一种能测量多个同时下落物体并具有体积测量功能的光电数粒传感器

摘要

本发明提供了一种能够测量多个同时通过传感器的物体的个数和体积的光电数粒传感器。本发明的传感器能在测量通过传感器的物体的个数的同时，判断是否有小于正常体积的破损的被测物体，小于被测物体体积的杂质及多个被测物体同时通过传感器的情况出现,并使数粒机采取应对措施，提高了数粒机的精度。本发明能广泛应用于自动数粒机上，并可以实现被计数的物体不需要逐个下落，而是多个同时下落的高速数粒机。

说明书

技术领域

本发明是一种用于对运动中物体进行计数和体积测量的传感器,特别是一种基于光电测量原理，能测量多个同时下落的物体，并具有体积测量功能的小物体计数传感器。

背景技术

工业自动化及其他领域中，需要对运动中的物体进行计数。例如制药业中的数粒包装机需要在装瓶过程中对被装瓶的药粒进行计数，以满足每瓶装有约定数量的药粒的要求。基于光电测量原理的光电数粒传感器由于其高速，可靠，被广泛应用于数粒包装机中。

以上述的数粒包装机为例，由于药粒存在破碎的可能，在装瓶过程中，需要能够对药粒的体积进行判断，以剔除装有不完整药粒的瓶子。另一方面，包装过程中，虽然采用振动的方式使得药粒是一颗一颗顺序下落的，但是，也有可能出现多颗药粒同时下落的情况，需要数粒传感器能够判断出是否有多颗药粒一起下落的情况出现，如果有，包装机需要剔除数量有误的药瓶。

现有的光电数粒传感器通常采用测量药粒通过光电数粒传感器的时间（脉冲长度）来判断药粒的体积。但是，由于药粒的形状不全是球型的，药粒下落时，其通过光电数粒传感器时的姿态（垂直，水平）决定了光电传感器测量到的下落时间，各种下落姿态通过传感器的时间相差很多，因此，现有的光电数粒传感器利用通过传感器脉冲的长度无法准确地测出药粒的体积，存在着对破碎的药粒和同时下落的药粒判断不准的缺点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能够判断出多个物体同时通过并准确测量出药粒体积的光电数粒传感器。本发明的技术方案如下：所述传感器包括由一组并排的发射管（n个，E1x,E2x…Enx）和一组与其相对的光电接收管（n个，R1x,R2x…Rnx）及其相关电路组成。发射管和接收管的间隔为d。

作为本发明的进一步技术方案，发射管发射经过调制的光波，接收管经过放大，解调，数字信号处理之后输出信号。

作为本发明的进一步技术方案，时序电路使得当其中的一个发射管Emx发射时，接收管R1x,R2x…Rnx按顺序接收发射管E_mx的发射信号，在Rnx完成接收周期后，下一个发射管E_（m+1)x重复上述时序。在一个扫描周期内，发射管E1x,E2x…En按顺序发射，扫描周期周而复始，在发射管和接收管之间形成密集交叉的光路。

作为本发明的进一步技术方案，接收管R1x,R2x…Rnx经过放大，解调，数字信号处理后，进入2个阈值分别设为T2和T1的比较器，T2高于T1,比较器设有一定的回差，比较器的输出接入n通道的“与”门。第一个比较器为报警比较器，在一个扫描周期内，当任何一通道的信号减弱到低于阈值T2但还未降至T1时，报警比较器的输出翻转。“与”门的输出翻转，给用户提供报警信号，提示传感器需要维护，如清除粉尘，调整接收电路的增益等。第二个比较器为动作比较器，在一个扫描周期内，当有物体挡住任何一条发射管到接收管的光路，放大器输出信号的强度低于设定的动作比较器的阈值（T1），动作比较器的输出翻转，与门的输出翻转，传感器判断有一个物体经过传感器，传感器计数加1。

作为本发明的一种优选方案，根据报警比较器和动作比较器的输出，传感器能实现自调节。通过调节发光管的发射电流及接收电路的增益，使得进入报警比较器的信号一直维持在高于T2的水平。传感器可以在开机时进行自调节或在物体通过后的第一个扫描周期内进行自调节。如果在自调节的过程中，发射电流或接收电路的增益超过设定的极限，传感器输出失效信号。

