dr e je c t i n ga r ec o n s i d e r e db a s e d o na t m e g a 6 4m c u 4 h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h ea t m e g a 6 4a n d l c d t h er e l e v a n tp a r a m e t e r sc a nb es e tu pt h r o u g hk e y b o a r da n dr e a l t i m ed a t aa l s o i i c a l lb ed i s p l a y e do nt h el c d ，s ot h a tt h ed e t e c t i o ns y s t e mc a no p e r a t ei n d e p e n d e n t l y d e s i g n e dt h eh a r d w a r e b a s e do nt h ee t h e m e tc o n t r o lc i r c u i te n c 2 8 j 6 0a n d t r a n s p l a n t a t e du i pp r o t o c o l ，s ot h a tc o m m u n i c a t i o nw i t i lh o s tc o m p u t e rc a l lb em o r e c o v e n i e n t 刀l eb o t t l e db e e rf i l l i n gv o l u m eo nl i n ed e t e c t i o ns y s t e mh a sh i g hp r e c i s i o n , s p e e d ，a d j u s t t a b l es e n s i t i v i t y ，r e s o l u t i o no fl m lo fb e e r ，d e t e c t i o ns p e e do f7 2 ，0 0 0 b o t t l e sp e rh o u r , f a l s er e j e c t i n gr a t el e s st h a n1 i tc a nc o m p l e t e l ym e e tt h en a t i o n a l p a c k a g i n gs t a n d a r d s k e y w o r d s ：b e e r ；f i l l i n gv o l u m e ；h i g h f r e q u e n c yd e t e c t i o n ；m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ； u l pp r o t o c o ls t a c k m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：隼墼 日期：翌型! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：牟虹导师签名 期：啦窍- 第一章绪论 1 1 课题来源 本论文选题来源于山东省科技攻关计划项目高速全自动智能在线验瓶 机的研制。 随着啤酒饮料业的发展，提高产品质量、扩大高档产品产量成为各大啤酒饮 料生产企业提高竞争力的主要手段。高速自动化生产是实现这一手段的基本方 式，生产线自动化程度越高，产品质量和产量就越能得到保证。实现生产线自动 化的重要条件之一就是要能够完成产品的在线自动检测。国外现在已经研发了一 系列的自动检测设备1 】【2 】，如图1 1 所示： 残液，金属检 测仪 囊身分类仪 装箱机 满箱检测 仪 图1 一l 啤酒自动检测设备 啤酒灌装生产线【3 】上同样需要进行封盖后的灌装量检测。目前国内多数啤酒 生产企业在啤酒灌装量的二次检测上是由人工来完成的，工人工作单调，容易造 成视觉疲劳，检测的速度和精度难以满足3 6 0 0 0 瓶d , 时、7 2 0 0 0 瓶d , 时高速生 产线的要求。