（机械制造及其自动化专业论文）玻璃空瓶混色检测系统的开发研究.pdf

玻璃空瓶混色检测系统的开发研究学科：机械制造及其自动化研究生签字：指导教师签字：摘要目前国内外市场上的玻璃空瓶检测系统主要是依靠光学技术、高分辨率摄像技术以及图象处理技术进行的一种非接触性检测，这种检测方法极大地提高了空瓶检测的速度及准确度。但在实际检测中对不同颜色的玻璃空瓶进行同时检测时，其检测准确度却难以满足要求，亟待解决。为了满足国内众多饮料灌装企业对玻璃空瓶混色检测方面的实际需求，填补国内在混色检测技术方面的空白，我们对玻璃空瓶混色检测技术进行了深入、系统地研究。本文详细总结了当今玻璃空瓶检测技术的发展与现状。在了解国内外玻璃空瓶检测技术发展现状的基础上，结合当今市场的实际需求，首先提出了玻璃空瓶混色检测系统的研究目标。从研究目标出发，分析了混色检测的技术特点和难点，确定了系统的原理方案，提出了一种利用补偿光源而进行的一种混色检测方法：在对混色玻璃瓶进行图像采集时，对瓶底照射光源的亮度进行适时补偿，从而实现瓶内亮度一致，为后续的图象处理工作提供高质量的分析图像。确定了光源补偿的方式，深入研究了几种信号处理方法，设计了一套专门的光源补偿系统。提出了混色检测系统的电气控制方案，并进行了相关硬件的选型和研制。最终完成了所有电气控制部分和软件部分的设计和调试。本次研究圆满完成了预期的研究计划，达到了预期的研究目标。独特的适时光源补偿技术以及对光源补偿系统中“比照法”的理论研究是本项目的创新之处。该系统的成功研制满足了广大中小饮料灌装企业的迫切需求，对我国众多饮料灌装企业在产品质量上的提高以及适应技术的发展具有重要的意义。关键词：空瓶检测；准确度；图象处理技术：混色检测；光源补偿i n v e s t i g a t i o no fi n s p e c t i o ns y s t e ma b o u tm i x t u r ec o l o ri ne m p t yb o t t l ed i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o ns t u d e n ts i g n a t u r e ：s u p e r v i s o rs i g n a t u r ea b s t r a c ta tp r e s e n ti n s p e c t i o ns y s t e ma b o u te m p t yb o t t l ea th o m ea n da b r o a dm a r k e tm a i n l yd e p e n d so no p t i c a lt e c h n o l o g y , h i g h - r e s o l u t i o ni m a g i n gt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt od ow i t ha nu n t o u c h e di n s p e c t i o nf o re m p t yb o t t l e ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h ei n s p e c t i o nr a t ea n di n s p e c t i o na c c u r a c y b u tw h e nw ec h e c kd i f f e r e n tc o l o re m p t yb o t t l ea tt h es a m et i m e ，i n s p e c t i o na c c u r a c yc a nn o tm e e tt h ed e m a n dw h i c hn e e dt ob es e t t l e du r g e n t l y f o rm e e t i n gt h ef a c tr e q u i r e m e n ta b o u tm i x t u r ec o l o ri n s p e c t i o ns y s t e mb r o u g h tf o r w a r db yn a t i o n a lt i n - d r i n kc o r p o r a t i o n s ，a n dt h e nf o rf i l l i n gt h en a t i o n a lb l a c k n e s sa b o u tm i x t u r ec o l o rb o t t l ei n s p e c t i o n ，w es t u d yo nt h ei n s p e c t i o ns y s t e ma b o u tm i x t u r ec o l o ri ne m p t yb o t t l eh i g h l y i nt h i st e x tip a r t i c u l a r l ys u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fp r e s e n ti n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya b o u te m p t yb o t t l e b a s e do nr e a l i z i n gb o t t l ei n s p e c t i o n st e c h n o l o g ya c t u a l i t ya th o m ea n da b r o a d ，w ep u tf o r w a r dr e s e a r c ha i mo fm i x t u r ec o l o ri n s p e c t i o ns y s t e m ，c o m b i n i n gt h er e q u i r e m e n to fp r e s e n tm a r k e t f o rt h er e s e a r c ha i m ，w ea n a l y z e dc h a r a c t e r i s t i ca n dd i f f i c u l t yo fm i x t u r ec o l o ri n s p e c t i o nt e c h n o l o g y , a n dc o n f i r m e dt h ep r i n c i p l eb l u e p r i n to fs y s t e m ，t h e na d v a n c e dam e t h o do fm i x t u r ei n s p e c t i o nu s i n gt h ep h o t os o u r c ec o m p e n s a t e d ，w h i c hc o u l dr e a l i z et h ec o n s i s t e n tb r i g h t n e s si n s i d et h eb o t t l ea n dc a t c ht h ec o n t e n tp h o t o st os u p p l yh i g hm o l a ra n a l y s e si m a g e sf o rn e x ti m a g ep r o c e s s i n gt h r o u g hc o m p e n s a t i n gp h o t os o u r c ew h e nw ec o l l e c t e dt h ep h o t o so fm i x t u r ec o l o rb o t t l e s ，a n dt h e na c h i e v et h em i x t u r ec o l o ri n s p e c t i o na i mf i n a l l y a f t e rc o n f i r m i n gt h ew a yo ft h ep h o t os o u r c ec o m p e n s a t i n gis t u d yo ns o m ec i r c u i t r yo fm a g n i f y i n gs i g n a l s ，a n ds p e c i a l l yd e s i g nap h o t os o u r c ec o m p e n s a t i n gs y s t e m w eb r i n gf o r w a r de l e c t r i cc o n t r o l l i n gb l u e p r i n to fm i x t u r ec o l o ri n s p e c t i o ns y s t e m ，a n dd os o m er e l e v a n th a r d w a r e f i n a l l yic o m p l e t e da l le l e c t r i cc o n t r o l l i n ga n ds o f t w a r ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n g t h i ss t u d yp u t sa c r o s sa n t i c i p a t i v er e s e a r c hp l a n ，a c h i e v e sa n t i c i p a t i v er e s e a r c ha i m t h ei n n o v a t i o no ft h i si t e mi st h et h e o r ys t u d yo f “t h ec o n t r a s t i n gm e t h o d ”a n dt h es p e c i a lt i m e l yp h o t os o u r c ec o m p e n s a t i n gt e c h n o l o g y t h i si n v e s t i g a t i o ns a t i s f i e dd e m a n d so fm a n yn a t i o n a lt i n d r i n kc o r p o r a t i o n s i ti sp r o v i d e dw i t