一种竹丝正反面辨识传感器及其辨识方法

赖众程，张国宏，陆玲霞，汪自翔

（浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027）

0 引言

竹席是众多竹制品之一，使用历史久远。目前，在国内外竹席的编织工艺上，除极少量竹席采用纯手工编织外，绝大多数采用人工送丝配合竹编机的工作方式。然而，即便如此，这种竹席生产方式依然存在生产效率不高、编织质量不稳定、工人熟练度要求较高及工伤事故频发等缺点，竹席生产还是劳动密集型生产。为提高竹席生产效率，缓解该行业“劳工荒”，亟待研制出全自动竹编机或全自动送丝机。由于在竹席生产过程中需要机器替代人工操作准确区分原料竹丝的正反面并统一将竹丝正面送入编织机中，因此，竹丝正反面辨识传感器的研制是研发全自动竹编机或全自动送丝机过程中必须解决的关键问题。

本文介绍了一种结合光学、机械学和电学而设计的竹席竹丝正反面辨识传感器，同时通过实验得出了单个传感单元对竹丝正反两面输出电流的分布曲线，继而给出了一种同质多传感单元条件下的融合策略。实验表明:本文介绍的传感器及其辨识方法对于竹丝正反面的判别有着良好的效果。

1 传感器工作原理与结构

1.1 原料竹丝的物理特性

一般来说，从拉丝厂生产出的原料竹丝长度约为1.2～2 m，宽度约为2～6 mm，厚度约为 1.3～1.6 mm，如图1（a）所示。同时，为了方便操作人员在人工送丝过程中直接通过手指触感来区分竹丝正反面，拉丝厂刻意为竹丝的正反两面设计了显著的机械差异，具体表现为:竹丝正面为表面平滑、边缘呈直角或锐角的平面;而竹丝反面为表面起伏、中间有明显凹槽、边缘呈弧形的曲面，如图1（b）所示。

图1 竹丝外形示意图Fig 1 Diagram of bamboo-strip outline

1.2 传感器的工作原理

为了有效识别竹丝的正反两面，本文充分利用竹丝反面具有中心凹槽这一显著特征，通过挡光板与凹槽构成小孔，进而使得传感单元对于竹丝正反两面形成不同的光学路径。图2为传感单元接触竹丝反面时的光路示意图。红外发光二极管发射出的红外光经过通光槽照射到竹丝反面的中心凹槽，并在竹丝表面产生漫反射，反射出来的红外光再经过挡光板与凹槽构成的小孔，最终射入红外光敏三极管中。三极管受到红外光的照射后，进入放大状态或饱和状态。图3为传感单元对于竹丝正面的光路示意图。同理，红外光经过通光槽在竹丝表面发生漫反射，但由于挡光板与竹丝正面紧密结合，散射出来的红外光并不能射入红外光敏三极管，三极管处于截止状态。

图2 竹丝反面检测原理示意图Fig 2 Principle diagram of negative side detection

单个传感单元的电路原理图如图4所示。当传感单元所接触的是竹丝的凹陷面时，红外光敏三极管处于放大态，在限流电阻器R2的作用下，三极管c-e极能通过约5mA的电流;当传感单元所接触的是竹丝的平整面时，红外光敏三极管处于截止态，c-e极所能通过的电流几乎为0。因此，通过检测传感单元OUT端的输出电流，即可获知传感单元所接触面的平整度信息。

1.3 传感器的机械结构

图3 竹丝正面检测原理示意图Fig 3 Principle diagram of positive side detecting

图4 传感单元检测电路原理图Fig 4 Principle schematic of sensing unit detecting circuit

根据以上所述原理，本文设计了一种可实现的机械结构，如图5所示。传感器由相互配合的2只子传感器组成。每只子传感器包括1只传感器基体，3组传感单元和1块接口电路板，每组传感单元又包含1只红外发光二极管和1只红外光敏三极。将待测竹丝置于2只子传感器之间，并夹紧传感器使之与待测竹丝表面紧密接触，通过检测传感器的输出电流，即可完成对竹丝正反面的辨识。

图6所示为单个子传感器内部结构示意图。传感器基体的主要作用是固定光电器件以及提供外部连接部件的机械接口。传感器基体所采用的材料必须用不透光材料，且须有较高的机械强度和耐磨度。传感器基体上有若干孔，使得光电器件能方便地安装至孔内。挡光板主要用于配合检测竹丝反面的中心凹槽。一般来说，挡光板越厚，进入光电接收器件的光量越少，输出的电流也越小;反之，亦然。因此，必须选择合适的挡光板厚度，挡光板太厚会让竹丝为反面时光敏三极管输出的电流太小，不易检测;而挡光板太薄会让竹丝为正面时光敏三极管输出的电流太大，容易造成误判。红外发光二极管和红外光敏三极管之间开有通光槽，通光槽允许发光二极管发出的红外光通过，同时阻止外来光线对光敏三极管造成干扰。