啤酒灌装量在线检测设备市场基本上被德国和美国企业所垄断，价 格昂贵。研制拥有自主知识产权的啤酒灌装量在线检测设备具有重要意义，不仅 一仅一 一一 一一仪一 一一仅一 一一仪一 一一仪 一 一一 一一仪一 一一一一 一一仪一 一一仪 巴匪罡匪藤 型雪 可满足国内啤酒生产企业对该设备的急需，提高其在国内外啤酒市场上的竞争能 力，而且可有效抑制国外同类产品的的价格。作为具有自主知识产权的啤酒灌装 量在线检测设备，还有出口创汇的可能性。 1 2 课题研究发展现状 国外较早的开展了啤酒灌装量在线检测系统的研究。他们应用伽玛射线、x 射线、机器视觉、红外线吸收、超声波、高频检测等各种现代化实用技术【4 】，已 经丌发应用了灌装量在线检测设备。其主要的设备生产企业像德国k r o n e s 、 德国h e u f t 、德国m i h o 和美国f i l t e c 主要采用x 射线技术检测灌装量。而国 内少数相关研究单位主要采用机器视觉进行瓶内灌装量的检测【5 1 ，啤酒灌装量在 线检测设备多数仅停留在研制阶段。 1 3 研究内容 本课题的目标是研制基于高频检测原理的灌装量在线检测设备，它具有无辐 射性、成本低、实时性好、便携性强、可靠性高等特点，主要包括以下研究内容： 1 、通过理论分析，确定检测方案和检测原理：啤酒中水占绝大部分，可用 以下两个特点来检测：水具有很大的介电系数( 水的介电系数为8 0 ) ：水作为 电介质在一定频段下对电场有损耗作用。 2 、建立传感器数学模型：确定了检测原理以后，通过理论分析和实验，建 立传感器数学模型。研究影响传感器灵敏度的各种因素。 3 、设计传感器及调理电路：在确定影响传感器灵敏度的因素后主要有以下 设计：设计传感器；设计传感信号的调理电路：从传感器端输出的原始信号 微弱，而且掺杂了很多外界的干扰信号。要从这种信号中检出有用的信号应加以 放大，经过峰值滤波后可得到一个与啤酒灌装量相关的电压信号，而这个信号的 电压必须满足d 转化电压范围。 4 、传感器数字化处理及补偿：从调理电路中出来的信号是一个模拟信号， 必须将其数字化，即a d 转换和数字滤波。在数字化的同时要考虑啤酒泡沫和 温度、湿度等因素对系统的影响，要建立模型进行补偿；同时要处理啤酒灌装量 的合格判断、数值处理和剔除处理 5 、人机界面设计：数字化的信号需要l c d 实时显示；系统参数需要操 2 作人员修改；t c p i p 通讯模块：更方便与上位机通讯。 6 、系统调试与实验：现场复杂的电磁环境、传送带的震动等，都将对微弱 的传感信号产生影响，因此必须考虑多方面因素对啤酒灌装量在线检测系统进行 系统调试以改善系统的总体性能。 3 第二章方案设计 本章通过查阅大量的资料，筛选多种可能的啤酒灌装量在线检测方法，确定 了无辐射性、可泡沫补偿、低成本、精确度高、符合中国国情的高频检测方案； 从电介质在高频电场中的特性入手，分析了以主要成分为水的啤酒在高频电场中 的检测原理并建立了电路模型；最后给出了瓶装啤酒灌装量在线检测的总体设计 框架。 2 1 方案选择 瓶装啤酒灌装量在线检测有以下几种可能方案。 2 1 1 超声波检测 超声波就是频率高于2 0 k h z ，超出人们耳朵辨别能力并且穿透性很强的声 波。超声波的检测涉及到很多方面的内容，包括超声波的产生、接收、信号的转 换和处理等。其中产生超声波的方法【6 1 是通过电路产生激励电信号传给具有压电 效应的晶体( 比如石英、硫酸锂等) 使其振动从而产生超声波；当接收反射回来 的超声波时，这个压电晶体又会受到反射回来的声波的压力而产生电信号并传送 给信号处理电路。 超声波具有以下特性【7 】而可以用来检测啤酒量： 1 、超声波在遇到介质时会被吸收而衰减，在空气中衰减最大，液体次之， 固体最小，因而能够区别穿过的是固体、液体还是气体。 2 、超声波在一定介质中以一定的速度传播。 3 、超声波在不同“特性阻抗”的介质的分界面上会产生反射，而且反射角 和入射角相等。“特性阻抗表征介质的声学特性，它是速度和密度的乘积。 