高通滤波空头缺嘴检测器设计

安徽科达自动化集团股份有限公司　王万年



高通滤波空头缺嘴检测器设计

安徽科达自动化集团股份有限公司王万年

提出一种适用于香烟卷接自动生产线的烟支空头和过滤嘴缺失缺陷进行快速检测的高通检测电路设计，该设计中包含有LC振荡电路、晶体振荡电路、运放信号叠加增益电路和稳压源电路等。

缺失检测；高通滤波；振荡电路

前言

随着工业的自动化程度的不断的提升，国内烟草行业的自动化程度也越来越高，空头缺嘴检测技术是指在烟草生产线上应用于检测，生产线上存在的烟支空头和过滤嘴缺失的产品进行快速检测的技术，该项技术能够实现将生产线上存在的有缺陷的香烟进行快速的检测，能够大大的提高产品的质量和生产的可靠性。因此本文提出一种包含有LC振荡电路、晶体振荡电路、运放放大电路和直流稳压源组成的快速、灵敏和高精度的检测器设计。

1.检测器设计方案

本文设计的空头缺嘴检测电路主要由LC振荡电路、晶体振荡电路、运放信号叠加增益放大电路及电源模块电路构成，其中稳压电源提供±15V直流电压，为整个检测器电路提供电源，在检测过程中，如果不出现烟支空头或缺嘴，则感应电容的容值将不变，那么在本设计中的LC振荡电路相位将和晶体振荡电路的相位相反，这两路电路的信号将通过运放信号叠加增益放大电路叠加到一起，在无缺陷的烟头检测中，由于两路信号的相位相反而幅值相同因此将输出低电平信号。当被检测烟支中的烟丝与感应电容面≤2毫米时，感应电容的容值将改变，从而改变LC电路的振荡周期与频率，进而改变LC电路输出信号的相位，而当与晶体振荡电路的固定相位信息叠加时将在运放放大电路的输出端输出高电平的信号，因此在生成过程中只要监控检测电路的输出信号的高低电平即可对生产线上的有缺陷的烟头进行检测。

2.LC振荡电路

本文设计的LC振荡电路主要实现通过感应电容来对振荡电路的输出的相位进行改变和调节。

振荡电路，简单来讲，就是指能够产生大小和方向均随着周期发生变化的振荡电流，而产生的这种振荡电流的电路我们就叫做振荡电路。LC回路便是其中最简单的振荡电路。振荡电流不能用线圈在磁场中转动产生，它是一种频率比较高的交变电流，只能在振荡电路中产生。

振荡电路物理模型满足的条件有以下3点：

（1）电感线圈L集中了全部电路的电感，电容器C集中了全部电路的电容，无潜布电容存在。

（2）个电路的电阻R=0（包括线圈、导线），从能量角度看没有其它形式的能向内能转化，即热损耗为零。

（3）LC振荡电路在发生电磁振荡时不向外界空间辐射电磁波，是严格意义上的闭合电路，LC电路内部只发生线圈磁场能与电容器电场能之间的相互转化，即便是电容器内产生的变化电场，线圈内产生的变化磁场也没有按麦克斯韦的电磁场理论激发相应的磁场和电场，向周围空间辐射电磁波。

3.晶体振荡电路

本文设计的晶体振荡电路主要用于固定相位与幅值的对比信号。

石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。

4.运放信号叠加增益放大电路

该部分的电路主要是用于叠加LC振荡电路的输出信号和晶体振荡电路输出的固定信号，通过叠加而输出低电平或高电平。放大电路的功能是利用晶体管的控制作用，把输入的微弱电信号不失真的放到所需的数值，实现将直流电源的能量部分的转化为按输入信号规律变化且有较大能量的输出信号。放大电路的实质，是用较小的能量去控制较大能量转换的一种能量装换装置。晶体管再放大电路中只是实现的对能量的控制，是指转换信号能量，并传递给负载。因此放大电路组成的原则首先是必须有直流电源，而且电源的设置应保证晶体管工作在线性放大电路状态。其次，放大电路中各元件的参数和安排上，要保证被传输信号能够从放大电路的输入端尽量不衰减地输出，在信号传输的过程中能够不失真的放大，最后经放大电路输出端输出，并且满足放大电路的性能指标要求。

运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。本文主要是应用加减法的功能应用。

5.电源模块电路

本文设计的电路的供电是15V的直流电压，因此本模块的电源电路如图1所示。

图1　电源模块电路

电源模块电路由电阻R13、R16，电容C4、C7以及稳压管BW1（10V稳压管）组成。

6.总结

本文设计的空头缺嘴检测电路关键是要合理设计振荡电路的频率、周期、幅值，频率决定该产品的检测速度，周期是设计两信号能合理叠加的重要保证，而幅值是确保输出准确的TTL高低电平的。本文设计的空头缺嘴检测电路设计合理、构思巧妙，采用两路震荡信号相互叠加，一路信号为晶体震荡信号，另一路为LC振荡检测信号，形成高、低电平输出，当被检测物体离开或靠近时改变震荡周期，最终改变输出信号，高速、高灵敏的判断检测物体。

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王万年（1963-），男，安徽蚌埠人，大学本科，研究员，研究方向：机械制造及自动化，电子技术工程。