安徽科達自動化集團股份有限公司　王萬年

?

高通濾波空頭缺嘴檢測器設(shè)計

安徽科達自動化集團股份有限公司王萬年

提出一種適用于香煙卷接自動生產(chǎn)線的煙支空頭和過濾嘴缺失缺陷進行快速檢測的高通檢測電路設(shè)計，該設(shè)計中包含有LC振蕩電路、晶體振蕩電路、運放信號疊加增益電路和穩(wěn)壓源電路等。

缺失檢測；高通濾波；振蕩電路

前言

隨著工業(yè)的自動化程度的不斷的提升，國內(nèi)煙草行業(yè)的自動化程度也越來越高，空頭缺嘴檢測技術(shù)是指在煙草生產(chǎn)線上應(yīng)用于檢測，生產(chǎn)線上存在的煙支空頭和過濾嘴缺失的產(chǎn)品進行快速檢測的技術(shù)，該項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)將生產(chǎn)線上存在的有缺陷的香煙進行快速的檢測，能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的可靠性。因此本文提出一種包含有LC振蕩電路、晶體振蕩電路、運放放大電路和直流穩(wěn)壓源組成的快速、靈敏和高精度的檢測器設(shè)計。

1.檢測器設(shè)計方案

本文設(shè)計的空頭缺嘴檢測電路主要由LC振蕩電路、晶體振蕩電路、運放信號疊加增益放大電路及電源模塊電路構(gòu)成，其中穩(wěn)壓電源提供±15V直流電壓，為整個檢測器電路提供電源，在檢測過程中，如果不出現(xiàn)煙支空頭或缺嘴，則感應(yīng)電容的容值將不變，那么在本設(shè)計中的LC振蕩電路相位將和晶體振蕩電路的相位相反，這兩路電路的信號將通過運放信號疊加增益放大電路疊加到一起，在無缺陷的煙頭檢測中，由于兩路信號的相位相反而幅值相同因此將輸出低電平信號。當(dāng)被檢測煙支中的煙絲與感應(yīng)電容面≤2毫米時，感應(yīng)電容的容值將改變，從而改變LC電路的振蕩周期與頻率，進而改變LC電路輸出信號的相位，而當(dāng)與晶體振蕩電路的固定相位信息疊加時將在運放放大電路的輸出端輸出高電平的信號，因此在生成過程中只要監(jiān)控檢測電路的輸出信號的高低電平即可對生產(chǎn)線上的有缺陷的煙頭進行檢測。

2.LC振蕩電路

本文設(shè)計的LC振蕩電路主要實現(xiàn)通過感應(yīng)電容來對振蕩電路的輸出的相位進行改變和調(diào)節(jié)。

振蕩電路，簡單來講，就是指能夠產(chǎn)生大小和方向均隨著周期發(fā)生變化的振蕩電流，而產(chǎn)生的這種振蕩電流的電路我們就叫做振蕩電路。LC回路便是其中最簡單的振蕩電路。振蕩電流不能用線圈在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生，它是一種頻率比較高的交變電流，只能在振蕩電路中產(chǎn)生。

振蕩電路物理模型滿足的條件有以下3點：

（1）電感線圈L集中了全部電路的電感，電容器C集中了全部電路的電容，無潛布電容存在。

（2）個電路的電阻R=0（包括線圈、導(dǎo)線），從能量角度看沒有其它形式的能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，即熱損耗為零。

（3）LC振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時不向外界空間輻射電磁波，是嚴(yán)格意義上的閉合電路，LC電路內(nèi)部只發(fā)生線圈磁場能與電容器電場能之間的相互轉(zhuǎn)化，即便是電容器內(nèi)產(chǎn)生的變化電場，線圈內(nèi)產(chǎn)生的變化磁場也沒有按麥克斯韋的電磁場理論激發(fā)相應(yīng)的磁場和電場，向周圍空間輻射電磁波。

3.晶體振蕩電路

本文設(shè)計的晶體振蕩電路主要用于固定相位與幅值的對比信號。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。

4.運放信號疊加增益放大電路

該部分的電路主要是用于疊加LC振蕩電路的輸出信號和晶體振蕩電路輸出的固定信號，通過疊加而輸出低電平或高電平。放大電路的功能是利用晶體管的控制作用，把輸入的微弱電信號不失真的放到所需的數(shù)值，實現(xiàn)將直流電源的能量部分的轉(zhuǎn)化為按輸入信號規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號。放大電路的實質(zhì)，是用較小的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的一種能量裝換裝置。晶體管再放大電路中只是實現(xiàn)的對能量的控制，是指轉(zhuǎn)換信號能量，并傳遞給負載。因此放大電路組成的原則首先是必須有直流電源，而且電源的設(shè)置應(yīng)保證晶體管工作在線性放大電路狀態(tài)。其次，放大電路中各元件的參數(shù)和安排上，要保證被傳輸信號能夠從放大電路的輸入端盡量不衰減地輸出，在信號傳輸?shù)倪^程中能夠不失真的放大，最后經(jīng)放大電路輸出端輸出，并且滿足放大電路的性能指標(biāo)要求。

運算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，當(dāng)外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負反饋電路時，可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。在線性應(yīng)用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)等模擬運算電路。本文主要是應(yīng)用加減法的功能應(yīng)用。

5.電源模塊電路

本文設(shè)計的電路的供電是15V的直流電壓，因此本模塊的電源電路如圖1所示。

圖1　電源模塊電路

電源模塊電路由電阻R13、R16，電容C4、C7以及穩(wěn)壓管BW1（10V穩(wěn)壓管）組成。

6.總結(jié)

本文設(shè)計的空頭缺嘴檢測電路關(guān)鍵是要合理設(shè)計振蕩電路的頻率、周期、幅值，頻率決定該產(chǎn)品的檢測速度，周期是設(shè)計兩信號能合理疊加的重要保證，而幅值是確保輸出準(zhǔn)確的TTL高低電平的。本文設(shè)計的空頭缺嘴檢測電路設(shè)計合理、構(gòu)思巧妙，采用兩路震蕩信號相互疊加，一路信號為晶體震蕩信號，另一路為LC振蕩檢測信號，形成高、低電平輸出，當(dāng)被檢測物體離開或靠近時改變震蕩周期，最終改變輸出信號，高速、高靈敏的判斷檢測物體。

［1］王術(shù)新，姜哲.基于結(jié)構(gòu)振動損傷識別技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展［J］.振動與沖擊，2014，23（4）:99-102.

［2］唐民麗，吳恒玉.三點式LC振蕩器的起振條件的分析［J］.長沙大學(xué)學(xué)報，2005（05）.

［3］博戰(zhàn)捷，高煥生，其木格.振蕩電路相關(guān)參數(shù)的數(shù)值曲線分析［J］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)漢文版），2009（01）.

［4］行鴻彥，王素品，景彥君.基于非門電路的高增益交流放大器理論研究與應(yīng)用［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2002（01）.

［5］宋任儒，阮剛，梁擎擎，ReinhardStreiter，ThomasOtto，ThomasGess ner.基于速度飽和的CMOS倒相器延遲模型［J］.半導(dǎo)體學(xué)報，2000（07）.

［6］H.C.Yang and D.J.Allstot.Considerations for fast settling operational amplifiers. IEEE Trans. Ckts. and Syst. Marches Tropicaux et Mediterraneens.1990.

王萬年（1963-），男，安徽蚌埠人，大學(xué)本科，研究員，研究方向：機械制造及自動化，電子技術(shù)工程。