由以上特性我们可以超声波液位探头安装在啤酒和饮品的上方，探头受电激 励后向瓶盖发射超声波，一部分超声波反射被探头接收的时间为，一部分穿透 瓶盖被饮料的液面反射被探头接收的时间为t ，。如图2 1 所示： 瓶盖到超声波探头的距离为：h ，= c z ，2 液位到超声波探头的距离为：h ，= c z ，2 4 已知瓶高为日，则液位的高度为：日= h 一( 日：一日。) ，即可折算出啤酒的灌 装量。 超声波探头 h 啤酒 图2 1超声波检测示意图 2 1 2x 射线检测 x 射线检测方式应用范围比较广泛【8 1 ，它可以测量钢质、铝质、玻璃、塑料 和纸质容器的产品灌装量。x 射线不但可以测量啤酒和饮料这种主要成分是水的 饮品，同时也可以测量灌装包含少量水或者没有水的物质，例如：油、速溶的汤、 粉末等。 x 射线发射器 x x 射线接收器 啤滔 图2 - 2x 射线检测方式示意图 如图2 2 所示，x 射线检测部分 9 1 包含一个发射器和接收器。发射器是一个 放射源，当检测启动时它会产生锥形射线射向接收器。当灌装后的啤酒通过辐射 区域时瓶内的啤酒会吸收射线且吸收率与区域内的液位成正比。接收器安装在测 量桥的另一端并探测射线的被吸收率，然后系统换算出溶器内的啤酒量。目前x 射线灌装量检测方式已经达到相当高的检测精度。德国h u e f t 的灌装量在线检 测系统的检测精度已经高达正负l m m ，在3 0 m m 大小的测量窗口，可以将液位 划分长4 0 0 多个虚拟刻度值，从而精确的辨别容器内的饮品液位。设备系统自动 s 将得到的结果和标准液位极限值进行比较，如果其背离值超过某个限度，设备认 为瓶内的灌装量不合格，即让后续的剔除系统将其剔除。 x 射线具有辐射，会危害人体的健康。正因为如此，x 射线管平常处于关闭 的状态，只有在得到2 4 v 控制电压所激发的阴极射线后才会放射。同时x 射线 都被包围在厚重的v 2 a 钢和防护阀内，在接收器的限制下，辐射区域较短且固 定。众多的人性化保护措施也让其更加安全：例如在输送带两边都安装有射线切 断开关；在设备醒目出安装有x 射线工作指示灯；所有的保护措施都采取回路 串联电路等。总之，采用专业的x 射线发射器和软件控制的自动关闭系统，其 安全度更加稳定。 2 1 3g a m m a 射线检测 g a m m a 射线检测是早期的灌装量检测方式【1 0 】。其检测稳定，精度也比较高 ( 可达到正负1 m m ) 。与x 射线检测方式相似：在测量桥两端分别有一个发射器 和接收器，在开启状态下，容器经过发射器所产生的圆锥形辐射区域时容器内的 液体会吸收辐射。系统通过计算辐射的吸收率从而得知容器内的实际灌装量。同 时g a m m a 射线也拥有众多防护措施，最大程度保证操作人员的安全。在x 射线 流行之前，g a m m a 射线检测方式是主要的检测方式。 虽然g a m m a 射线有很高的精度，但是g a m m a 射线的放射源是持续不断的 辐射。即使有厚重v 2 a 钢和防护闸的保护，其辐射源的日常使用和废弃后的保 管都需要特别的慎重。一般来讲，各国对g a m m a 射线的使用和保管都有严格的 规定和审批手续，有些地区还要求企业设立专门的人员对此进行监管。鉴于潜在 的隐患和手续的繁琐，g a m m a 射线将逐渐的淡出液位检测领域。 2 1 4 红外线检测 红外线就是频率处在特定频段的电磁波，我们把这一特定的频段称作红外线 区域。红外线所占据的电磁振荡波谱段是波长从5 0 0 0 7 6 t m 的范卧1 1 】。它可以 被一定的材料有选择的吸收。当在大气中传播时，就会被有选择性的吸收：水蒸 气具有波长为0 9 4 , u m ，1 1 3 , t a n ，1 4 7 z m ，1 8 9 , u m 及波长范围为2 5 - 3 1 , o n 和 4 8 7 7 , u r n 的吸收带，尤其在波普2 7 k t m ，6 3 t m 附近有很强的吸收带。 我们就是利用红外线被有选择性吸收的性质红外线易被水分子吸收而 6 遇到其他介质时容易通过，检测在红外线的传输路线上有没有大量的水分子。