ht h ei m p o r t a n tm e a n i n gf o ri m p r o v i n gm o l a ro fo u t p u to fn a t i o n a lt i n d r i n kc o r p o r a t i o n sa n da d a p t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e m p t yb o t t l ei n s p e c t i o n ；a c c u r a c y ；i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ；m i x t u r ec o l o rb o t t l ei n s p e c t i o n ；t h ep h o t os o u r c ec o m p e n s a t i n g学位论文知识产权声明学位论文知识产权声明本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文作者签名殇【初宏指剥雠：易讲日期：以。矿r y 学位论文独创性声明学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人己申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。学位论文作者签名：指导教师签名：认艘1日期：w 莎j 、纪4 51 绪论1 绪论1 1 玻璃空瓶检测的必要性随着人民生活水平的提高，饮料的市场需求量也在不断地增加，产品的质量就成为了生产厂商和消费者关注的问题，而饮料瓶外观的好坏则直接或间接地影响到其内部饮料的质量，所以为了减少不合格饮料瓶的数量，需要增加其检测工序。灌装是啤酒三大生产工序之一。目前，绝大多数啤酒厂均重复使用回收的啤酒瓶。回收瓶的种类与质量参差不齐，可能是本厂的啤酒瓶，也可能是来自外厂的啤酒瓶，有的曾经装过散酒、煤油等其它物品，有的甚至附着烟头、火柴等异物。因此，旧瓶在回收以后，必须经过洗瓶及验瓶两道工序，确保其符合生产标准后才能进行灌装【1 1 。手工外观检验和产品标记昂贵且不可靠。同时又意味着不近人情的单调工作。这里，自动化机器视觉检测系统提供了解决这些问题的方案。随着饮料需求的不断增大，以及客户对产品质量的要求，越来越多的饮料生产厂商采用自动化p e t 瓶缺陷检测系统，对p e t 瓶的外观缺陷进行综合检测。这种方法代替了传统的人工方法以提高生产效率和产品质量，解决了人工方法效率低、速度慢，以及受检测人员主观性约束等不确定因素带来的误检及漏检，实现更好地1 0 0 产品在线检测。目前我国所采用的洗瓶程序大致分为三步：人工洗瓶，人工洗瓶后再经洗瓶机清洗和直接用洗瓶机清洗。验瓶方面，则有采用人工灯光验瓶，或采用传感器技术的空瓶验瓶机和摄像技术的全方位空瓶验瓶机。由于现今灌装速度每小时达4 2 0 0 0 瓶以上的灌装机在我国已经相当普遍，若单靠人眼在如此高速下进行检测，已经不能百分之百保证洗瓶后空瓶的清洁度，因此，空瓶验瓶机便逐渐为啤酒厂所接受。然而，我国啤酒瓶的质量尚未完全过关，也没有统一的标准规定，如瓶高、瓶底和瓶壁的厚度，以及瓶子的垂直度等等，都有较大的差异，使空瓶验瓶机的推广应用存在一定的阻力。相信随着啤酒瓶质量有管理的不断完善和提高，市场将慢慢冲破这道障碍。1 2 国内外发展状况在国外发达国家，对玻璃空瓶检测研究时间长，技术比较成熟，已经有多家公司生产出售该类产品。美国工业动力机械有限公司开发了两种检测系纠1 】：一种是采用传感器技术的玻璃空瓶验瓶机( 其结构可见图1 1 ) ；一种是采用摄像技术的全方位空瓶检测机。传感器技术空瓶验瓶机采用高分辨率的双基座扫描系统，包括圆周扫描和左右扫描，以检测瓶底的异物。此外还配合检测微量残余液体的红外线检测技术、瓶口破碎检测器、高瓶检测器等，对空瓶底部的厚度、密度、瓶口及残余液体等进行精确检测。州宜i 。业大学硕十学位论文摄像技术空瓶验瓶机采用光学系统、高分辨率摄像技术和自动变焦镜头，对各个检测项目进行精确的检测。对于直径为9 0 r t l ”l 的瓶子，可检测的异物面积大于等于35 x 35 r a m 2 ，精确度为9 8 。检测5 4 r a m口径的啤酒瓶时，检测速度可达7 0 0 树分钟i l i 。国内对啤酒瓶的自动检测刚剐于近几年开始起步，在玻璃空瓶检测技术上己经取得了一些成果，但多是采用了国外公司比较成熟的技术和算法，自主研发的产品还不成熟，在技术上和实际应用中还存在着不少需要改进的地方。而且在灌装后啤酒瓶内液位和杂质检测方面，尤其是啤酒瓶杂质的检测方面更是一个空白。因此，设计生产出具有自主知识产权的验瓶机对我国啤酒生产装备的国产化有着重要的社会效益经济效益。n 自a # _ _#。一日月l目* * 一一重l 麴一一1 女t m图1 1 传感器技术空瓶验瓶机检测头剖视图由美灏设备( 中国) 有限公司设计制造的m i h od a v i d 连续直线型空瓶检验机基本上代表了当代玻璃瓶检验机的先进水平。由美灏设各( 中国) 有限公司设计制造的m i h o d a v i d 连续直线型空瓶检验机( 其结构如图12 所示) ，能够以最精确和可靠的方式对空瓶作全面检查。