作为本发明的另一种优选方案，比较器输出可接入微处理器的I/O口，利用微处理器进行进一步的数字信号处理。利用微处理器，对一个扫描周期内，被挡住的发射光线和没被挡住的发射光线的时序和位置进行分析，进而判定是否有物体经过传感器，是否有一个以上的物体同时经过传感器的情况出现，如果有，有多少个物体同时通过传感器。如果物体通过传感器的时间超过一个扫描周期，可以对多个扫描周期中被挡住的发射光线和没被挡住的发射光线的时序和位置进行分析，进而对通过传感器的物体的数量进行更精确的计算。

作为本发明的另一种优选方案，经过解调之后的模拟信号输出到带有A/D的微处理器中。由微处理器实现动作比较器和报警比较器，进一步数字信号处理等功能。

作为本发明的另一种优选方案，传感器利用分析物体下落时各个扫描周期中被挡住的发射光线和没被挡住的发射光线的时序和位置，求得在一个扫描周期中的物体的截面积，通过对物体通过传感器的所有扫描周期积分，进而得出通过传感器的物体的体积。

作为本发明的另一种优选方案，传感器可由在不同时间发射的，互不干扰的多组上述的“发射－接收管组合”组成XY，八角形等形状传感器，进一步提高传感器的分辨率和体积测量的精度。

附图说明

图1是由密集交叉光路组成的光电数粒传感器图;

图2是交叉式光电数粒传感器电路框图;

图3是交叉式光电数粒传感器同对射式光电数粒传感器的比较图;

图4是XY方向的交叉式光电数粒传感器可以分辨出4个同时下落的物体图;

图5是XY方向的对射式光电数粒传感器无法分辨出同时下落的4个物体图;

图6是八角型交叉式光电数粒传感器图;

图7是用于测量体积的交叉式数粒传感器图。

具体实施方式

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，本发明是按如下的方式来实现的：如图1所示，所述传感器包括由一组并排的发射管（n个，E1x,E2x…Enx）和一组与其相对的光电接收管（n个，R1x,R2x…Rnx）及其相关电路组成。发射管和接收管的间隔为d。本发明相应的电路如图2所示。

图2中的传感器的时序电路使得当其中的一个发射Emx发射时，接收管R1x,R2x…Rnx按顺序接收发射管Emx的发射信号，在Rnx完成接收后，下一个发射管E_（m+1）x重复上述时序，直到发射管Enx完成发射，时序又回到驱动E1x发射。在一个扫描周期内，发射管E1x,E2x…Enx按顺序发射，扫描周期周而复始。由图1的光路图可以看出，这样的时序使发射管和接收管之间的区域形成密集的交叉光路，当物体通过传感器时，只要其中的一条光线被挡住而没能达到接收管，相应的接收管比较器输出发生翻转，传感器就能判断出有物体通过传感器。

如图2的电路框图所示，为了提高传感器的抗干扰能力和长期稳定性，采用调制发射光和在接收端解调的方式，由时序电路产生具有一定占空比的方波Pulse驱动发射管。由于发射管只在很短的时间内发光，大部分时间处于关断状态，调制式发射管驱动的方法提高了发射管的寿命，使得传感器的长期稳定性得到保证。

接收电路对接收管接收到的光信号进行电流电压转换，放大，用同样的方波pulse解调后进行信号处理，进入到动作比较器，报警比较器中。比较器可以用硬件的形式实现，也可以用软件的形式实现。当放大器的输出小于设定的阈值T2，报警比较器的输出翻转（以下假设由高至低），当放大器的输出继续减小至设定的阈值T1时，动作比较器输出翻转（以下假设由高至低）。由于采用了驱动发射管的波形作为接收电路的解调波形的锁相解调的方法，传感器不受外界光源的干扰，抗干扰能力较强。

当发射光的光强因粉尘，自身发射管衰减等因素而使得接收电路的输出减弱到一定的阈值T2（T2高于T1）但还未降至T1时，报警比较器的输出由高转为低，给用户提供报警信号，提示传感器需要维护，如清除粉尘，调整增益等。这时传感器的动作输出仍处于正常工作状态，用户得以在传感器失效之前对传感器进行维护。

