（机械工程专业论文）激光透射法膏药含量在线检测系统的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前我国的膏药生产厂家，在制造上大都已采取机械化生产。但在检测手段上，方 式仍然比较落后。在生产过程中，膏布药层含量检测主要采取离线称重法。即，质检人 员在膏布烘干后进行样本采集，到质检室按标准样本大小取样，并用天平称重，然后将 称重数据反馈给涂膏机的操作工人，由操作工人根据数据调节涂膏机，控制膏布药层厚 度，从而控制膏药含量，达到生产质量要求。这种方法的缺点是：( 1 ) 实时性较差。检 测时间至少需2 0 分钟，如检测不合格，在这段时问内将生产出大批量不合格产品。( 2 ) 原料浪费较大。检测数据反馈慢，操作工人主要依据个人经验。为保证合格通常涂层较 厚，造成原材料较大浪费。( 3 ) 检测误差较大。检测人员个人采样、读数习惯不同，使 得测量结果的精度受到较大影响。因此，有必要研制一种自动的膏布药层含量在线检测 系统，以解决以上问题，同时降低工人劳动强度、提高产品质量、增加企业效益。 本文针对膏布半透明特性，提出了基于朗伯定律的激光透射法膏药含量在线检测方 法，并进行了整体的系统研制。文章分别介绍激光透射法原理及检测系统结构，检测系 统机械结构设计，检测系统电路设计，系统双传感器失效现象的研究，以及检测数据处 理标定及分析，全文总结与展望等。 文中给出了检测方法的基本原理和理论依据；并针对现场复杂环境，如膏布传送振 动及膏药渗透基布等影响测量精度的各种因素，设计了相应的机械结构；针对背景光的 影响，提出了光源调制的方法并研制了相应的电路；针对激光器能量稳定性，提出了相 应的双传感器测量方法；同时，针对在研制过程中出现的双传感器补偿法失效现象，进 行了充分的研究，提出了解决方案；为方便操作工人直接观测测量数据，本文研制了相 应的接口与显示电路等；文章对测量系统进行了实验室静态实验，并对现场膏布进行了 在线测量，数据处理及检测结果表明，本文提出的方法措施保证了所研制系统的测量精 确性。最后，文章对所研制的系统进行了客观分析并提出今后发展的展望。 由于目前国内外尚无相应的检测系统研制，本文研制的膏药含量在线检测系统仅是 膏药含量检测方法的一种尝试与起步，相信今后随着我国膏药事业的发展，相应的检测 方法与系统会越来越多，也越来越完善。 关键词：膏药含量激光透射法在线检测 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m a i l yp l a s t e rf a c t o r i e sh a v er e a l i z e dm e c h a n i z a t i o np r o d u c t i o n b u tf o r o i n t r n e n tm e a s u r e m e m ，t h ew a yi sh a w e v e rl a g 百n 吕i np r o d u c t i o np m c e s s ，t h em a i n m e a s u r e m e n tw a yf o rp l a s t e ro i n t m e n ti sm e t h o do fo u t l i n ew e i g h t ，t h a ti s ，ap l a s t e rs 锄p l e i s l l e c t e db yaq u a l i t yi n s p e c t o ra f t e ri ti sd r i b d ，c u ta sas t a i l d a r ds i z ei naq u a l i t yr o o m ，a n d w e i g h t e db yap r e c i s i o nb a l a l l c e n e n ，t h ew e i 曲td a t ai sf e db a c kt oa 1 10 p e r a t o ln e o p e r a t o ra d j u s t st h em a c h i n et oc o n t r o l t h ep l a s t e rt h i c k n e s sa c c o r d i l l gt ot h ed a t a ，姐dt h e c o n t e n to ft h ep l a s t e ro i n t m e n ti sc o n t r o l l e d ，也er e q u i r e dq u a l i t yi ss a t i s f i e d t h es h o r t c o m i n g o fm i sm e t h o di s ，( 1 ) b e dt e a l - t i m ep m p e n yt h em e a s u r e m e mt i m en e e d sa b o u t2 0m i n u t e s i ft 王l em e a s u r e m e n tr e s u l ti s0 u to ft h eq u a l j f i e dr a i l g e ，al a r g ea m o 蚰to fp r o d