该检验机融合最新的电子、光学技术于一体，具有优良的机械性能和可靠性。整机在结构上是由多个独立的模块组件拼装而成的，模块可以方便地进行拆装，可根据用户的不同需要增减不同的测试功能。该机采用敞丌式机架是世界上第一部完全敞开式的空瓶检验机，在使用非机械式遮光盖的情况下，能彻底解决一般外界环境亮度对机器运作的干扰，除了在电脑系统的指令下对运作进行控制外，还可以在操作者肉眼观察下监控瓶检过程，图1 2m i h od a v i d 柱验机实物图进一步提高操作的简易性，且散热好，温升小，功耗低。具有瓶底检测、残液检测、瓶口检测、旋盖螺纹瓶的检测、瓶身检测、剔出系统等多种功能。1 ) 采用最新技术，着眼于将来的发展作为积累了2 0 多年检测技术经验的专业制造商，他们不断研究客户的需求。m i h od a v i d 空瓶检验机融入了大量的知识、经验和技术，特别是现代技术、上乘的材料和别具格的稳定结构，使它在所有检测方面都获得了很高质量的体现。审两安t 业人 硕十学位论文m i h od a v i d 空瓶检验机的技术不仅使用于今天，更着眼于明天。在整机结构上他们将m i h od a v i d 空瓶检验机设计成由一个个独立的模块组件拼装而成的，并且模块可以方便地拆装，这样随着技术的发展，可以对机器进行不断升级，也可以根据用户的不同需要适时增减不同的测试功能。例如，现在可将旋盖螺纹瓶口的检测模块很方便地装到以前的检测系统中，而旋盖螺纹瓶口的检测在进行第一代产品设计时，在曾认为这在技术上是不可能的。稳固的模块式结构的另一优点是可以根据客户的要求提供最为经济实用的组合。例如，减少某一检测项目以降低成本，待将来需要时又可以将该项目加上去；或者根据客户的需要在主检机旁增加一项或者几项辅助功能等。2 ) 敞开式机架m i h od a v i d 空瓶检验机的另一项独特的功能特点是采用敞开式机架。有许多理由支持这种构思独特的敞开式机架，但难度在于如何解决受外界亮度影响的问题。m i h od a v i d 空瓶检验机是世界上第一部完全敞开式的空瓶检验机，在使用非机械式遮光盖的情况下，他们彻底解决了一般外界环境亮度对机器运作的干扰问题。敞开式机架有下列优点：a 、通过敞开式机架，异常复杂的m i h od a v i d 空瓶检验机就显得一目了然。人们可以清晰地看到机器运作的各个不同阶段。因而除了机器的各种自检功能在电脑系统的指令下对运作进行控制外，还能够在操作者肉眼的直接观察下监控瓶检过程，既简单、安全又保险。b 、敞开式机架使机器各个独立模块简单明了。为了进一步提高简易操作性，m i h od a v i d 空瓶检验机设计了各自独立的小机柜，松一下螺丝就能打开这些小机柜或简单升起气动盖，以便排除小故障( 如飞脱的标纤造成的故障等) ，这类故障操作者通常用手就可以简单方便地进行排除而不会造成生产线的经常性停顿。c 、敞开式机架还有其技术上的优点。例如，敞开式机架便于机器根据客户要求进行改进。又如，敞开式机架散热良好、温升很小、全机功耗极低，即使在酷热的工作环境下，也无需附加空气调节系统。3 ) 机架特别稳定坚固机架基本上都是由不锈钢制成的。机架的设计原则之一是从技术上寻求最简单的解决方案，因为简洁的结构，往往是最稳定的。例如，m i h od a v i d 空瓶检验机用光滑的不锈钢制造箱体，除了必要的开启装置外，没有加上任何不必要的装饰，使他们看起来即简单又安全，维修保养也比较方便。m i h od a v i d 空瓶检验机所用的电脑也是遵循简洁原则设计的，电脑的硬件结构十分简洁，但是所用的软件确是非常复杂而精确的，这样才能使机器得以不断提高运作能力。总而言之，稳定坚固的机架结合先进的技术，这就是m i h od a v i d 空瓶检验机的最高目标。西安t 业人学硕士学位论文4 ) 发光二极管( l e d ) 板m i h od a v i d 空瓶检验机的各个光学系统毫无例外地选择了l e d 发光管组合作为光源。采用这种特殊的光源比闪光灯光源或其他连续启亮的高功率灯泡有很多优胜之处：a 、长寿命l e d 有1 0 0 0 0 0 小时的预期寿命，而闪光光源的预期寿命只有5 0 0 - - 1 0 0 0 小时，选择高寿命的光源，可以避免频繁地停车来更换零部件。b 、安全性l e d 发光管的供电电压远比闪光灯低，发热升温也极低，更不会发出带有腐蚀性的臭氧，使用安全，这是l e d 光源的另一优点。虽然l e d 光源组合的造价非常昂贵，制造周期长，但由于其寿命长，只要长期使用，它的优越性就越来越明显地体现出来。这种经济性和安全性方面的卓越优点也正是m i h od a v i d 空瓶检验机采用它的最大原因。5 ) m i h od a v i d 空瓶检验机的电子技术m i h od a v i d 空瓶检验机的中央控制及检测单元的评价可分成两个方面：简洁的硬件；通过极其复杂而精确的软件，不断地提高其运作能力。a 、电子控制箱结构是严格的模块架构。采用模块架构有两个主要的理由：首先是为m i h od a v i d 空瓶检验机的各种性能的扩展性改进做准备；其次电脑硬件技术的简洁化，在一定程度上减少了空瓶检验机的不稳定性。在异常的停机情况下，它还有一个优点，就是不会影响整个系统的长期停顿，只需通过简单地更换电子插件即可纠正，在某些情况下用户自己就可以排除故障。