如 图2 3 所示，由于啤酒和饮品内的液位( 含有大部分的水) 不同，对红外线的吸 收也会有所不同，将红外线接收器上的值转换成电信号【1 2 l ，并与标准信号相比 较，如果在标准液位的要求的范围内，则属于合格，否则剔除。 蚴线挈r 咚收器 图2 - 3 红外线检测不意图 2 1 5 机器视觉检测 系统通过c c d 照相技术1 3 1 对生产瓶流中的液位进行拍摄，通过技术处理后 与系统设定的极限值进行比对，从而判断容器内的液位是否合格。一般实现有两 种方式：采用异步复位功能的高价格摄像机拍摄啤酒瓶，光电传感器来捕捉动 态目标图像，使用采集卡和工控机进行瓶内液面的检测；用低价的监控摄像机， 通过软件捕捉运动目标，并通过f l a s h 将程序写入到d s p 中，使用高速d s p 处理采集处理图像【1 钔。如图2 4 所示： 背景自板 摄像头 厂 百 图2 4 机器视觉检测示意图 相机照相技术要求检测区域的容器有一定的透光性，诸如易拉罐这样的容器 就根本无法检测，同时由于其部件成本比较昂贵，故很少单独用于灌装量检测。 通常与瓶子封盖检测相结合，如检测瓶盖是否存在、是否有歪盖或倾斜盖。瓶盖 如果盖的不好，容器内液体在后续的运输和储存过程中就可能洒出或泄露。通过 7 源光 e 啊 相机照相技术的多重检测，尽可能准确地保证流入市场的饮品合格。 2 1 6 高频电场检测 啤酒和饮料刚刚经过灌装后，它们会产生泡沫，当沉静一段时间后，泡沫会 消失并使液位少量上升。特别是啤酒，泡沫更加明显，对瓶内的灌装量和检测精 度影响也很大。在此非常有必要采用高频( h f ) 泡沫补偿的灌装量检测方式。 高频( h f ) 灌装量检测主要用于检测非金属容器，要求检测区域务必不能有任 何金属部件或金属性商标；灌装的液体必须以水为主要成分，因此它非常适用于 啤酒和软饮料的检测。其检测原理【1 5 】是检测设备的测量桥包含一个高频信号的 发射极板和一个接收极板，当容器通过两极板时会引起电场参数 1 6 】的变化。从 而测量出灌装量在合格线的正负偏差，使没备可以判别容器内的灌装量是否合格 并控制剔除。 这种检测方式可以考虑泡沫对实际灌装量的影响进行补偿，从而能更加准确 的测量饮品的灌装量。 2 1 7 高频检测的可行性分析 表2 1 检测方式的优缺点。 检测方案优点缺点 国外早期主要的在线液位检具有连续的放射性辐射，对 测方式，检测精度高：正负g a m m a 射线的使用有严格的 g a m m a 射线检测 l m m ；检测范围广。规定，逐渐被x 射线检测所代 替基本退出检测领域。 现在国外流行的主要检测方具有放射性辐射，必须有比较 x 射线检测 式，检测精度高：正负l 唧； 安全的保护措施，必须完全符 检测范围广。合w h o 的劳动保护标准。 国内已经有少数厂家掌握这 成本昂贵；图像处理技术很少 种技术，检测精度高；无辐射；单独用于灌装量检测，而多用 图像处理检测 于验瓶机设备检测；检测容器 必须带有一定的透光性。 超声波检测技术在国内已基检测精度相对不高。 超声波检测 本成熟；无辐射 8 红外线检测技术在国内已基检测精度相对不高。 红外线检测 本成熟；无放射性辐射 无放射性辐射作用：适合中国只适合非金属容器的检测：容 高频检测国情；能够补偿泡沫对实际液器内的液体主要成分必须是 位的影响；检测精度高水。 通过表2 1 检测方式的对比，本课题啤酒灌装量在线检测系统采用高频( h f ) 检测原理主要有以下原因： 1 、本课题研制的啤酒灌装量检测系统主要针对玻璃瓶啤酒和p e t 饮品的灌 装量检测，而且饮料的主要成分是水。 2 、啤酒灌装封盖后在第二次检测时还存在泡沫，而高频检测可以对泡沫造 成的影响进行补偿。 3 、高频检测没有放射性辐射作用且成本低，适合中国国情，适合中国市场。 2 2 检测原理分析 2 2 1 高频检测原理 啤酒灌装量在线检测系统传感器部分是由高频信号源、发射极板、接收极板 和信号处理电路四部分组成的。如图2 5 所示，发射极板和接收极板组成了一个 高频电场，当灌装后的啤酒经过两极板时，高频电场对场内的电介质( 啤酒) 的 电介常数【1 7 1 产生了影响。啤酒反过来影响电场及接收极板信号的大小，从而达 到检测的目的。 