u c t sw mb e d i s q u a l i f i c a t i o ni nt 王l i st 矗ne ( 2 ) 【丑r g em a t e r i a lw a s t i n 舀t h em e a s u r e m e mr e s u l tf e db a c kt o t h eo p e r a o ri ss l o w t h ee x p e r i e n c ei sd 印e n d e do nd u r i n gt h i st i m ea n dm o r em a t e r i a l i s u s e dt oe n s l l r em eq u a u t yg e n e r a l l y ( 3 ) l 丑r g cm e a s l l r e m e n te r r o lt h em e a s l 玳m e n t p r c c i s i o ni s 盛d e db ys 锄p l i n ga n dr e a d i n g h a b i t so fd i 骶r e n tq u a l i t yi n s p 嘲o r s s o ，a n a u t o m a t i o no n l i l l em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rp l a s t e ro i n t m e n ti sn e e d e dt or e s o l v et h ea b o v e p r o b l e m s ，a n dm e a t i m e t or d u c cl a b o rs t r 缸唔t h ，i m p v ep r o d u c t i o n q u a l i t y ，e n h a c e f a c t o r yb e n e f i t f o rt h et r a i l s l u c e n c yp m p e r t yo fp l a s t e r t h i st h e s i sp u t sf b r w a r dal a s e rt r a n s m i s s i o n m e t t l o df o ro n l i n ep l a s t e ro i n t n l e n tm e a s u r e m e n tw h i c hi sb a s e do nt h el a m b e nt h e o r y ，a i l d t i l em e a s u r e m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e d t h et h e s i s i n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l e o fl a s e r m l n s m i s s i o na n ds t n 】c t u r eo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，m e c h a n i c a ls t n j c t u r ed e s i g n ，e l e c m c c i i t d e s i g n ， t h er e s e a r c ho nc o m p e n s a t i o ni 1 1 v a l i d a t i o n0 fd o u b l e - s e n s o r s ，a l l dd a t a p r o c e s s i n g ，c a l i b r a t i o a i l da n a l y s i s ，s u m m a r ya n dp r o s p e c tr e s p e c t i v e ly h lt h i st h e s i s ，血eb a s i ct t l e o r ya n dp 血d p l ea r ei n t m d u c e d ，t h es p e c i a lm e c h a n i c a i s t 丌】c t i l r ef o rc o m p l i c a t e de n v i m m e n ti sd e s i g n e d ，s u c ha sf o rt h ep h e n o m e n ao fp l a s t e r v i b r a t i o nd u r i n gt r a n s m j t t i n gp m c e s sa n do i n i m e n tp e n e t r a t i n g p l a s t e rd o t h ，e t c w l l i c h i n n u e n c et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n f o r o v e r c o m i n gt h e e ( - e c to fb a c k g m u n d i i g h t ， m o d u l a t i o nm e t h o df o rl i g h tr e s o u r c ci sa d o p t e da n dt h ee l e c t r i cc i r c u i ti sd e v e l o p e d f o rt h e s t a b i l i t yp r o b l e m o fl a s e r e n e 玛y ， d o u b l e s e n s o r sm e a s l l r e m e n tm e t h o di s p r o p o s e d m e a l l “m e ， f o r c o m p e n s a t i o ni n v a i i d a t i o np h e n o m e n o no fd o u b l e s e n s o r s o c c u n e di n d e v e l o p m e mp r o c e s s ，t h ed e t a i lr e s e a r c hi sc a 玎i 甜o na n dt h er e s o l v i n gs c h e m ei sg i v e n ，f o r i i 华中科技大学硕士学位论文 o p c r a l d ro b s e i n gm e a s l l r e m e td a t ad n c t l y ，t h ei n t e r f a c ea i l dd i s p l a yc i r c l l i ta r ed e v e l 叩e d m n ，s l a t i ce x p 甜m e n ti sd o n ei nl a b o r a t o r ya do n l i n ep l a s t e ro i t 1 e n ti sm e a s u r e di nm e f a c t o r y a f t e rd a t ap r o c e s s i n g ，t h em e a s u r e m e mr e s u l t ss h o wt h a tt l l ea b o v ed e s c r i b e dw a y s h a v ee n s u r e dt h em e a s u r e m e n tp r c c i s i o no ft h es y s t e m a tl a s t ，a no b j e c t i v ea n a l y s i sf b rt h e s y s t e ma n de x p e c t a t i o nf o rt h ef u t u r ea r cd i s c u s s e di m em e s i s t h ep l a s t e ro i n t m e n to n l i n em e a s u r e m e n ts y s t e md e v e l o p e di t h i st l l e s i si sj u s tat r y i g a n db e 舀n n i n gs i n c et h e r ei s n tt h es t u d yo nt h ef i e i dt mn o w i ti sb e i i e v e dt h a t ，w i t hm e p l a s t e ri n d u s t r yd e v e l 叩m e n ti no u rc o u n t r y ，t h ef e l e v a n tm e a s u r e m e tm e t h o da ds y s t e mi n t h ef i l t u r ew i l lb em ( ，r ea n db e t t e ra sw e u k 昭w o r d s ：p l a s t e r0 i n t e t ，l a s c rt r a n s m i s s i o nm e t h o d ，o n - u n em e a s u r e m e n t i i i 独创性声明 木人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文巾以明确方式标i ! j = l 。本人完全意识到本声明的法补结果山本人承担。 、 学位论文作者签名： i 7 u 刚们：2 0 0 5 年f 4 月呱| ；i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使删学位论文的规定，即t 学校订 权保留并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。术人授权华中科技大学可以将木学位论文的全部勇j j ：部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密团 ( 请在以上方梃内打“j ”) 学位论文作齿签名：绺啼指导教师签锄i 勿厶为 日期：2 0 0 5 与：f d 碍y i 日日j 9 j ：2 0 0 5 年，月，日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 激光测量的国内外研究现状 光学测量法是实际应用中较好的方法之一。