为了提高电脑的可靠性，在电脑硬件结构上不采用任何运动的部件，即没有磁盘驱动器和硬盘。b 、m i h od a v i d 空瓶检验机的电脑处理技术归功于极其复杂而精确的软件，他具有异常的运作能力。它的标准功能中包含了所有检测过程的灵敏度调整或显示欧美各国语言文字以便操作。此外，m i h od a v i d 空瓶检验机的自监控功能也是非常优越的，它不仅提供检测瓶子程序，同时也提供复杂的停线出错显示，以及更多非常重要的其他信息和非常特殊的检测程序，如：剔除故障。通常，对一个检测结果判别为不合格的瓶子，并将其瓶剔除，对剔除系统来说，固然是不成问题的，然而在执行剔除或继续输送一个瓶子的过程当中就会出现某些问题时，自监控功能便能够即时做出反应。m i h od a v i d 空瓶检验机已经开发了特殊的检验程序，能检测到各种动作失误的可能性，使机器功能的监控程序至善至美。1 3 玻璃空瓶自动检测线所存在的问题目前我国啤酒及部分品种饮料( 玻璃瓶灌装) 生产行业绝大部分采取回收旧瓶，再经过清洗、消毒，重新灌装。由于地域不同、生产批次不同以及原材料不同，导致厂家回收来的旧瓶颜色不一。而目前国内外市场上的玻璃空瓶检测系统主要是依靠光学技术、高分辨率摄像技术以及图象处理技术进行的一种非接触性检测【2 1 ，虽然能够极大地提高空瓶检4测的速度及准确度，但对不同种颜色的空瓶进行同时检测时，其检测准确度却难咀满足要求。就目前国内外市场上出现的玻璃空瓶检验机来说，还不能足以解决同时针对混色玻璃空瓶进行良好检测。混色检测位置如图13 所示。基于阻上原因，为了保证不同颜色的玻璃空瓶在同一检测系统中都能够得到良好的检测，经过大量的调查和研究，本文决定针对目前市场上存在的多数利用图象处理的方式进行检测的空瓶检验机，在其基础之上进行一些功能的升级及其检测系统的优化。对于图象处理技术来说，系统获得的图像质量对于犀终图像处理的结果将至关重要，因此系统可以通过保证所获得的图像质量来保证混色玻璃空瓶检测的效果，即保证相同的瓶内光照亮度，便可以保证不同颜色玻璃空瓶都能够获得相同的检测环境，从而可以获得相同瓶内光照效果，最终可以得到相同质量的处理1 42 玻璃空瓶混色检测电路设计图14 混色检测装置结构示意图玻璃空瓶混色检测采取通过光敏传感器检测电路预先检测瓶底透光度，然后根据透光度进行光源亮度适时补偿的方法。对于不同透光度的被检测玻璃瓶在相同亮度光源照射下照度传感器所输出的电压信号是不一样的。将输出的不同透光度下所对应的不同的电西安j 丁业大学硕十学位论文压信号经信号放大整形后经a d 转换电路转换成一数字信号，然后通过控制系统( 系统采用单片机进行自动控制) 自动选择不同透光度所对应的电压信号下所对应的检测位置瓶底光源电压信号，最后经一个d a 转换电路输出最终所需要的电压信号，即在被检测玻璃空瓶到达检测位置之前，先用固定亮度光源进行模拟曝光，检测出当前瓶底的透光度，根据瓶底透光度的不同，通过查表的方法，得出摄像机拍照所需光强对应的控制电流，然后控制检测位置瓶底光源的发光强度，从而实现照度均衡、曝光一致。电路框图如图1 5所示：冕厦控制照度信号放大加查表d a+斗传感器整形转换比较转换图1 5 玻璃空瓶混色检测电路设计框图1 5 本论文的主要内容安排在本论文中主要完成玻璃空瓶混色检测系统的总体结构即机械部分的简单设计、透光度检测系统的设计、光源补偿系统电路设计以及电气控制系统部分的设计等，论文主要结构如下所示：1 ) 透光度检测系统在此部分内容中，要根据检测的要求来合理地选择出在透光度检测系统中所需要的透光度检测元件。另外，通过透光度检测元件检测光强后所反应出的电压信号是比较弱的，因此要对最终输出的电压信号进行放大，在此部分内容中，选择设计出几种放大电路进行实验分析，从而最终选择出一种最为理想的放大电路来。最终完成检测电路图进行设计。2 ) 光源补偿系统由于检测系统需要根据检测到的透光度的不同，系统自动控制检测位置瓶底照射光源的亮度，从而保证检测位置瓶内照度均衡、曝光一致。在此部分内容中首先根据检测系统的要求提出集中不同的光源补偿方案，然后针对某一种较为理想的光源补偿方法进行光源补偿方式的设计，最终完成光源补偿系统的设计，以满足检测系统的需要。3 ) 电气控制部分在本部分内容中主要做出针对混色检测系统自己的电气控制系统，根据检测系统的需要合理地选择出控制系统所需要的元器件，然后进行控制系统的设计，完成控制系统电气图的绘制。4 ) 电路板的制作在本部分内容中主要完成控制电路板的制作，通过电路板的制作及调试过程分析出制作电路板过程中可能出现的问题及其解决的方法。62 透光度检测方案设计2 1 系统概述2 透光度检测方案设计对于本文中所设计的玻璃空瓶混色检测系统，主要采用的是对瓶底光源照射强度进行补偿的方法，来保证对不同颜色的玻璃瓶获得相同的光照度，以获取最佳的检测图像。因此，确定需要补偿的照射光源的强度是混色检测系统所要完成的第一步工作。经过大量的调查研究，决定应用光电传感器对玻璃瓶的透光度进行检测，将检测到的结果与实际设定的透光度标准值进行比较，就可以确定每只玻璃空瓶所需要的光源照射强度的补偿程度了。本章节设计内容，主要是设计完成针对不同玻璃空瓶的透光度检测装置。此即为混色处理系统的第一部分。由于玻璃空瓶混色检测系统的检测速度比较高，要求达到被检测瓶4 2 0 0 0 只d , 时以上的检测速度。