图2 5 传感器模型 2 2 1 1 电介质性能 凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷 的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质【1 8 】。通常情形下电 介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生 9 如下3 种类型的变化【1 9 】：畸变极化：原子核外的电子云分布产生畸变，从而 产生不等于零的电偶极矩；位移极化：原来正、负电中心重合的分子，在外电 场作用下正、负电中心彼此分离；转向极化：具有固有电偶极矩的分子原来的 取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下各个电偶极子趋向 于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零。 电介质的介电常数s 综合的反映这三种微观过程，它是频率w 的函数s ( w ) 。 当j l - d i ：i 电场的频率为零或频率很低( 1k h ，) 时三种微观过程都参与作用，这些是 弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化，称为位移式极化。这时的介电常数占( o ) 对于一定的电介质而言是个常数，通称为介电常数；随着频率的增加，分子固有 电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化，这时的介电常数取复数形式 占( w ) = 占7 ) 一s ”) ，其中虚部占”( w ) 代表介质损耗，这些极化称为松弛极化， 需要消耗一定的能量。 2 2 1 2 高频检测原理模型 水是一种强极性电介质【2 0 】，在j i d 1 1 电场的作用下将产生很强的极化，它相 对与其它物质具有很大的的介电常数( 水的介电常数为8 1 ) ；当外加电场的频率增 大时，水同时会发生松弛极化，吸收一定的能量，因此水对高频信号有一定的吸 收作用。啤酒的主要成分是水，根据水在高频电场中的特性便可以检测啤酒灌装 量高低。如图2 - 6 为传感器的电路等效模型【2 l 】 z 图2 - 6 传感器等效电路 其中电阻r 为高频信号的吸收的电阻效应；c 为发射极板与接收极板的耦合 电容；z 为后续电路的负载。 ( 1 ) 电容c 的变化 l o 当灌装后的啤酒进入检测区域内时，在外加高频电场的作用下，电介质发生 了极化现象，首先看一下电介质对电容c 的影响【2 2 1 ，为了说明问题我们把啤酒 进入电场的模型理想化：假定玻璃瓶为长方形；啤酒瓶充满整个极板间距； 忽略玻璃瓶的影响( 玻璃瓶的相对介质常数在5 - 6 之间，在考虑容器壁的厚度 和极板间的距离，实际上玻璃瓶引起的电容量的变化可以忽略) 。如图2 - 7 所示 图2 - 7 啤酒进入检测区域示意图 从图2 7 我们可以得出： c = 6 0 b 。型立竽丝 ( 2 1 ) 其中：占。为真空的介电常数；吼空气的相对介质常数；l o 为极板的长度；b o 为极板的宽；三为啤酒进入极板间的液位；占：为啤酒在此频率复介质常数的实部； 根据德拜公式【2 3 】可知： 占：= 占( ) + 瞄( o ) 一( ) 】“l + f 2 w 2 ) ( 2 2 ) 其中：f 为松弛时间；w 为外加电场的焦频率，即高频信号源的频率；8 ( 0 ) 为低或静态的相对介电常数；8 ( 0 0 ) 为w o o 时的相对介电常数： 由公式2 2 可知，当啤酒进入检测区域时，电容相对增大，若完全进入时即 l = l 。，电容量c 是以前的s ：倍。根据图2 - 6 电容量的变化必然导致负载电压的 变化进而达到测量的目的。而实际上由于高频信号频率的变化导致占：变小( 公式 2 2 ) 且发射极板与接收极板之间有6 - 7 c m 的距离，啤酒瓶颈( 直径) 只有3 5 4 c m 。 再加上容器壁并非长方形，所以啤酒能进入检测区域的体积只占空间的一小部 分。按实际的情况计算电容的变化量不大，总容量也非常小( 不足l p f ) 。