一種竹絲正反面辨識傳感器及其辨識方法

賴眾程，張國宏，陸玲霞，汪自翔

（浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027）

0 引言

竹席是眾多竹制品之一，使用歷史久遠。目前，在國內外竹席的編織工藝上，除極少量竹席采用純手工編織外，絕大多數采用人工送絲配合竹編機的工作方式。然而，即便如此，這種竹席生產方式依然存在生產效率不高、編織質量不穩定、工人熟練度要求較高及工傷事故頻發等缺點，竹席生產還是勞動密集型生產。為提高竹席生產效率，緩解該行業“勞工荒”，亟待研制出全自動竹編機或全自動送絲機。由于在竹席生產過程中需要機器替代人工操作準確區分原料竹絲的正反面并統一將竹絲正面送入編織機中，因此，竹絲正反面辨識傳感器的研制是研發全自動竹編機或全自動送絲機過程中必須解決的關鍵問題。

本文介紹了一種結合光學、機械學和電學而設計的竹席竹絲正反面辨識傳感器，同時通過實驗得出了單個傳感單元對竹絲正反兩面輸出電流的分布曲線，繼而給出了一種同質多傳感單元條件下的融合策略。實驗表明:本文介紹的傳感器及其辨識方法對于竹絲正反面的判別有著良好的效果。

1 傳感器工作原理與結構

1.1 原料竹絲的物理特性

一般來說，從拉絲廠生產出的原料竹絲長度約為1.2～2 m，寬度約為2～6 mm，厚度約為 1.3～1.6 mm，如圖1（a）所示。同時，為了方便操作人員在人工送絲過程中直接通過手指觸感來區分竹絲正反面，拉絲廠刻意為竹絲的正反兩面設計了顯著的機械差異，具體表現為:竹絲正面為表面平滑、邊緣呈直角或銳角的平面;而竹絲反面為表面起伏、中間有明顯凹槽、邊緣呈弧形的曲面，如圖1（b）所示。

圖1 竹絲外形示意圖Fig 1 Diagram of bamboo-strip outline

1.2 傳感器的工作原理

為了有效識別竹絲的正反兩面，本文充分利用竹絲反面具有中心凹槽這一顯著特征，通過擋光板與凹槽構成小孔，進而使得傳感單元對于竹絲正反兩面形成不同的光學路徑。圖2為傳感單元接觸竹絲反面時的光路示意圖。紅外發光二極管發射出的紅外光經過通光槽照射到竹絲反面的中心凹槽，并在竹絲表面產生漫反射，反射出來的紅外光再經過擋光板與凹槽構成的小孔，最終射入紅外光敏三極管中。三極管受到紅外光的照射后，進入放大狀態或飽和狀態。圖3為傳感單元對于竹絲正面的光路示意圖。同理，紅外光經過通光槽在竹絲表面發生漫反射，但由于擋光板與竹絲正面緊密結合，散射出來的紅外光并不能射入紅外光敏三極管，三極管處于截止狀態。

圖2 竹絲反面檢測原理示意圖Fig 2 Principle diagram of negative side detection

單個傳感單元的電路原理圖如圖4所示。當傳感單元所接觸的是竹絲的凹陷面時，紅外光敏三極管處于放大態，在限流電阻器R2的作用下，三極管c-e極能通過約5mA的電流;當傳感單元所接觸的是竹絲的平整面時，紅外光敏三極管處于截止態，c-e極所能通過的電流幾乎為0。因此，通過檢測傳感單元OUT端的輸出電流，即可獲知傳感單元所接觸面的平整度信息。

1.3 傳感器的機械結構

圖3 竹絲正面檢測原理示意圖Fig 3 Principle diagram of positive side detecting

圖4 傳感單元檢測電路原理圖Fig 4 Principle schematic of sensing unit detecting circuit

根據以上所述原理，本文設計了一種可實現的機械結構，如圖5所示。傳感器由相互配合的2只子傳感器組成。每只子傳感器包括1只傳感器基體，3組傳感單元和1塊接口電路板，每組傳感單元又包含1只紅外發光二極管和1只紅外光敏三極。將待測竹絲置于2只子傳感器之間，并夾緊傳感器使之與待測竹絲表面緊密接觸，通過檢測傳感器的輸出電流，即可完成對竹絲正反面的辨識。

圖6所示為單個子傳感器內部結構示意圖。傳感器基體的主要作用是固定光電器件以及提供外部連接部件的機械接口。傳感器基體所采用的材料必須用不透光材料，且須有較高的機械強度和耐磨度。傳感器基體上有若干孔，使得光電器件能方便地安裝至孔內。擋光板主要用于配合檢測竹絲反面的中心凹槽。一般來說，擋光板越厚，進入光電接收器件的光量越少，輸出的電流也越小;反之，亦然。因此，必須選擇合適的擋光板厚度，擋光板太厚會讓竹絲為反面時光敏三極管輸出的電流太小，不易檢測;而擋光板太薄會讓竹絲為正面時光敏三極管輸出的電流太大，容易造成誤判。紅外發光二極管和紅外光敏三極管之間開有通光槽，通光槽允許發光二極管發出的紅外光通過，同時阻止外來光線對光敏三極管造成干擾。