因此对于透光度检测系统的检测速度也提出了同样的要求。2 2 系统的主要功能性能是系统的灵魂，本文以系统性能为核心，以基本功能为主线，来完成整个方案的设计工作。本文设计的透光度检测系统，具有以下功能：1 ) 完成固定光源照射下瓶内亮度的检测；2 ) 满足4 2 0 0 0 瓶小时的检测速度；3 ) 完成检测数据的适时处理；4 ) 对获取的检测信号进行必要的处理。2 3 系统的总体方案设计对于玻璃空瓶透光度检测系统，在设计中决定应用频率较高的光电传感器，设计一传感器检测电路，针对透光度不同的玻璃瓶在固定亮度光源照射下的瓶内亮度进行检测，最终依靠不同瓶内亮度所对应的检测系统输出不同的电压值来判断玻璃空瓶的透光度的大小。混色处理系统最终就将根据传感器检测系统所输出的电压值的不同来确定光源亮度补偿的程度。2 4 系统的硬件方案设计及工作过程简述透光度的检测主要是利用一个光电传感器来检测在固定亮度光源照射下玻璃空瓶内光的亮度，同时检测系统会根据不同的瓶内亮度而输出不同的电压信号，通过输出的电压信号来反应瓶内的不同亮度。系统利用输出的电压信号与事先设定的信号标准值进行比较，从而得出光源亮度需要补偿的程度。最后根据系统设定的光源亮度补偿方法对光源进7州安l l k 人学硕十学位论文行适时补偿。具体工作过程如下：1 ) 固定光源照射下玻璃瓶内亮度的检测2 ) 瓶内亮度信息的数据处理：3 ) 结果的输出。25 硬件系统设计2 51 透光度检测系统的结构设计透光度检测系统主要包括光电传感器和固定亮度的光源。其中光电传感器采用光敏极管。1 ) 透光度检测系统由光电传感器、光学视场扩展补偿镜头和固定亮度的照射光源几部分组成，结构如图2 1 所示；2 ) 光电传感器可以检测出瓶内光的强度，通过光电传感器所测得的结果来调整检测时所需要的瓶底光照强度，保证最终获得的被处理图像的清晰；3 ) 光源部分从瓶底下方照亮瓶底，要求亮度均匀、流明大、寿命长，这里采用自行设计、制作的超高亮度l e d 阵列平板光源，同时在光源与瓶底之间用散光扳来保证亮度的均匀。印 自* 目器m山黼畿射扳瓶底目定亮度光源圉2 1 透光度检测系统结构示意图2 5 2 光电检测元件的选择光电检测器有时亦称为换能器、变换器或探测器，其主要特征是够能感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。因此，光电检测器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受( 或响应) 功能，并使之按照一定规律转换成使之对应的有用输出信号的元器件或装置。当然这里的信号既包括电量信号也包括非电量信号。在本次设计中，由于需要预先检测玻璃瓶的透光度，因此可以应用传感器检测出在固定光源照射下玻璃空瓶内部光照的强度的大小来反应玻璃空瓶透光度的太小。这属于一种对非电量信号的检测。主要应用传感器将一定的光信号转换成电信号进行输出，另外考虑到目前国内众多饮料灌装企业已采用高速灌装生产线，因此对于同步进行的自动检测系统的效率提出了很高的要求，当前我国多数饮料罐装企业正在向4 2 0 0 0 瓶4 , 时以上的生产速度发展，因此要求混色检测系统同样也要达到这样的检测速度，故要求该系统至少要满足每小时4 2 0 ( 1 0 只瓶子的检测量。这样就对光照强度的检测装置在测量的灵敏度上提出了较高的要求。a 、半导体p n 结p n 结就是在一块单晶中存在紧密连接的p 区和n 区结构。通常是在一种导电类型( p两安 ：业火学硕七学位论文型和n 型) 半导体上用合金、扩散、外延生长等方法得到另一种类型( n 型或p 型) 的薄层。在这两种半导体的材料的交界处就形成了p n 结。在n 型材料中，电子浓度大而空穴浓度很小。在p 结材料中，空穴浓度大而电子浓度很小。在结区，刚开始它们存在着载流子浓度梯度，导致孔穴从p 区到n 区和电子从n 区到p 区的扩散运动。在p 区，孔穴扩散后，留下不可移动的带负电的电离子为主。在n 区，电子扩散后，留下了不可移动的带正电的电离子为主。这些正负离子在结区附近形成空间电荷区，这个区域称为耗尽区。空间电荷区中形成的电场是由n 区指向p 区的，称为内建电场( 或结电场) 。在内建电场作用下，载流子出现漂移运动，方向与扩散运动方向相反，起着阻止扩散的作用。随着扩散运动的不断进行，空间电荷逐渐增加，阻碍扩散进行的漂移作用也随之增强。最后扩散与漂移运动形成动态平衡，结区建立了相对稳定的内建电场。p n 结的形成过程如图2 2 所示。pn! 嗍毫蔼pn叠事e ；09 pe009 o e #e009a )( 五)( a ) p 区与n 区中载流子的扩散运动( b ) 平衡状态下的刚结图2 2 刚结的形成p n 结的电流方程【3 叫：p n 结所加端电压v 与流过它的电流，d 的关系为i d ；l o ( e x p 薛) 一1 )( 2 1 )k 1式中，l 反向饱和电流；广电子的电量；k 玻尔兹曼常数；卜热力学温度。b 、硅光电二极管的光生伏特效应原理光生伏特效应是一种内光电效应【7 。】，当光子激发时能产生一个光生电动势。当两端短接时能得到短路电流这种效应是基于两种材料相接触形成内建垒势，光子激发的光生载流子被内建电场拉向势垒两边，从而形成了光生电动势【l o 】。 