这相对 i d l 上 当啤酒进入检测区域时，啤酒同时也对高频信号进行吸收【2 4 】，我们把啤酒 r = 船。占：归2 v( 2 - 3 ) 其中：口为系数，单位为q ；占。为真空的介电常数；f 为高频信号的 f ：= l ( o ) 一s ( 。o ) h ( 1 + r 2 w 2 ) ( 2 4 ) 蜘嘉彤 ( 2 - 5 ) ，w l + 一 其中：u 为高频信号激励源电压；u z 为负载电压；电容量c 为常数。 的变化，可将其忽略不变，则将公式( 2 4 ) 带入( 2 - 5 ) 可得： 蜘；年z 加c + a z o c 二 f e 2 v u ( 2 - 6 ) 从公式2 - 6 中可知，当进入检测区域内的啤酒量变大时，负载电压u ，变小， 根据负载电压的大小，进而换算出啤酒罐装量的高低。 2 3 总体设计 基于高频检测原理的瓶装啤酒灌装量在线检测系统的结构框图如2 8 所示。 当灌装后的啤酒刚好进入到检测区域时，根据高频检测原理，接收极板的高频信 号将会变小，其经过高频信号电路的处理变成直流信号；与此同时光电开关进行 触发，微处理器接收到触发信号后进入中断程序，对传感器直流信号进行a d 转换，获取与啤酒罐装量相关的数值；此数值经过补偿后一方面换算成啤酒液位 1 2 的高度通过人机界面中的l c d 显示出来，另一方面与设定的标准值相比较。如 果不符合标准，则驱动剔除器将其剔除。上位机可通过t c p i p 协议通讯模块读 取数值及相关参数。 啤酒 图2 - 8 系统结构框图 啤酒灌装量在线检测系统设计主要有传感器及其调理电路设计、传感器数字 化处理与补偿和人机界面三大部分组成。 ( 1 ) 传感器及其调理电路设计：主要有传感器参数选取；高稳定直流 电源设计；高频激励信号源的设计；高频小信号处理电路设计( 包括高频谐 振放大电路设计、集成带宽放大电路设计、峰值检测电路设计、电压转换电路设 计) 。它是检测系统的难点和重点，是检测系统的核心部分。 ( 2 ) 传感器信号的数字化处理与补偿：0 ) a d 采样、转换及数字滤波； 啤酒泡沫补偿；系统温度补偿；测量数据的处理和系统的报警及剔除。 ( 3 ) 人机界面：o l c d 显示设计；按键模块设计；时钟模块设计； 系统状态指示设计；通讯模块设计以太网控制芯片电路设计及控制芯片的 初始化和u i p 协议栈裁剪和移植。 第三章传感器及其调理电路设计 本章主要阐述了传感器及其信号调理电路设计，给出了高频信号的接 收、放大、峰值检波、电压转换等部分硬件电路。 3 1 高频检测总体结构 高频检测电路设计是本检测系统的重要组成部分，它主要分为两大部分： 传感器参数的选取：通过大量实验调试获得更高性能的传感器参数；依据传感 器参数设计高频信号的发送、接收及处理电路，主要包括：稳定的直流电源；频 率和幅值稳定的高频信号源；考虑高频信号的阻抗匹配和侧重噪声匹配的功率放 大；高带宽集成放大；能将高频信号变为3 - 5 v 直流电压的峰值滤波和电压转换。 如图3 1 所示： 啤酒 图3 - 1 高频检测电路总体结构 3 2 传感器参数的选取 前期由于传感器调理电路还没有建立起来，传感器参数的选取主要依靠信号 发生器和示波器构建的实验平台。信号发生器作为激励信号源，它频率范围： 0 h z 一1 0 0 m h z ，电压范围：0 - 2 4 v ，可输出波形：正弦波、三角波、矩形波。 3 2 1 激励信号参数 ( 1 ) 波形 工程中常用的有三种典型的波形：正弦波、矩形波和三角波。矩形波和三角 波都可以按照傅里叶级数变换分解成包含恒定分量和一系列不同频率的正弦分 量。依据电路的叠加原理，它们都相当于由直流电源和多个不同频率的正弦波电 源共同作用于电路。这两种波形都可以等同于正弦波，只是在相同频率下幅值不 能相同，因此都可以作为激励源的输出波形用于检测。由于考虑到后期的谐振滤 1 4 波和振荡电路制作，本系统采用正弦波作为高频激励源。 ( 2 ) 电压 高频激励源的电压也存在着最优电压，当激励源的电压太小时，检测电路很 难发现变化，不容易检测。一般情况下，如果正弦波的峰值在6 v 以下就很难检 测到接收极板上的变化。