金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統的實現

王海寬 諸葛曉鐘 費敏銳 薛志文

(上海大學機電工程與自動化學院1,上海 200072；上海市電站自動化技術重點實驗室2,上海 200072)

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金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統的實現

王海寬1,2諸葛曉鐘1費敏銳1,2薛志文1

(上海大學機電工程與自動化學院1,上海 200072；上海市電站自動化技術重點實驗室2,上海 200072)

針對沖壓式金屬罐生產過程中造成的微小裂紋、沙眼等罐體缺陷，采用光電檢測技術進行高速在線檢測。考慮缺陷罐體漏光極其微弱的特點，設計了基于高靈敏度光電倍增管的光強檢測和光照電路，以及高實時工位、罐體、壞罐剔除、防漏等測控軟硬件模塊，實現了罐體的高速連續在線檢測。測試結果驗證了該系統正常工作達到1 800罐/min工況下的有效性和良好性能。

金屬罐缺陷檢測 漏光檢測 嵌入式系統 光電倍增管 調光LED

0 引言

隨著現代工業和智能制造技術的不斷發展，金屬制罐技術水平不斷提升。在罐體不斷實現輕量化快速生產的過程中，基于先進光電技術的質量檢測環節發揮著重要作用[1]。光電倍增管(PMT)作為一種極限微弱光探測的重要探測器，有著廣泛的用途[2]。本文研發的高速在線金屬罐漏光檢測系統，利用光電倍增管對光強的量化測量與分析，可以檢測出金屬罐是否存在有微孔或者裂縫等瑕疵問題，并將次品剔除。該系統較常規的氣壓檢測[3]具有明顯優勢，具有非接觸性、高速度、高精度、響應速度更快的特點，滿足現代高速高質量生產的需求。

1 系統總體架構設計

由于金屬罐包裝市場競爭不斷加劇，眾多制罐企業關注于在保證質量的情況下，如何最大限度地減小板料厚度，減輕單罐質量，提高材料利用率。但在實現金屬罐輕量化的過程中，材料厚度不均、過度拉伸等經常造成罐體出現微孔、裂縫等瑕疵[1]。常用壓力金屬罐，如灌裝啤酒、可樂等易拉罐在噴涂或覆膜前，對微孔等瑕疵的基本要求是最小檢測尺寸達到0.002 inch(0.050 8 mm)，而在線檢測的最大檢測速度要達到3 000個/min。

為了檢測出最小0.002 inch的微孔，本文采用檢測漏光的方法，即在金屬罐的外部用強光照射，然后利用光電倍增管模塊來探測透過金屬罐的微弱光，依據透過金屬罐光強的強弱來判斷金屬罐是否存在瑕疵。為滿足系統高速在線的檢測要求，本文整體系統框架設計如圖1所示，主要由測量系統、控制系統、照明系統和執行機構組成。測量系統將透過金屬罐微弱光信號量轉換電信號量并通過濾波等有效的信號調理處理。控制系統根據罐體檢測流水線光電觸發信號采樣弱光信號，然后做出相應的瑕疵判斷及剔除等操作和處理。照明系統能夠提供穩定的光照，由于光電倍增管的高度靈敏性，光照強度在長期運行中必須具有一定穩定性[4]，且能根據光電倍增管鏡頭積灰狀況主動調整校準。

系統基本工作原理：通過測量系統檢測透過金屬罐的漏光信號并完成信號轉換處理輸出有效電信號量，如果控制系統采集信號量超過基準值就發送控制信號給執行機構，剔除被檢測出的壞罐。同時，考慮到生產線上有可能存在漏罐現象，為避免強光直接進入光電倍增管，導致光電倍增管過飽和，設計了快門機構用來在出現空罐檢測時能夠快速擋住測量光孔。本文采用嵌入式系統開發整個控制系統，設置了兩個光電開關、一個霍爾開關來提供中斷觸發信號。霍爾開關提供每次采樣并數據處理的啟動信號，保障在高速條件下能夠安全穩定工作，光電開關為系統提供進罐和出罐信號。