它具有稳定、可靠、非接触等诸多优 点，被广泛地应用在测量领域中，且自从激光出现以后，情况就发生了更大的变化。 1 9 6 0 年，美国休斯实验室的梅曼( t h m a i l l l a l l ) 成功地研制了第一台激光器。激 光的辐射机理与天然光源及以往的人工光源在本质上是不同的，普通光源的辐射是自 发发射占优势的辐射，激光辐射是受激发射占优势的辐射，它是通过辐射的受激发射 进行光的放大，所以称为激光。“激光”一词译自英语“l a s e r ”，它是由“u 曲t 娜i c a t i o nb ys t i m u i a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n ”缩写而成。激光具有高亮度、高方 向性、高单色性以及高度的时间与空间相干性等特点，使它的出现成为光学中划时代 的标志【1 j 。1 9 6 2 年，第一个半导体激光器问世以后，激光的发展更是如虎添翼。激光 作为光源已应用于许多科技和生产领域中。激光光源的应用促进了光电子技术的新发 展，己成为十分重要的光源。 激光测量因其非接触、测量准确，对物体的表面形貌、尺寸有着得天独厚的测量 优势，被广泛地用于反求工程、涡轮叶片检测、远距离精确测量、生产线在线尺寸测 量等复杂测量表面或复杂测量环境中【2 5 1 。而且其应用领域，随着各项研究的不断深入， 会越来越广。近年，苏州科技学院电子系进行了激光透射法聚酯薄膜厚度检测的研究， 目前尚未达到生产阶段。 由于本课题中膏药含量的测量在一定程度上可转换为膏药厚度测量，因此本文对 相应的厚度测量方法及激光在厚度测量方面的应用进行了研究。 厚度测量技术目前向着高精度、高效率的方向发展。主要有机械测厚、光学测厚、 电磁测厚、电涡流测厚、超声波测厚、微波测厚、射线测厚、电容测厚、电感测厚、 激光测厚等方、法【“2 1 ，这些方法被广泛应用于制造、加工、检测等各个领域。现代测 厚方法的发展，越来越多地采用动态测厚代替静态测厚、自动测厚代替非自动测厚、 非接触测厚代替接触测厚 1 3 - ”】。 动态测厚代替静态测厚，使得产品在生产的过程中就能够得到检测，而不是等到 产品生产结束后再进行检测【“48 1 。这样能够更加真实、实时地反映产品制造的厚度质 量，而且由于响应速度快，可以减少废品率。 自动测厚代替非自动测厚，使得测量工作由仪器设备自动完成，省去了人为手动 华中科技大学硕士学位论文 操作过程。优点是能够充分地提高劳动效率，减轻测量者的劳动强度，降低由于人的 因数所带来的随机误差。 非接触测厚代替接触测厚也是测量发展的一个趋势【1 9 搿l 。接触测厚是指测量器具 的敏感元件( 测量头) 在一定测量力的作用下，与被测物体直接接触的测量方法。非 接触测厚是指测量头不与被测对象接触而能完成测厚的测量方法。由于接触测厚存在 容易产生接触变形、损坏被测物体表面、磨损触头等缺点，而且有些物质硬度很小， 不能使用接触测量，使其在应用方面有很大的局限性。与之相比，非接触的优点使其 有着更广阔的应用前景。 在实际应用方面，许多技术都已走向成熟。美国d a k o d a 公司的超声波测厚仪， 测量范围o 6 3 5 0 0 n 】i i l ，分辨率0 0 1 哪；德国k r a u tk r a m e r 公司的精密超声测厚仪， 分辨率可达o 0 0 1 m m ( 测量范围0 1 3 2 5 姗) ；德国q u “i x 电磁和电涡流的涂层厚度 测量仪，测量分辨率达1 u m 等等。国内在此方面也同样取得许多成绩，南通华唯公司 生产的超声测厚仪也能达到相当的测量精度。国内外的口射线测厚仪被广泛地应用于 纸张、钢板等生产的实时测厚。 在研究方面，意大利p a l e 珈。大学的c c a l i 等人p 6 研制了一种用于测量光学常 数刀，五以及弱吸收系数的薄膜厚度的方法，这种测量方法是基于一束激光照在某实 验样本上，精确确定其反射和透射系数。激光束以布鲁斯特入射角照到薄膜覆盖的透 明衬底上，它的偏振可以在p 和s 态之间转换。如果已知厚度在假定的范围之内，则 通过测量j 口和s 的反射及透射系数就能计算出光学常数力，七以及具有弱吸收能力的 薄膜的厚度。 台湾n a t i o n a lc e n t r a lu n i v e r s i t y 的s h e n g h u al u 等人，提出一种可以直接 测量不透明平行平面零件厚度的方法m ，这种方法是基于外空穴二极管激光器( e c d l ) 和双端于涉计的。一种环状的结构使干涉计能同时观察到零件的两个面，所以被测件 就不需要被扭在某个滚筒上。干涉条纹的光程差( o p d ) 在一系列递减的合成波长下 是有规则的，从而消除了干涉条纹级数的不确定性。每种合成波长是由e c d l 的初始 波长和变化着的波长的结合。零件厚度最终根据由一系列合成波长以及规则的合成分 级条纹计算出来的o p d 确定。测量的不确定性随着测量合成波长的不断简化而逐渐减 少。性能测试的结果表明对于一个1 0 m m 的标准量块精度约为o 5 u m 。 