光纤传感技术在字符喷印机输送速度测量的应用研究

黄仲庸

（东莞市高技能公共实训中心，广东 东莞 523466）

字符喷印机进给运动采用的方式为输送带传输，其传输速度的真实值对喷印设备的精度产生直接的影响。实践中对输送的速度测量常用的方式有转轴转速测量法以及手工定长计时法，前者由于反映的只是转动轴的真实速度以及经此换算出来输送理论速度而非输送的实际速度，后者则由于人工计时误差过大而无法达到精度要求。

随着科学技术的发展，传统的测量方法逐渐被新型的传感器取代。光纤传感技术作为一种新技术，由于光纤传感技术在测量中无需与被测物接触，抗外界的电磁干扰能力强，因此广泛应用于各个检测领域，例如在高温高压的恶劣工作环境中对被测物的检测等[1，2]。字符喷印机的输送速度的实际值测量的测量失准会造成一系列不良的影响，如何采用光纤传感技术实现对字符喷印机输送实际速度快速、简便、精确的测量，在字符喷印机的调试过程中有其重要的意义。

1 光纤传感技术

光纤，光导纤维的简称，是利用光的全反射原理来引导光波的。光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术的发展而形成的崭新技术[3]。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量（如相位、波长、偏振态、振幅等）会由于被测参量（如压力、温度、加速度、电场、磁场等）对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数[4]。

光纤传感器正是利用光纤传感技术的一种现代传感器件，随着光纤传感技术的发展以及工业对传感器的需求，光纤传感器得到了快速的发展。光纤传感器根据其与光的作用机理分：非功能型（传光型）光纤传感器和功能型（传感型）光纤传感器[5]。非功能型光纤传感器的光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他功能元件完成。功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤作传感元件，将“传”和“感”合为一体：光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，光学特性的变化来实现“传”和“感”的功能。

非功能型光纤传感器主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器等组成，其基本原理如图1所示。光源S发出的光经发送光纤束全反射传播，到达被测物体（反射物），反射光进入接收光纤束再次全反射传播到达光敏探测器D，光敏探测器D将光强信号转换成相应的电信号U[6]。

图1 光纤传感器基本原理

2 输送速度测量的意义

本喷印设备输送平台的功能结构如图2所示，PCB板由相互平行的数根平皮带通过摩擦作用进行输送，从机台的上板端经过中间的定位与喷印机构输送到收板端，从而实现对PCB板的定位与喷印过程。由于本喷印设备采用流水线的作业模式，在整个工作过程中PCB板始终处于运动状态。因此PCB板的输送速度对整个喷印效果影响巨大，对作为PCB板输送载体的皮带输送速度的测量具有以下的意义：

图2 输送平台功能结构

（1）速度的真实值决定喷印图像是否失真。由于本设备的喷印采用流水线的作业模式，喷印的触发信号与输送速度的真实值直接相关，当实际速度大于设定理论值时，喷印图像将发生皮带输送方向的拉伸，反之将出现图像的压缩现象。同时速度的真实值与设备值不符将使喷印延时设置失效，使喷印提前或延后。

（2）速度的稳定性决定喷印图像的质量。喷印过程采用的一次性定位，而非实时图像采集的方式，因此在触发信号是根据速度设定值发出的，速度的波动会造成图像喷印位置的失准，从而导致喷印图像无法达到设计要求，严重时会造成PCB板的报废。具体的表现形式如图3所示，如喷印一均匀的等距格子图像时，非匀速喷印图像会偏离设定喷印位置，造成图像质量达不到要求。

图3 速度不稳定图像对比

（3）每根皮带的速度不同会造成PCB板的偏转现象。在一般情况下，PCB板的规格都需要多根皮带来输送，因此当皮带间的速度不同时，将会产生绕PCB板重心的力偶，使其发生偏转。偏转现象是一种输送过程中的不稳定因素，对于喷印的定位精度产生负面影响。通过对速度的测量，并以此为基础对皮带进行调整，可有效地控制与避免偏转现象的发生。

提高输送过程中稳定性与准确性，对输送速度的测量有着重要的意义，通过对输送速度的测量，得出可量化的输送速度的稳定性与准确性数据，为喷印设备的调试提供重要的可量化依据。

3 输送速度测量流程

本次输送速度的测量采用的是光纤传感器为触发和开关信号源，将信号发送至定时器作为起停标记量。通过高精度的定长测试块（制造精度0.02 mm）在皮带上的输送，首尾触发的方式，定时器显示定长测试块首尾触发所需时间，将速度测试转换为时间测试的方法[7]。定长测试块输送的作用力上由其与皮带的摩擦力直接提供，能真实反映出PCB板工作中的实际状态，较通过对主动轴的转速测量更具有准确性。本测试流程如图4所示，具体步骤如下：

图4 速度测试流程

（1）光纤触发器与定时器设定。本测试方案采用的是欧姆龙E3X-ZD数字光纤传感器，设定操作简便，只需对检测物体有无状态下按一次按键便能完成门槛值的设定与光亮调整。定时器采用的是欧姆龙H5CZ-L8毫秒级计时器，将触发器与定时器相连，通过被检测物体的移动测试触发效果。

（2）测试块的输送与触发测试。将测试块置于其中一根皮带上，测试块长度为250 mm，放置方向与皮带输送方向一致。光纤触发器固定于皮带一侧，与测试块前端相隔大致为800 mm，光束方向与皮带输送方向垂直。按设置理论速度启动电机，测试块在皮带带到下经过触发器，观察光斑大小以及定时器是否正确记录时间。当记录时间与理论值相近时表示触发成功，否则需对各测试器件重新定位。

（3）正式测试与数据分析。通过对数根皮带的速度进行测试得出各根皮带的输送速度，每根皮带测试多组数据以此作为输送速度稳定性的判断依据。各皮带的输送速度差是对皮带输送速度进行调整的依据，使皮带输送速度趋向一致。对测试数据进行分析，并对电机转速进行修改，使皮带的输送速度与喷印设定速度一致。

4 测量结果与分析

采用上文所描述的方法对皮带的输送速度进行测试，各皮带分别测试5次，理论速度为10 m/min，定长测试块长度为250 mm，理论时间为1.5 s，测试结果如表1所示。

表1 输送速度测试数据

通过对测试数据的分析可得出以下的结论：

（1）理论速度与实际速度相差较大，由于本系统采用的是高精度的伺服系统，其速度差来源主要来自于皮带的打滑。要达到理论输送速度10 m/min，需要对伺服电机的驱动速度进行修改。

（2）光纤传感器的精度达到设计要求，由于皮带的自身特性，本测试所用的毫秒级计时器已满足需求。本型号传感器精度不大于100 ns，因此要进一步发挥其精度，计时器可选择0.1毫秒级。

（3）皮带的输送速度较为平稳，各皮带间的速度差较小，能满足设计要求。

（4）通过后期实验改变触发器与测试块的距离，可进一步对输送过程中，测试块与皮带速度一致的时间进行测试。其结果表明，加速距离较短。

5 结束语

光纤传感技术是目前广泛使用的非接触式测量技术，能快速精确地对被测量进行检测。应用光纤传感技术对字符喷印机输送速度的测量，有助于准确地得出输送速度的真实值。该方法快速简便，为输送速度的测量以及设备调试提供了便利，通过对测试器件的选择以及测试流程的优化可进一步提高其测试精度。随着对测量精度与效率的需求不断提升，光纤传感技术将得到更为广泛的应用。