本发明的传感器能实现自调节，使传感器在接收电路接收到的信号发生变化时自动调节传感器的发射电流和增益。具体实现方法如下：利用测量报警比较器的输出和动作比较器的输出，在没有物体挡住任何光路的情况下（动作比较器的输出高电平），通过调节发光管的发射电流及接收电路的放大器增益，使得进入报警比较器的信号一直维持在高于T2的水平（此时报警比较器输出低电平）。高出T2多少，由传感器的分辨率和抗噪声能力的要求决定。传感器可以在开机时进行自调节或在在物体通过传感器后的第一个扫描周期内进行动态自调节。自调节特别是动态自调节，提高了传感器的稳定性和长期可靠性。并且由于发射电流或增益设置在使得放大器的输出略高于T2的优化水平，传感器具有较高的分辨率。

如果在自调节过程中，传感器调节发射电流和放大器的增益，但是，在其中之一或二者都超过设定极限时放大器的输出仍未使得进入报警比较器的信号处于高T2的水平，说明此时传感器已失效，传感器输出失效信号，警告用户传感器的自调节失败，传感器需要维修。

如图2所示，如果只需要判断有没有物体经过传感器，n路动作比较器的输出接入“与”门进行“与”的运算。如果有物体经过传感器挡住了一条或多条光路，“与”门的输出发生翻转，传感器判断有一个物体经过传感器，传感器计数加1。n路比较器的输出也可接入微处理器的I/O口，利用软件完成“与”的功能。n路警报比较器的输出接入“与”门进行“与”的运算，只要有任何一个警报比较器发生翻转，传感器都判断需要对发射电流，放大器增益进行调节。传感器通过测量与门的翻转时间，作为物体体积大小的判断。

如果需要对是否有多个物体同时经过传感器的情况进行判断，比较器输出接入微处理器的I/O口。利用微处理器，在一个扫描周期内，对被挡住的发射光线和没被挡住的发射光线的时序和位置进行分析，建立矩阵，可以计算出有多少个物体同时通过传感器。对物体挡住光路的时间和被挡住的光路的数量进行统计，结果作为物体大小的判断依据，并对小于一定阈值的物体进行剔除。

本发明的传感器同对射式数粒传感器相比，具有较好的精度。如图3所示的2个物体同时下落的情况下，本发明的传感器能够判断出有2个物体同时通过而对射式的传感器则无法判断。

如果需要进一步提高传感器的分辨率并对同时经过传感器的物体的个数进行准确的判断，则可采用如图4的X，Y布局的光电数粒传感器。通过建立起XY的被挡住的光路（记为0）和没被挡住的光路（记为1）的数据矩阵，可以分析出有多少个物体同时通过传感器。结合本发明所述的体积测量方法，传感器对小于（破损）一定体积的物体发出剔除信号。X方向的发射光的驱动波型同Y方向的发射光的驱动波形在时域上错开一定的时间，避免X方向，Y方向光路互相干扰。本发明的传感器同对射式数粒传感器相比，具有较好的精度。如图4，图5所示的4个物体同时下落的情况，本发明的传感器能够判断出有4个物体同时通过而对射式的传感器则无法判断。

如果需要更高的分辨率和更高的准确度，则采用更为密集的交叉光路，如图6所示。4组传感器分别在X方向，45度方向，－45度方向，Y方向，构成更为密集的交叉光路。4个方向的发射光的发射时间在时域上相互错开，避免不同方向的光路互相干扰。

本发明还提供一种实现对运动中的物体进行非接触式体积测量的方法，以满足自动包装机上，特别是数粒包装机上对通过传感器的物体的体积测量的需求。具体实现方式如图7所示。利用图7中的传感器，在物体下落的过程中，利用各个发射管发出的没被挡住的，最靠近物体的光路来逼近这个扫描周期内的物体的周界，通过运算，得到在这一扫描周期内的物体的截面积。对传感器测到的被挡住的第一个扫描周期到最后一个被挡住的扫描周期所获的截面积进行积分，就能得到物体的体积。在精度要求允许的情况下，图7的传感器也可以用X，Y方向的传感器替代来实现体积测量。

综合上述，本发明提供了一种能够判断是否有多个物体同时通过，并能测量出同时通过的物体个数和体积的光电数粒传感器。本发明的传感器在包装过程中能判断是否有小于正常体积的破损的被包装物体，小于被包装物体的杂质及多个物体同时通过传感器的情况出现,提高了自动数粒包装机的精度。本发明能广泛应用于自动数粒包装机上，并可以实现被包装物体不需要逐个下落，而是多个同时下落的高速数粒包装机。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。