国内近期的厚度测量方面的研究主要有：昆明冶金研究院关于x 射线测厚仪在板 材轧制过程中的应用研究；兰州铁道学院进行了关于用于金属厚度检测的涡流传感器 的研究；天津大学精密测试技术及仪器系进行了电容传感器法用于板材在线测厚的研 究，电容传感器用于薄膜厚度在线检测的研究工作；以及中南大学机电学院将激光用 2 华中科技大学硕士学位论文 于铝薄板厚度检测的应用研究等【3 8 4 3 1 。但目前尚未检索到将激光应用于膏药含量或膏 药厚度方面的研究。 1 2 课题的来源、主要研究工作及意义 本课题来源于与河南羚锐制药股份公司合作开发的一个项目“涂膏机膏药含量在 线检测系统”。 目前羚锐公司的膏药生产和其他膏药生产单位一样，面临着落后的质量控制方 法。即，膏布药层质量控制只能采用人工称重方法。这种方法是在膏布通过烘干后， 采集标准大小的膏布样条，然后用天平称重，并把称重的结果反馈给操作涂膏机的工 作人员，工作人员根据测量结果来调整涂膏机的机构，改变涂膏量。就是通过这样一 个流程，来达到控制膏布药层质量的目的。显然，这种方法存在很多缺点：( 1 ) 实时 性差。采用人工称重的方法，要等膏布经过烘干以后才能采样，采样后拿到质检室去 称重，还要进行计算；这样下来一般要比实时测量落后2 0 分钟左右，此时再反馈给 工人来调节机械机构有很大的滞后性，对产品的质量自然有很大的影响；( 2 ) 随机误 差大。由于工人在采样时采样点的选取，采样膏布的尺寸大小，称重时的读数等人为 因索引入了很多误差，导致测量误差较大。( 3 ) 不停的采样工作加重了工入的劳动强 度。为解决以上问题，提高产品的质量及工厂的效益，就需要开发一套膏布药层厚度 的自动检测系统。 主要研究工作： 开发研制一套膏药含量的在线检测系统 要求显示精度为o 1 9 1 0 0 c m 2 研究本课题的意义： 本课题的研究成功将会改变膏药生产中落后的检测方式，降低工人的劳动强度， 提高产品的质量，极大地节约原材料。 1 3 全文内容安排 本文的主要内容安排如下： 第一章介绍了激光测量及测厚技术的发展状况，本课题的来源、目的和意义。 第二章介绍了激光透射法的原理及测量系统结构。 第三章介绍了检测系统中，有关机械结构的设计内容。 华中科技大学硕士学位论文 第四章介绍了检测系统中有关电子器件的选择，电路设计及软硬件调试等。 第五章介绍了系统中采用双传感器，监测补偿激光器光能变化，产生失效现象的 研究。 第六章介绍了数据处理，检测结果。并对标定方法和误差来源进行了探讨。 第七章全文总结与展望，对全文进行了总结与分析，并提出了课题的后续研究方 向。 华中科技大学硕士学位论文 2 激光透射法膏药含量检测原理及系统结构 2 1 膏药含量的激光检测原理 光的电磁理论把光学现象和电磁现象联系起来，认为光也是一种电磁波，即光频 范围内的电磁波。光的电磁理论是光电子学的重要基础之一。量子理论认为，光不仅 是一种电磁波，而且是一种粒子，即光是由一份一份的光量子光子组成。光是以 光速运动的光予流，光子同其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量，同时，他又 具有频率、波长、偏振等波动属性【4 “5 1 。光本身具有许多特性，光在介质中传播时， 光频电磁波会与介质中的分子、原子相互作用，作用的结果使得光波的某些特性发生 变化，会出现光的吸收、色散和散射等现象。 1 光的吸收 光的吸收，是指光波通过介质后，光强度减弱的现象。光的吸收是介质的普遍性 质和一般属性，除了真空，没有一种介质对任何波长的光波都是完全通过。所有介质 都会对某些频率范围内的光是“透明的”，而对另一些频率范围内的光却是不透明的。 通常把介质对光能的吸收分为一般性吸收和选择性吸收，任何一种介质对光的吸收都 是这两种吸收的组成。例如石英，他对可见光几乎是透明的，而对波长3 5um 5p 瑚 的红外光却是不透明的，这表明石英对可见光的吸收比较小，而对红外光却有着强烈 的吸收。 关于光吸收理论的解释，经典理论认为入射光场使物质中的分子发生极化，使分 子产生受迫运动，光强克服分子内部的阻力而消耗能量，这部分能量转化为分子热运 动能量，这就是所谓的分子吸收。显然当分子固有频率与入射光频率相同时，产生共 振吸收，吸收最大。现代物理学认为，组成物质的分子、原子的内部运动使物质具有 各自的能级结构，和电子运动相当的能级间隔e 。一e 。= e 的大小，与可见光、紫外光 光子的能量厅v 相当。所以，当e = 打v 时，入射的部分光子被吸收，分子能量产生 上跃迁或吸收跃迁。分子除了内部电子运动外，还有分子的振动和转动运动，与分子 的振动、转动相当的e ，则分别和近红外区光子及中远红外区光子能量相当，相应 的吸收跃迁将明显地吸收红外光能量。物质内部运动的复杂性，决定了与之对应的不 同的能级结构，所以通过光的吸收谱可以测定相应物质的存在。 2 光的散射 光在介质中的传播方向跟麦克斯韦方程所规定的方向不相同的现象，叫做散射。 华中科技大学硕士学位论文 当光束在光学性质均匀的介质通过时，光是不会发生散射的，这时从光束的侧向看不 到光。但当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧向却可以看至光。看到光的这个 现象，就是散射。 散射现象可以分为两类，一类是混浊介质的散射，也叫丁达尔效应。