1.4 信號調理電路

由于傳感單元輸出的是微弱的電流信號，而后級A/D轉換器需要電壓信號，因此，在信號處理板的信號調理部分需要將電流變換為電壓，并加以濾波、放大。圖7給出了信號調理單元的電路原理圖。

圖5 傳感器外形示意圖Fig 5 Diagram of sensor’s outline

圖6 子傳感器內部結構Fig 6 Internal construction of sub-sensor

圖7 信號采集板原理圖Fig 7 Principle diagram of signal acquisition module

傳感器輸出的小電流信號在采樣電阻器Rs1兩端產生電壓降，此壓降被送入由運放LM324AM和R2，R3構成的同相比例放大電路。同時，為了除去傳感器輸出信號在傳輸過程中引入的噪聲，由電阻器R4和電容器C4構成一級RC濾波電路，因而，可以有效地旁路高頻交流噪聲信號。最終在電路的Vout端將得到一調理后的電壓信號，此模擬信號經A/D轉換為數字信號后即可由MCU讀取并進行進一步的處理。

2 信息融合策略

2.1 單傳感單元的判別策略

在傳感單元中，雖然理論上竹絲的正面能夠與擋光板配合用以阻擋紅外光進入光敏三極管，但實際上由于竹絲表面往往存在細小的紋理，依然可能有少量紅外光可以通過紋理縫隙漏射入光敏三極管。因此，即使對于竹絲正面，傳感單元仍然可能輸出一定電流。大量實驗數據的統計結果表明:單個傳感單元分別對于竹絲正反兩面的輸出電流分布曲線近似服從正態分布:正面輸出電流統計量XZ～N（1.17，0.38），反面輸出電流統計量XF～N（3.41，0.52），如圖8所示。

由圖可見，在使用單一傳感單元的情況下，是存在一定誤判概率的，其誤判的概率為P{Xz＞Xf}，其中Xz和Xf為統計量XZ和XF的一次觀測樣本。由于Xz與Xf相互獨立，故有

圖8 傳感器輸出的電流分布密度圖Fig 8 Diagram of current distribution density of sensor output

即

通過查找正態分布對照表，可得誤判概率

于是，使用單一傳感單元的判別結果Y服從參數p=0.0064的0～1分布，其中，Y=1表示判別正確，Y=0表示判別錯誤。

2.2 多傳感單元的判別策略

為了進一步降低傳感器的誤判率，一只傳感器內設置了三組結構相同且互不影響的傳感單元。因此，對于同一根竹絲可以同時獲得三組獨立的判別結果，分別記為Y1，Y2，Y3。其中，Yi（i=1，2，3）相互獨立且均服從參數為p=0.0064的0～1分布。

將Yi（i=1，2，3）作為信息融合器的輸入，令Z為融合后的判決輸出，Z=1表示判別正確，Z=0表示判別錯誤。設計融合準則函數

由于Yi（i=1，2，3）相互獨立且均服從相同參數的0～1分布，因此，Y∑服從二項分布B（n，p），即

其中，n=3，p=0.0064，k=0，1，2，3。

易得經過信息融合后傳感器的的誤判率為

通過對比公式（3）可知，與單傳感單元的判別策略相比，多傳感單元經融合準則處理后的誤判率得到了顯著的降低。

3 實驗結果

將本文所述傳感器應用于10根隨機抽取的竹絲樣本進行正反面檢測實驗，記錄傳感器內3組傳感單元分別對于竹絲正、反兩面的輸出電流，并應用上述融合策略計算最終辨識結果。實驗結果如表1所示。實驗結果表明:由3組獨立傳感單元組成的竹絲正反面辨識傳感器，結合本文所設計的信息融合策略，能夠準確地區分竹絲的正反兩面，達到了傳感器的設計要求。

表1 傳感單元對于樣本竹絲的輸出電流Tab 1 Output current of the sensing units to the bamboo-strip samples

4 結束語

本文設計了一種新型竹絲正反面傳感器，實現了機編竹席竹絲在自動送絲過程中的正反面實時檢測。通過在一只傳感器內設置三組獨立的傳感單元，并經過融合準則算法的處理，進一步降低了傳感器的誤判率。經實驗，該傳感器體積小巧，結構簡單，靈敏度高，工作可靠，為竹席自動編織機或竹席編織自動送絲機的設計打下了牢靠的基礎。

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