当激励源电压适中时，啤酒进入检测区域时，检测电路 会有一个明显的变化，并可以准确的处理，这个电压一般是1 2 1 8 v 。当激励源 的电压继续提高时，根据公式2 - 6 ，随着电压进一步的提高，传感器的灵敏度会 增加，但是在实际的调试过程中，噪声和电磁干扰也随之增加，这使信噪比有所 下降，而且越高的激励电源对于设计来说成本就会越高。本系统为了使设计简单 化而采用1 2 v 的高频激励电压。 ( 3 ) 频率 激励信号源的频率是影响传感器灵敏度非常重要的因素。由公式2 - 6 可知， 当激励源的频率很低时，容抗很大，接收极板上检测不到信号；随着频率的增加， 容抗变小，不但接收极板上的信号变强，而且啤酒对电场产生的影响逐渐增强， 即传感器的灵敏度增大。 表3 - 1 灵敏度随频率的变化 频率调节峰值空载电压测量电压测量差值 3 5 m 无 2 7 3 22 5 0 52 2 7 4 m 4 7 2 4 3 9 5 3 9 7 04 2 5 4 5 m4 7 24 3 9 53 8 9 0 5 0 5 5 m4 7 24 4 1 23 8 8 55 2 7 5 5 m4 7 24 4 0 93 8 7 75 4 2 6 m 4 7 24 4 4 63 8 9 35 5 3 6 5 m4 7 24 4 7 53 8 9 8 5 7 7 7 m4 7 24 5 2 63 8 4 56 8 l 表3 1 为高频信号的频率对灵敏度的影响，随着频率的增加，传感器的灵敏 度也随之增加。由公式2 - 6 可知，要想使传感器的灵敏度增加，只要增加频率即 可，但是在实际的电路上受芯片的驱动能力和带宽放大器增益的影响，当频率超 过1 0 m h z 时，高频激励源的的驱动能力下降且由于后期的高频放大电路性能随 着频率的变化，其增益值也会减小，导致灵敏度也会下降。表3 2 为实际电路中， 高频激励信号的性能。本系统考虑到实际电路中的问题，经过多次调试选择 7 3 7 2 8 m h z 作为高频激励源的频率。 表3 2 高频激励源随频率的性能 频率峰峰值均方根频率峰峰值均方根 7 3 7 2 8 m9 3 6 v 3 - 3 1 v l0 0 0 0 4 m8 0 8 v2 6 9 v l2 0 0 0 6 m 7 0 4 v2 3 3 v1 3 5 61 4 m6 4 0 v2 0 8 v 16 0 0 0 8 m5 6 0 v1 8 2 vl8 4 3 2 8 m4 8 8 v1 6 0 v 2 0 0 0 0 5 m4 5 6 v1 4 8 v2 4 0 0 1 6 m3 7 6 v1 2 2 v 3 2 2 检测极板参数 设计高频信号发射极板和接收极板参数时主要考虑传感器的灵敏度，它是与 极板的形状、大小和间距分不丌的。 ( 1 ) 极板尺寸 极板的尺寸主要是适合测量啤酒瓶颈，依据啤酒瓶颈的大小设计极板尺寸， 首先要考虑极板的尺寸在长度上覆盖瓶颈，使得能够有效的检测每一个啤酒的灌 装量。但是长度不能太大，因为太长会使传送带上的其他瓶子进入检测区域的边 缘，对检测造成干扰。应该保证检测电极最有效的检测处在检测极板间的被测啤 酒，而不会受到前面已经检测过的啤酒和后面尚未进入检测区域的啤酒的干扰， 这样才能够对被检测对象做出正确的判断。因此发射极板和接收极板的长度应该 根据啤酒瓶颈的直径来恰当的设计。检测极板的高度可以根据实际工作条件来确 定，其高度不能太高，这样就会降低传感器的灵敏度，本系统设计长度为：4 5 c m ， 高度为：2 - 3 c m 。 ( 2 ) 极板间距 啤酒灌装量在线检测是在高速的生产线上，灌装后的啤酒依次通过两极板， 传感器瞬间完成对于啤酒液位的检测。检测极板之间的距离要根据被检测的啤酒 瓶颈进行调整，合适的电极间距对于提高检测灵敏度，降低检测的误测率等有很 大的作用。采用高频检测原理检测，会使一些高频信号的特征影响到电极间的选 择。根据高频的传输线理论2 5 1 ，1 4 波长的开路线相当于串联谐振电路，所以整 个负载呈现纯电阻电路。为了不让极板有发生谐振的可能，一般要使极板间距不 1 6 超过1 4 检测波长对的1 0 0 o - - - 2 0 。