p n 结光伏器件的结构9u西安： 业大学硕士学位论文p n 结光伏器件的结构如图2 3 所示，通常在基片( 假定为p 型) 的表面形成一个反型层- n型层，n 型层上做一小的欧姆电极，光投向n 型表面，光子在近表面层内激发出电子空穴对，电其中少数载流子空穴将向前扩散，到达p n结区并立即被结电场拉到p 区，为了使n 型层内图2 3p n 结光伏器件结构示意图产生的空穴能全部被拉到p 型区，n 型层的厚度应小于空穴的扩散长度。光子也可能到达p 型区内，在那里激发出电子空穴对，其中电子也将依赖扩散及结电场的作用进入n 型区。所以光子所产生的电子空穴对被结电场分离，空穴流入p 区，电子流入n 区。这样，入射的光能就转变成流过p n 结的电流，称作光电流。光有光照时，若p n 结外电路接上负载电阻尼，如图2 4 所示，此时在p n 结内出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，形成的光电流，它与光照有关，其方向与p n 结反向饱和电流l 相同；另一种是光生电流，。流过负载电阻r 产生电压降，相当于在p n 结施加正间偏置电压，从而产生正图2 4 光照p n 结工作原理图向电流，d ，总电流是两者之差。图2 5 给出了p n 结在光伏工作模式下的等效电路。图中，。为流过p n 结的正向电流，c ；为结电容，r 表示串联电阻( 引线电阻、接触电阻等之和，其值一般为零点几到几个欧姆，大多数情况可忽略) ，尺。为p n 结的漏电阻，又称动态电阻或结电阻，它比尺，和p n 结的正向电阻大得多，故流过电流很小，往往可略去。这样，流过负载足的总电流墨l乓l1如莘1。【ill，o d1厂：_c j 。o图2 5 光电二极管等效电路 ，o屯t = 厶一。因为厶施加在p n 结的电压y 一( r + b ) 有关，从前面可知，= 1 0 ( e 却腮一1 ) 。l 为反向饱和电流，因此t = ，d 一一t o ( e 驯船一1 ) 一，p( 2 2 )有时，为便于讨论，上式也可写成i li ri p i d = i p - ，o ( e 毋| k l q( 2 3 、)这种改动没有原理上的变动，只是对电流的正方向做相反地规定，( 2 2 ) 式是以p n结的正向电流，d 的方向为正方向，而式( 2 3 ) 式是以光电流，p 的方向为正方向，由于，p与光照有关，并随光照的增大而增大，因此，。可表示为i p s 西。1 0西安r 业大学硕十学位论文式中，s ，为光照灵敏度。所以式( 2 2 ) 可以改写为i l ；i o ( e 7 k 1 1 ) 一s ，。下面分析两种情况：一种是当负载尺。断开( ，= 0 ) 时，p 端对n 端的电压称为开路电压，用圪表示。由式( 2 2 ) 得圪：丝岬+ 孕)( 2 4 )留d一般情况，l ，p ，所以圪。一k t 儿吓1 1 , ) 坚h 1 ( 毕)( 2 5 )qoqo圪表示在一定温度下，开路电压与光电流的对数成正比，也可以说与照度或光通量的对数成正比，但最大值不会超过接触电位差。另一种情况是当负载电阻短路( r = 0 ) 时，光生电压接近子零，流过器件的电流叫短路电流，用l 表示，其方向从p n 结内部看是从n 区指向p 区，这时光生载流子不再积累于p n 结两侧，所以p n 结又恢复到了平衡状态，费米能级拉平而势垒高度恢复到无光照时的水平，短路电流i 吣一lo | s l 由c这时p n 结光电器件的短路电流，跖与照度或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。如果给p n 结加上一个反向偏置电压圪，外加电压所建的电场方向与p n 结内建电场方同相同，p n 结的势垒高度由q v o 增加到q ( v o + k ) ，使光照产生的电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。光电二极管的两种工作模式结型光电器件在有光照条件下，理论上有正偏置、零偏置和反偏置三种工作状态。但实践证明当使用于正偏置时，呈现单向导电性( 和普通二极管一样) ，没有光电效应产生，只有在反偏置和零偏置时，才有明显的光电效应。如果工作在零偏置的开路状态，p n 结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理称光伏工作模式，这种工作模式在前面已经详细叙述了，在此不再赘述。如果工作在反偏置状态，无光照时电阻很大：有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表上看，与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，但它们的工作机理不同，所以在特性上有较大差别。因此，结型光电器件用作探测器时，可选用两种工作模式中的一种，即工作在反偏置的光电导工作模式或零偏置的光伏工作模式。硅光电二极管通常是用在反偏的光电导工作模式，其工作原理图如图2 6 所示，这里简单叙述如下：硅光电二极管在无光照条件下，若给p n 结加一个适当的反向电压，则反向电压加强西安t 业大学硕十学位论文了内建电场，使p n 结空间电荷区拉宽，势垒增大，流过p n 结的电流( 称反向饱和电流或暗电流) 很小，它( 反向电流) 是由少数载流子的漂移运动形成的。