所谓混浊介 质是指一种均匀介质中含有折射率不同的杂质微粒，也可能由于介质本身的密度不均 匀造成。如尘埃、烟、雾、悬浊液以及毛玻璃等。这种混浊物的特征是，其杂质微粒 的线度一般来说比光的波长小，他们之间的距离比光的波长大，而且排列毫无规律， 因此，他们在光作用下的振动彼此间就没有固定的相位关系，在任何观察点所看到的， 总是他们所发出的次级辐射的不相干叠加，到处不会抵消，从而形成了散射光。另一 类是分子散射，如太阳光在高空大气中的散射。 3 朗伯定律【4 q 不论是光的吸收还是散射，都将使光强产生衰减。光的衰减规律可以由比尔定律 和朗伯定律来描述。 因膏药是固体但又含有液体的物质，使用于溶液浓度及其吸收的比尔定律在此不 适用。因为，比尔定律要求溶液浓度不能太大，分子间相互作用可以忽略不计的情况。 为此，采用在任何条件下均成立的朗伯定律。 如右图2 1 所示，强度为厶的光 通过长度为l 的介质，在距离z 处由 于介质的影响，光强衰减变为五在 距离z l 出处光强交为卜d 厶也就是 说，在出距离内光强减少d 厶根据 1 0 物理的考虑， 一甜二蛩五壶 ( 2 1 ) 式中a ：一型( 2 2 ) 出 n 定义为介质的衰减系数( 1 ，m ) ，表 示在单位距离上光强减少的百分比。 工程上也常用( d b m ) 来度量衰减系 数，两者的关系是 口( d b m ) = 4 3 4 3 口( 1 m ) 如果介质均匀衰减，即d 与2 无关， 7 i ： i d i z ：d z ，一 l 图2 一l 光在介质中的衰减 ( 2 3 ) 那么从式( 2 2 ) 就可以求得 j ( z ) = ，o p 4 ( 2 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 令z = ，那么通过长度l 的介质后的光强度为 ，( ) = 厶p 一“ ( 2 5 ) 这就是描述光波衰减的朗伯定律。考虑到衰减是由于光的吸收和光的散射两个独 立的物理过程共同产生，故可令 口= 口。+ 口。 ( 2 6 ) 式中。和如分别称为吸收系数和散射系数。 传播介质对光的吸收和散射都使光的强度发生了变化，这就是郎伯定律的结果。 本课题所研究的检测设备就是在这一物理现象的基础上建立起来的。 由式( 2 5 ) 可得： r l n 三。一以 磊 即： 三；! l n 生：丛一坐( 2 7 ) 口jnd 由于光在穿过空气时的衰减与光在穿过膏布时的衰减相比非常微小，完全可以忽 略不计，所以，式( 2 7 ) 中的光在介质中的传播距离即为膏布的膏药厚度，而膏药 厚度的大小与含药量是完全正比的关系。 2 2 检测系统波长选择 我们在取得两片黄色膏布和两片白色膏布后，用光谱仪进行了实验。在光谱仪上， 我们取不同波长的光，如白光、红光、蓝光、绿光等照射白色及黄色膏布，所得结果 如表2 1 所示。 表2 1光谱仪实验结果 透过牵膏布黄色膏布白色膏布 忒 1 9 9 1 0 0 c m 21 6 9 1 0 0 c m 21 9 9 1 0 0 c j i 】2 1 7 9 1 0 0 c 一 白光 2 2 5 1 1 1 2 红光 5 5 8 7 7 7 蓝光 o o o0 绿光 000o 7 华中科技大学硕士学位论文 由表2 1 中我们可以发现，蓝光及绿光几乎完全被吸收，只有白光和红光有较好 的透过性。而其中，红光与白光比较，红光穿过黄色膏布和穿过白色膏布的透过率更 接近一些，即两种颜色的膏布对红光的吸光系数更接近一些。而白光则相反：白光在 穿过黄色膏布时的透过率为2 一2 5 ，在穿过白色膏布时的透过率为1 l 一1 2 ， 相差了5 倍以上。实际情况是，工厂里的每条生产线都是随对有可能或者生产白色膏 布、或者生产黄色膏布，那么就意味着：如果我们的测量系统中采用白光作为光源， 在生产线上生产的膏布颜色发生变化时，为了充分利用传感器等元器件的敏感区域， 使电路工作在最合理的增益状态，最大限度地保证尽可能高的测量分辨率，就必须随 时对检测电路的增益进行相应调整。但是，这样做又会带来系统操作的复杂，导致故 障源的增多，最后导致系统工作的不稳定。丽采用红光光源，由于透过率很接近，使 得检测电路的增益可以固定在某个合理的位置，不用随时进行调整，这样也就简化操 作，减少系统故障的发生。 由上述分析，采用红光光源可以更方便传感器参数的调整，优于白光光源，因此， 在系统中，我们采用6 5 0 n m 的红色光的半导体激光器。 在取得6 5 0 n m 的红光半导体激光器后，我们在实验室对现有的膏布样品进行了简 单的试验。试验原理如图2 2 所示。 图2 2膏布激光测量试验原理图 硅 光 电 池 我们用直流稳压源直接驱动半导体激光器，产生的激光经过凸透镜扩束后，在相 距4 5 m m 处的膏布上形成一直经2 0 m m 的圆形光斑，在膏布背面距膏布4 i i n 处，我们放 置一硅光电池及其检测电路。更换不同的膏布样品，测量硅光电池检测电路的电压输 出，结果如表2 2 所示。 表22膏布激光测量结果 黄色膏布白色膏布 膏布 1 9 9 1 0 0 e m 21 6 9 1 0 0 e m 21 9 9 1 0 0 c 1 7 9 1 0 0 c 玛2 电压( v ) o 2 60 3 61 3 7 51 4 5 童叫1 华中科技大学硕士学位论文 因为厂方对膏布的含药量检测的要求精度即准确度为0 1 9 。