圖1 系統的總體架構圖

金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統的硬件模塊組成主要包括帶門控光電倍增管模塊、濾波放大器模塊、微處理器控制器、PWM智能調光驅動模塊、電源模塊、各類傳感器和快門驅動電路模塊。

2 系統的實現

金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統的實現關鍵在于解決微弱光的在線檢測以及高速邏輯控制問題，需要采用具有靈敏度高、線性度高、噪聲小等特征的光電探測器，構建基于具有采樣精度高、數據處理能力強的MCU高實時性嵌入式控制系統。

2.1 檢測與控制系統與設計

結合高速在線漏光檢測系統的具體應用要求，本文采用高性能MCU構建嵌入式控制系統，實現實時數據采樣與分析、實時快門控制、LED照明系統閉環調光、實時有效地給出剔除信號、與上位機實時通信等任務。

所構建的嵌入式控制器要求具有較強的數據處理能力、較高的A/D速率和高速且穩定的通信速率。由于ARM芯片成本較低、技術優勢明顯，具有速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高和外圍接口豐富的基本特點，比較適合于工業過程中當作嵌入式控制器。本系統采用STM32F207增強型MCU，其工作主頻120 MHz，模數轉換器12位轉換精度，1 μs轉換時間，能夠滿足系統數據采樣高精度和數據處理高速度的要求。

所構建的弱光檢測與控制系統解決方案如圖2所示，金屬罐隨著生產流水線依次進入檢測工位。當到位對準時，觸發霍爾開關產生中斷信號，系統進入弱光檢測工作時序；而當金屬罐未到達檢測工位時，快門處于關閉狀態。微處理器依據當前所處的工作模式，執行相應的任務。當系統處于學習模式時，即所有的檢測金屬罐都是合格品，將檢測所得的數據建立生成一個合格數據庫。當系統處于檢測模式時，微處理器依據已學習合格數據庫，判斷所測金屬罐是否合格。

圖2 檢測與控制系統設計方案

2.2 光電倍增管及后端電路設計實現

本文采用光電倍增管(PMT)作為系統的光電探測器，設計了基于光電倍增管的弱光檢測系統。在弱光檢測方面，光電倍增管是性能最好的一種，在靈敏度、響應速度、噪聲系數和線性度性能上遙遙領先于其他光電傳感器件[5]。

光電倍增管一般由光陰極、聚焦電極、電子倍增極系統和陽極組成，同時，配套的高壓偏置電路為各電極提供必要而穩定的電壓分布，以得到穩定的倍增總增益并使輸出具有最大信噪比[6]。

本系統要求檢測出最小0.002 inch的微孔，當光子透過微孔進入光電倍增管，與光電材料物質中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出，即發生光電發射效應。光電子在外電場的作用下，經多次聚焦在倍增電極碰撞發射材料，再經多次倍增信號最后被陽極接收并輸出電子流。光電倍增管內部簡化結構如圖3所示。

圖3 光電倍增管內部結構

本系統采用PMT模塊使用多堿性光電陰極，測量的光波長范圍280～850 nm，轉換增益為1 V/μA，輸出響應時間15 μs。實驗測試證明，該光電倍增管模塊能夠有效檢測出透過金屬罐的微弱光信號，即能夠有效分辨出金屬罐0.002 inch的微孔瑕疵。

通過實驗測量光電倍增管輸出波形可發現采用的光電倍增管輸出信號具有一定的高頻噪聲，在高速檢測中易造成誤判。因此，根據系統需要設計有源低通濾波放大電路，主要由電阻、電容、運算放大器組成，可以實現高品質的濾波效果，濾除高頻噪聲并放大信號，提高信噪比[7～8]。考慮系統最高檢測速度57個/s，即有效信號的最大頻率為57 Hz，因此設計低通濾波器的截止頻率為100 Hz。系統采用二階有源低通濾波電路除去噪聲，設計有源濾波器的最大優點就是濾波器的參數設計變得簡單。設計的有源低通濾波放大電路如圖4所示。