当光电二极管被光照时，满足条件h v 芑e 。时，则在结区内产生的光生载流子将被内建电场拉开，光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，于是在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。c 、半导体光电二极管的主要参数( 1 ) 暗电流v图2 6 反向偏置工作原理图半导体灵敏探测器件的正常工作通常需加反向偏置电压。在完全屏蔽光的情况下，加反间偏置电压时有一个很小的电流输出，即为暗电流，它是光二极管的主要噪声源，其形成主要因素：一个是半导体材料的热噪声：另一个是在偏压下s i 和熨q 体内的体电流，显然体电流随偏压的增加而增大。( 2 ) 结电容结电容取决于p 层的面积和耗尽层的厚度，可以近似的用平行板电容公式表达：c ；l( 2 6 )4 ，r k d、式中，为介电常数，k 为常数，s 为p 层的面积，d 为耗尽层的厚度。当i 层被全部耗尽时( p i n ) 型，电容最小。商品光电二极管的运行电压值一般为全耗尽电压，运行在这个电压下具有最小的电容和较低的串联阻抗，能改善响应速度和减小噪声。( 3 ) 响应速度响应速度由两个因素决定，一是探测器的时间常数f ，由探测器的总电容和负载阻抗决定。t 再是光电二极管的电荷收集时间，电荷在耗尽层产生并漂移到电极上，大约几纳秒。如果f 很小，光探测器的响应速度主要由光电二极管的电荷收集时间决定。p i n 型光电二极管的具有低的结电容、低的暗电流和高速光电响应，其输出脉冲卜升时间f ，= l o n s ，通常被选用为大面积的光电探测器件。( 4 ) 光谱响应各种型号的光电二极管由于制造工艺、窗口材料、p 层厚度的不同，其光谱响应有所不同。( 5 ) 光照灵敏度s ，光电二极管产生的光电流( ，) 与入射辐通量( m 。，辐度学物理量) 之比称为灵敏度，单位为, a w ( 安瓦) 。1 2西安t ：业人学硕十学位论文s zai s m 。d 、p i n 型硅光电二极管( $ 3 5 9 0 1一般p i n 光电二极管又称快速光电二极管。它的结构分三层，即p 型半导体和n 型半导体之间夹着较厚的本征半导体i 层，这是与普通光电二极管在结构上的主要区别。它是用高阻n 型硅片做i 层，然后把它的二面抛光，再在两面分别作p + 和+ 杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到p i n 型光电二极管，如图2 7 所示。因为具有较厚的i 层，使p n结的结间距离拉大，结电容变得更小。随着反偏电压的增大，结电容变得更小。从而提高了p i n 光电二极管的频率响应。目前p i n 光电二极管的结电容一般为零点几到几个皮法，响应时间t ；1 3 n s ，最高达0 i n s ：由于内建电场基本上全集中于i 层中，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，提高了量子效率：增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其响应波长范围可以从0 4 1 1 l t m ；可以承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。图2 7p i n 光电二极管结构示意图由滨松公司生产的$ 3 5 9 0 系列p i n 光电二极管是一种大光敏面光电器件，如图2 8所示，图2 9 ( a ) 给出了光照灵敏度与波长的响应关系，图2 9 ( b ) 为暗电流与反向偏压的关系，图2 9 ( c ) 暗电流与环境温度的关系。其主要技术参数见表2 1 。2 6 前置放大器的设计方案将光电传感器输出的光照信息收集起来，并转换成适于电缆运送到后续电子设备的电压或电流信号。这就需要一个紧靠光电传感器的“前置放大器 。当光电传感器输出信号的幅度很小时，前置放大器既要能对信号作初步放大，以降低输出信号在传递过程中所受噪声和外界干扰的影响。在用于能量测量时，前置放大器本身的噪声很小，以保证放大微弱的电荷信号并能分辨出它们的微小差别。当需要分析信号的时间信息时，前置放大器要能准确地保留光照的时间信息，以便能确定事件发生的时间或光照信号，此时采用前置放大器。光照度的测量对电子信号处理电路的要求，一般为放大光电传感器的输出信号，同时进行光照强度信号的处理。消除干扰，抑制噪声，尽可能精确地得到光照强度、时间、位置等有用信息的数据。在对获取数据作分析、处理后给出最终的实验结果。州安1 ：业大学硕十学位论文图2 8 $ 3 5 9 0 光电二极管图2 9 ( a ) 光照灵敏度与波长的关系图2 9 ( b ) 暗电流与反向偏压的关系图2 9 ( c ) 暗电流与环境温度的关系表21 $ 3 5 9 0 系列p i n 光电二极管主要技术参数2 6l 前置放大器的作用队1 4 】在现场测量中，光照亮度检测位置附近有一定的外界光亮存在，因此有时候要想办法wu￥s两安i ：业入学硕十学位论文克服外界因素对测量结果造成的影响，检测装置的输出端到放大器的输入端之间会有很长的导线连接，这之间的分布电容影响会很大，为了减少外界的干扰，提高信噪比，并使联接信号用的高频电缆阻抗相应匹配，通常