所以，由表2 2 中 的数据我们可以看到，不同膏药厚度的膏布所测出的电压差值，能够满足检测的细分 精度要求，重要器件的选择基本合理。据此，本系统将半导体激光器产生的6 5 0 n 红 光作为测量光，直接投射在膏布上，通过检测透过膏布后的激光即衰减后的光强变化， 计算出膏布药层的厚度变化。 2 。3 检测系统设计方案 为了避免环境光对测量结果产生不利的影响，我们对激光光源进行了调制，并在 结构设计上采取了一定的措施，以避免环境光的影响。 考虑到激光器所发出的光强受驱动激光器的电源的波动、激光器的老化、环境温 度等因数的影响，所以系统中增加了激光光强监测电路。由于涂敷膏药的布料基底的 颜色和厚度都有很大的变化，在测量膏药厚度时候，对测量结果会有很大的影响，因 此系统增加了一块布料的检测部分，以便消除布料变化对检测结果的影响。 膏药含量在线检测系统设计方案如图2 3 所示。由涂药前的布料测量传感器，涂 药后的膏布测量传感器，数据采集卡，计算机及显示装置组成。 图2 3 检测系统设计方案 布料测量传感器得到因布引起的透光强度变化；膏布测量传感器得到由膏药及布 两部分引起的透光强度变化：由二者的差值即可得到由膏药含量引起的透光强度变 化。 华中科技大学硕士学位论丈 2 4 检测光路的设计 检测用的激光发生器，受电路干扰、环境温度的影响、自身发热的影响等，使得 所发出的激光在光强上会发生漂移、变化。这就要求检测光路在设计上，要考虑对光 能的监测。光路设计如图2 4 所示。激光从激光器中射出之后，经过分光镜片b 分光， 约有8 的光能被分走，通过凸透镜l 。扩束后照到光电池a ，上，用于监测光能的稳定 性，属监测光部分；剩下的光经过凸透镜k 扩束后照向膏布，在膏布表面形成直径 2 0 唧的光斑，透过膏布的光能经过光电池a ：检测用以确定膏布的膏药厚度，属检测 光部分。 2 5 本章小结 图2 4 检测光路原理图 本章介绍了激光透射法来源于：光穿过物质时会出现光的吸收和光的散射的现 象，以及能够描述这一光波衰减现象规律的朗伯定律。在了解激光透射法基本原理的 基础上，介绍了检测系统的具体实现方法，以及对激光器光能的监测要求。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 检测系统机构及部件结构设计 3 1 膏药的生产工艺流程及其涂敷机构 膏药的生产工艺流程是，首先对膏药所需药材等进行选择，粉碎后按量配比，与 橡胶一起加入溶剂后，进行充分搅拌，制成合格的膏药浆体，然后通过涂敷机构将膏 药均匀地涂在布匹上，并经烘干道去掉膏药浆体中的溶剂，所得的膏布再经切割成为 标准膏药贴片。其中膏药涂敷机构属于压延设备的一种，其结构原理如图3 1 所示。 图3 一l涂敷机构现场涂敷原理图 由图我们可以看到，膏药涂敷机构主要由涂膏机机头、烘干道和机尾三部分组成。 机头操作工人将打好的膏药浆适量地上到布匹上，行走的布匹带着膏药浆从挤压轴l 和挤压轴2 之间的缝隙中穿过，因为挤压轴的刚性很好，在膏药浆的粘度及布匹厚度 保持不变的情况下，两轴之间的间隙能使锝膏药浆均匀地涂敷在布匹的表面上，并保 持不变。操作工人通过调节挤压轴1 和挤压轴2 之间的间隙大小来控制膏药的涂敷厚 度。 烘干道全长约有三十多米，烘道内有很高的温度，涂好膏药的膏布以一定的速度 ( 速度根据膏布出来时的干湿程度可以调节) 穿过烘干道时，膏药内的溶剂会很快蒸 发掉，使膏药达到合格的干湿程度。 在机尾处的工作主要是，将宽度为9 0 0 册至1 0 0 0 唧的膏布，通过刀片分切成若 干1 2 0 姗宽，或其它的标准宽度的膏布后，进行收卷。收好卷的膏布，将被送至下一 道工序加工。 根据以上叙述，我们对膏药的涂敷过程有了一个大致的了解。在实际生产中，稍 浆部门由于种种原因，不能保证每一缸浆的粘度保持一致，有时还会相差很大，不同 华中科技大学硕士学位论文 缸的浆由于搁置时间的长短不同，也会对粘度产生影响，即使是同一缸浆，它的头部、 中部和尾部的浆的粘度也有很大差别，加上布匹的厚度也会存在一些变化等等。这些 原因都导致了所铺膏布含膏量的变化，这就要求机头工位的操作工对挤压轴的间隙作 出实时的调整。 目前，实际生产中，对膏布含膏药量的判断，主要是通过机头操作工的肉眼，凭 经验实时判断，结合机尾处对膏布进行取样称量的结果反馈。肉眼判断的根据完全是 经验和感觉，这非常不准，也不科学：而膏布取样反馈的实时性又非常差，必然导致 不合格品的增加和原料的浪费。 3 2 检测系统的机械结构设计 首先，我们要确定监测系统的安装位置。由上一节的介绍可知， 机头、烘于道及机尾组成。自然，烘干道是不便加装检测装置的了， 在机头或机尾处。 膏药涂敷机是由 检测装置只能装 机头主要负责将已经打成一定粘度的膏药浆体涂敷到布匹上，并控制好上浆的厚 度。操作工人控制涂敷膏药的厚度的操作行为是在这里完成的，因此检测装置若装在 机头处的好处是：距离操作人员近，便于即时操作修改，使得整个系统的反应速度快 捷，但此时膏药较稀，含溶剂较多，性质不太稳定，检测较困难。检测装置若装在机 尾处，因膏药已被烘干，性质稳定，检测较容易，但系统响应相比较而言要慢很多， 从操作工改变膏药厚度到机尾检测装置处，需要6 分多钟的时间，即一次操作的响应 周期是6 分钟，严重影响了系统的工作效率，而且会增加废品率。