圖4 有源低通濾波放大電路

該濾波器的傳遞函數如式(1)所示。

(1)

因此，按巴特沃斯LPF歸一化表，取f1=1，Q=0.707，則Avp=1.59<3，電路能夠穩定工作，不會產生自激震蕩。若取C=100 nF，則電阻值R=R1=R2的阻值計算為：

R=1/(2πCfc)

(2)

計算值約16kΩ，實際取R4=R5=16kΩ，R2=10kΩ，R1=6kΩ。用PSpice軟件仿真得到有源低通濾波器的幅頻特性曲線所示截止頻率約為100 Hz。實驗結果可觀察到，經低通濾波放大后弱光檢測信號中的高頻干擾噪聲被有效抑制。

2.3 智能LED調光驅動模塊設計實現

弱光檢測系統對光源的要求較為苛刻，要求光強穩定，響應速度快，快速亮度調節。本文采用大功率LED燈珠陣列作為系統的光源。因環境條件的改變，系統需要對光源進行定期校準，所以需要設計一套智能調光照明系統。該系統每次開機時光源校準，實現每次工作光源強度保持不變。系統需要調節光亮度的情況還包括：LED長時間工作導致發光強度降低；光檢機長時間工作濾片粘上灰塵污點影響測量值等情況。

大功率LED是低電壓、大電流的驅動器件，其發光的強度由流過LED的電流決定。因此，LED驅動器需要提供恒定電流，以確保LED的發光亮度穩定。大功率LED恒流驅動基本方式有電阻限流、線性控制調節、開關調節器控制等[9]。系統采用TPS92640精確調光LED驅動器，其輸入電壓Uin范圍為7～85 V，同時支持模擬與數字PWM調節，PWM控制可實現2 500∶1細分調光。通過調節PWM的占空比，來實現不同光亮的調節。PWM的頻率調節可影響光源的閃爍頻率，實現證明頻率大于300 Hz時，LED的光源趨于穩定。基于TPS92640智能LED調光驅動器電路原理圖如圖5所示。

內部電路包括：PWM輸入接口、RC震蕩電路、電流反饋、最大輸出電壓限制電路、MOSFET單臂橋、BUCK CONVERTERS等。

本照明系統采用5 W大功率LED燈珠陣列，其最大驅動電流1.25 A。因此，設置LED驅動板最大輸出電壓UOUT=12 V，最大輸出電流ILED=1 A。依據公式(3)確定RVOUT1、RVOUT2反饋電壓回路。同時依據公式(4)確定BUCK控制回路開關頻率fsw及Ron、Con。依據式(5)和式(6)可確定恒流控制回路的參數RIADJ1、RIADJ2與Rcs。

(3)

(4)

圖5 智能LED調光驅動電路

(5)

(6)

取RVOUT2=10 kΩ，則RVOUT1=37 kΩ；取Ron=47 kΩ、Con=0.1 μF，則fsw=1 000 Hz。取ILED=1 A，由UREF=3.03 V，則RIADJ2=19.6 kΩ、RIADJ1=10 kΩ、Rcs=0.2 kΩ。

對智能LED調光驅動器進行測試，當輸入電壓為12 V，10個LED串聯作負載，PWM占空比為100%時，測得負載端電流可知響應速度快速，約40 μs，電流恒定在1 A。連續變化PWM占空比，可測的負載端電流大小與PWM占空比呈線性比例關系變化。