1.4 信号调理电路

由于传感单元输出的是微弱的电流信号，而后级A/D转换器需要电压信号，因此，在信号处理板的信号调理部分需要将电流变换为电压，并加以滤波、放大。图7给出了信号调理单元的电路原理图。

图5 传感器外形示意图Fig 5 Diagram of sensor’s outline

图6 子传感器内部结构Fig 6 Internal construction of sub-sensor

图7 信号采集板原理图Fig 7 Principle diagram of signal acquisition module

传感器输出的小电流信号在采样电阻器Rs1两端产生电压降，此压降被送入由运放LM324AM和R2，R3构成的同相比例放大电路。同时，为了除去传感器输出信号在传输过程中引入的噪声，由电阻器R4和电容器C4构成一级RC滤波电路，因而，可以有效地旁路高频交流噪声信号。最终在电路的Vout端将得到一调理后的电压信号，此模拟信号经A/D转换为数字信号后即可由MCU读取并进行进一步的处理。

2 信息融合策略

2.1 单传感单元的判别策略

在传感单元中，虽然理论上竹丝的正面能够与挡光板配合用以阻挡红外光进入光敏三极管，但实际上由于竹丝表面往往存在细小的纹理，依然可能有少量红外光可以通过纹理缝隙漏射入光敏三极管。因此，即使对于竹丝正面，传感单元仍然可能输出一定电流。大量实验数据的统计结果表明:单个传感单元分别对于竹丝正反两面的输出电流分布曲线近似服从正态分布:正面输出电流统计量XZ～N（1.17，0.38），反面输出电流统计量XF～N（3.41，0.52），如图8所示。

由图可见，在使用单一传感单元的情况下，是存在一定误判概率的，其误判的概率为P{Xz＞Xf}，其中Xz和Xf为统计量XZ和XF的一次观测样本。由于Xz与Xf相互独立，故有

图8 传感器输出的电流分布密度图Fig 8 Diagram of current distribution density of sensor output

即

通过查找正态分布对照表，可得误判概率

于是，使用单一传感单元的判别结果Y服从参数p=0.0064的0～1分布，其中，Y=1表示判别正确，Y=0表示判别错误。

2.2 多传感单元的判别策略

为了进一步降低传感器的误判率，一只传感器内设置了三组结构相同且互不影响的传感单元。因此，对于同一根竹丝可以同时获得三组独立的判别结果，分别记为Y1，Y2，Y3。其中，Yi（i=1，2，3）相互独立且均服从参数为p=0.0064的0～1分布。

将Yi（i=1，2，3）作为信息融合器的输入，令Z为融合后的判决输出，Z=1表示判别正确，Z=0表示判别错误。设计融合准则函数

由于Yi（i=1，2，3）相互独立且均服从相同参数的0～1分布，因此，Y∑服从二项分布B（n，p），即

其中，n=3，p=0.0064，k=0，1，2，3。

易得经过信息融合后传感器的的误判率为

通过对比公式（3）可知，与单传感单元的判别策略相比，多传感单元经融合准则处理后的误判率得到了显著的降低。

3 实验结果

将本文所述传感器应用于10根随机抽取的竹丝样本进行正反面检测实验，记录传感器内3组传感单元分别对于竹丝正、反两面的输出电流，并应用上述融合策略计算最终辨识结果。实验结果如表1所示。实验结果表明:由3组独立传感单元组成的竹丝正反面辨识传感器，结合本文所设计的信息融合策略，能够准确地区分竹丝的正反两面，达到了传感器的设计要求。

表1 传感单元对于样本竹丝的输出电流Tab 1 Output current of the sensing units to the bamboo-strip samples

4 结束语

本文设计了一种新型竹丝正反面传感器，实现了机编竹席竹丝在自动送丝过程中的正反面实时检测。通过在一只传感器内设置三组独立的传感单元，并经过融合准则算法的处理，进一步降低了传感器的误判率。经实验，该传感器体积小巧，结构简单，灵敏度高，工作可靠，为竹席自动编织机或竹席编织自动送丝机的设计打下了牢靠的基础。

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