因此，我们结合厂 家的要求，决定将测量装置安放在机头部分。 在实验室，我们用激光器对膏药的含药量( 即膏药厚度) 做检测试验时，发现膏 布距离激光器和探测器的远近，特别是膏布与探测器之间的距离，对测量的数据结果 有很大影响，距离越近，测量效果越好，超出一定距离，就无法测量了。而现场，由 于受烘干道抽风机的风力影响，涂完药的膏布在行走过程中抖动非常厉害，直接检测 会因膏布与探测器之间的距离反复变化而影响检测结果，甚至导致无法检测。另外， 由于涂敷过程中的膏药是含有溶剂的较稀的膏药，这就导致部分膏药会穿过布匹，渗 到膏布的背面来，而且在布匹与布匹的连接处，布的毛边很多，从机头挤压棍缝中出 来时，会在膏布背面带出许多膏药，如果探测器距膏布背面太近，且没有任何措施的 话，渗出的膏药就会落到探测器的窗口上，导致无法检测。这就要求在做机械结构设 计时，必须考虑以下几点： 保证激光探测器区域的膏布位置固定，膏布自身平稳，不抖动，这就要求膏 华中科技大学硕士学位论文 布下面必须有托板； 保证膏布背面的渗出膏药，特别是布匹连接处的渗出膏药不能落到探测器的 窗口玻璃面上，以免妨碍探测器对激光的探测； 膏布在出机头到进烘干道之间，膏布是与水平面成2 0 。左右的角度向上的， 而激光测量装置必须与膏布表面垂直，因此要求装置在一定的角度范围内可 以调整，且调节方便； 膏布在行走过程中，膏布背面渗出的膏药会在托板上产生堆积，因此要在托 板前加上刮板，提前刮掉部分渗出膏药，并且装置的下半部分( 探测器部分) 的机械与电器线路都要方便拆装与清洁，保证安装方便，定位准确( 探测器 必须与激光光路对准) 。 由于机头至烘干道入口的墙体距离很短，只有3 8 0 m m ，如图3 2 涂敷机头现 场图所示。所以要求整个检测装置设计尽可能简洁，少占空间。 图3 2涂膏机头现场图 鉴于以上情况和要求，我们设计的检测装置的整个机械结构如下图( 图3 3 检测 机构现场位置及结构图) 所示。 图中，轴l 和轴2 均可转动，螺栓a 可沿u 形槽上下滑动，这样可实现激光测量 的光轴方向与垂直于地面的测量架之间的夹角在o 。至2 5 。的范围内可调，从而可以保 证激光器与探测器架( 即激光的光轴方向) 与膏布表面垂直的要求，并且整个测量架 调整安装方便、简洁。 华中科技大学硕士学位论文 图3 3检测机构现场位置及结构图 激光器与探测器架的结构如图3 4 所示。图中弧板用以托起膏布，保证膏布与激 光器和探测器的距离位置固定不变，并可消除膏布的抖动，在探测器上方的弧板中开 有方孔，以便激光通过，同时保证渗出膏药不会滴到探测器上。弧板的两边装有刮板， 一方面可以消除膏布的抖动，增强膏布的稳定性，另一方面可刮掉大部分膏布背面的 图3 4激光器与探测器架 渗出膏药，避免膏药在弧板处堆积，改变膏布与激光光源以及探测器之间的距离，影 响检测的准确性。 图3 4 中，探测器盒、弧板、刮板等均固定在滑板上，形成一个整体，在清理时 可以整个沿轨道拉出，清理完后再沿轨道推回原位并固定，安装定位非常方便。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 3 光学器具装置的结构设计 根据上一章图2 3 中对检测光路的设计和要求，我们分别设计了激光器盒与探测 器盒两个部件，盒中除了要安装各种光学元件外，还要预留一定的空间安放相应的电 路板。激光器盒的结构如图3 5 所示。 由于光路的要求，激光器盒的反光镜安装孔与光电池安装孔是一个通孔，必须配 钻，一刀成型。并且，此通孔轴线必须与激光器的安装孔( 即激光器光轴) 垂直。加 工方法是：反光镜安装孔与光电池安装孔先只作粗加工，留下余量，待其他部分加工 完后，将两者紧固在一起，再一刀配钻。反光镜的安置面加工要在其座体的定位加工 好后进行，安置面要保证与激光器光轴方向成4 5 0 等等。总之，在设计上力求简单、 稳定、可靠，方便调试。相比较激光器盒而言，探测器盒的设计就简单多了，这里就 不再叙述。 分光镜 3 4 本章小结 激光器 图3 5 激光器盒结构 光电池 电路板 本章介绍了膏布生产机器及其现场的具体状况，阐述了依据现场实际环境要求和 测量系统的要求，而进行的机械结构、机械部件等内容的设计思想和设计结果。总的 设计要求是简单、可靠、结实、耐用，而又不乏美观。 实际使用后的结果表明，由于开始时在结构设计上充分考虑了多方面的因数，给 后来的安装调试工作带来了很大的方便。并因结构的简洁、美观而受到厂方人员的好 评。 华中科技大学硕士学位论文 4 检测系统中的电路设计及相关程序 4 1 激光器驱动电路设计 4 1 1 激光器的选用 激光器的种类很多，大致可以分为：固体激光器、气体激光器、染料激光器、半 导体激光器等【朔。 应用晶体或者玻璃制成的激光器叫做固体激光器。在这类器件中，所用的晶体、 玻璃都必须掺有少量的稀土元素或者其他元素。这些都是光泵的器件，把从强的闪光 灯或稳定的白炽灯所发出来的一部分光转变为相干的光。固体激光器的工作物质能储 存较多的能量，比较容易获得大能量、大功率的激光脉冲。但是，在效率和输出激光 的频率稳定性、相干性方面都不如气体激光器。 用气体材料所制成的激光器叫气体激光器。现已有多种气体原子、离子、金属蒸 气、气体分子等成功地制成激光器。在这类激光器中，通过气体放电的方法把电子与