3 系統實驗平臺搭建與測試

本文研制的金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統應用于金屬鋁罐生產線，安裝于整條生產線縮徑機的末端檢測環節。因不便于在生產線直接測試，需設計實驗模擬平臺。依據系統實際工作環境，實驗模型包括系統轉盤、光孔密封滑塊機構、快門機構、電機傳動機構等。轉盤上設計有安裝金屬罐孔位；平臺與裝盤之間安裝光孔密封滑塊使得光路通道不受外光影響；快門機構控制光通道的打開和關閉，快門機構設計采用高頻電磁鐵，快速推動帶光孔的遮光板實現光通道的通斷控制。在金屬罐上部構建LED照明系統，同時為避免外光影響需要構建暗箱保持內部光亮度穩定，不受外界光干擾。

同時在實驗模擬平臺上進行金屬罐高速在線漏光檢測與控制系統測試，分別對檢測系統的檢測精度、檢測速度進行分析測試。該系統最小漏光孔的孔徑為0.05 mm，若檢測能夠成功辨別出最小孔徑則視為檢測精度達到系統要求。該系統最高檢測速度為3 000個/min，若在最高檢測速度下，相同孔徑的檢測值與低速檢測時，采樣值的漂移不大，則滿足系統高速檢測要求。圖6所示為金屬罐罐身孔位分布圖，以下所測數據設LED驅動電流為1 A時，LED的光強為100%，采樣A/D值均為平均濾波后的值。

圖6 光孔分布圖

在LED光強為100%，0.05 mm標準測光孔，以金屬罐正上方標記為12點鐘方向，則對應分布于1～12點鐘不同方向測光孔的測試采樣A/D值如表1所示。由表1數據測試分析可得，孔位分布不同，對漏光檢測值會有一定的偏差，但偏差值不足以影響金屬罐漏光檢測的判斷。

表1 不同孔位位置采樣A/D值

在LED光強為100%，檢測速度在10個/s，不同采樣條件下，采樣A/D值如表2所示。由表2可知，合格罐與漏罐的采樣值相差較大，能夠實現最小0.05 mm光孔檢測。隨著光孔的增大，光電倍增管輸出增大。

表2 不同孔徑下的采樣A/D值

在LED光強為100%，0.05 mm標準測光孔，檢測速度不同條件下，采樣A/D值如表3所示。由表3數據可得，隨檢測速度的提高，采樣A/D值有所下降，但下降幅度不大，能夠滿足系統檢測要求。

表3 不同檢測速率下采樣A/D值

4 結束語

本文研發的金屬罐高速漏光在線檢測與控制系統已基本能夠檢測出最小0.002 inch的微孔，最高檢測速度可達到3 400個/min以上，滿足系統檢測精度、檢測速度的要求。后續將進一步完善準確率指標，同時構建友善的人機界面和上位機軟件控制系統，最終研制一套國產的擁有自主知識產權的、高靈敏度、高速、高穩定性能的在線漏光檢測系統，改變我國在金屬罐檢測設備依賴進口設備的情況。該高速在線漏光檢測系統的研制成功，也有助于光電檢測技術在生產中更廣泛應用。

Implementation of the High-speed Online Light Leakage Detection and Control for Metal Can Production

For the micro cracks,trachoma and other defects caused in the stamping productive process of metal cans,high speed online detection is conducted by using photoelectric detection technology.Due to the light leakage of the defected can is extremely weak,the light intensity detection and illumination circuit based on high sensitive photomultiplier tubes; and the hardware and software modules for real time can body,working position,bad can excluded,leak-proof,etc.,are designed for implementing high speed continuous online detection for can body.The test results verify that under normal operating condition,the system can be working at up to 1 800 pcs/min,with good effectiveness and performance.

Metal can defect inspection Light leakage detection Embedded system Photomultiplier tube (PMT) Dimming LED

上海市科委重大基礎研究基金資助項目(編號：14JC1402200)。

王海寬(1977-)，男，2011年畢業于上海大學控制理論與控制工程專業，獲博士學位，講師;主要從事嵌入式儀器儀表及工業網絡通信研究。

TH7;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601012

修改稿收到日期：2015-05-12。