在本系统设计中，考虑到多方面的原因主要 采用实验测试的方式。如表3 1 所示：其中系统供电为1 2 v 。 表3 3 极板间距测试 初始 4 5 6 0 m v4 3 0 6 m v3 9 0 6 m v3 4 3 2 m v3 0 2 2 m v 电压 间距5 0 m m6 0 m m7 0 r a m8 0 m m9 0 r a m 检测检测检测检测检测检测检测检测检测检测 瓶号 电压差值电压差值电压差值电压差值电压差值 14 2 7 22 8 83 8 8 64 2 03 4 5 24 5 42 9 9 84 3 42 6 5 63 6 6 24 2 7 22 8 83 8 7 64 3 03 4 4 74 5 92 9 9 84 3 42 6 5 63 6 6 34 2 9 l2 - 6 93 9 0 14 0 53 4 6 14 4 13 0 0 24 3 02 6 7 03 5 2 44 3 0 l2 6 13 9 1 l3 9 53 4 7 14 3 53 0 1 74 1 52 6 7 03 5 2 54 2 8 72 7 33 8 8 l4 2 53 4 3 74 6 92 9 9 3 4 3 9 2 6 5 63 6 6 64 2 8 72 7 33 8 9 l4 1 53 4 5 74 4 93 0 1 74 1 52 6 7 03 5 2 74 2 7 72 8 33 8 9 64 l o3 4 5 74 4 93 9 9 34 3 92 6 5 13 7 1 84 2 7 22 8 8 3 8 9 64 1 03 4 6 1 4 4 l 3 0 0 2 4 3 02 6 5 63 6 6 从表3 3 中可知灵敏度最高的在7 0 m m 左右，因此本系统经过多次调试，选 择的极板间距可为：7 0 - a ：5 m m 。 3 3 高稳定性直流电源设计 电压稳定、精度高的电源是检测系统提高稳定性、提高测量精度必不可少的 一部分。为了使本系统设计简单化，我们采用台湾名纬的开关电源，经过有效的 接地和屏蔽保证进入电路的电源是一个没有受到电网和外部电磁干扰的稳定直 流电源。由于各个模块电路都有自身的特点和功能，它们需要的电源也有所不 同。模块检测电路涉及的电源：高频激励源( + 1 2 v ) 、高频信号处理电源( 6 v ) 、 人机界面电源( + 5 v ) 、通讯模块电源( + 3 3 v ) 。因此在模块电路上必须有设计的 电压转化电路。例如采用7 8 x x 系列、l m 2 5 7 6 、l m i “7 3 3 等转化芯片。以上 容易转化的电源都是单电源，而高频放大电路要求使用6 v 的电源供电，我们 就需要设计单电源转换成6 v 的电源的电路。 目前使用比较多的单电源变双电源的方法主要有两大类：将单电源进行 1 7 分压，即将单电源的电压v e t 进行分压，以v c c 2 为参考地，输出就变成了 v e t 2 的双电源。将直流电源进行逆变，变成交流，再经过整流、滤波等转变 为直流，也就是直流交流直流的转换。 首先来说一下直流交流直流的转换的实现方法，其中主要有两种：使用 集成电路芯片，在v c d 解码板等某些专业电路中，多采用a p 3 4 0 6 3 、m c 3 4 0 6 3 等d c d c 转换集成电路芯片来获取平衡的双电源或者采用电压极性变换芯片 7 6 6 0 、m a x 7 6 6 0 等将正电源变化成等值的负电源【2 刨。这种实现方法得到的正负 电源性能好、输出正、负电压稳定且驱动负载的能力也非常强，但是芯片价格较 贵、电路结构的复杂性在一定程度上又限制了其应用。利用l c 振荡器产生负 脉冲后再经整流滤波得到双电源的方法。在某些小型电子产品制作中应用比较普 遍。基于这种方法的同样有封装好的商品出售，即d c d c 电源模块。这种电路 结构的输出电压不但稳定而且可以调节电压值，负载能力也比较强。但是它也有 缺点：存在较强的电磁干扰且体积比较大。因为在逆变过程中需要高频变压器。 所以对一些电磁干扰要求比较高的地方，必须有较好的屏蔽措施，如在印刷版上 用封闭的铜箔将这部分电路屏蔽起来。这类方法虽然能够得到稳定的正负电源而 且电压值可调