CN103673961A - 一种薄片介质厚度检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄片介质厚度检测装置及方法，通过在A/D转换器之前设置用于消除厚度电压的零点电压影响并适当放大的减法放大单元的方式，能够消除零点电压影响的同时提高整个薄片介质厚度检测装置的灵敏度。本发明的装置包括：依次相连的厚度传感器、位置电压转换单元、A/D转换器及控制处理器，介质位置检测单元、计时器单元、D/A转换器及减法放大单元；介质位置检测单元，与控制处理器相连，用于检测被测介质是否经过；计时器单元，与控制处理器相连；D/A转换器，两端分别与控制处理器相连及减法放大单元的反相输入端相连；减法放大单元，其正相输入端、反相输入端及输出端分别与位置电压转换单元、D/A转换器及A/D转换器相连。

Description

一种薄片介质厚度检测装置及方法
技术领域
本发明实施例涉及厚度检测领域，具体涉及一种薄片介质厚度检测装置及方法。
背景技术
厚度测量装置是一种用来测量介质，例如纸张、钞票或其它类似的薄片介质的仪器，要求具备较高的测量精确度。
请参阅图1，现有的厚度测量装置主要包括厚度传感器、位置电压转换单元、A/D转换器及控制处理器，其中厚度传感器用于检测被测介质的厚度情况，控制处理器用于处理被测介质的厚度数据，可以与外部主机相连。工作时，厚度传感器将被测介质的厚度转换为位移输出，无被测介质经过厚度传感器时，厚度传感器的输出位置为X0，当具有一定厚H的介质经过厚度传感器时，厚度传感器的输出位置为X1，那么位移ΔX＝X1-X0与厚度H成正比（或其它确定的转换关系）。设厚度测量范围是0～Hmax，那么对应的位置输出是X0，Xmax。
位置电压转换单元将厚度传感器输出的位置信号转换为电压信号输出，当输入的位置是X0时，对应的输出电压U0称为零点电压；当输入的位置是Xmax时，对应的输出电压Umax称为最大输出电压。设A/D转换器的最小输入电压Vmin，最大输入电压为Vmax，为了使整个测量装置正常工作，必须满足如下关系：Vmin≤U0<Umax≤Vmax。当Vmin=U0，Vmax=Umax时，整个测量装置工作在最佳状态。
上述的厚度测量装置具有如下的不足：
（1）对于厚度传感器，受机械加工精度、装配精度的限制，不同的厚度传感器在无介质经过时的位置输出X0会在一定的范围内波动；
（2）将厚度传感器和位置电压转换单元组装在一起时，必然会通过某种传动机构将厚度传感器的输出位置耦合到位置电压转换单元的输入端，这个过程同样受到机械加工精度、装配精度的影响，从而使得实际耦合到位置-电压转换单元输入端的位置发生变化。进而导致输出电压U0发生变化。
（3）当一台机器中同时安装了多个厚度测量装置时，上述因素1和因素2还会造成各个测量装置之间的不一致性。
（4）随着厚度测量装置累积工作时间逐渐变长，其位置输出X0，零点电压U0都会发生缓慢的变化。
由于检测速度较快，受限于机械***的动态特性等因素，厚度传感器对被测介质厚度的敏感度一般都不高，多在1：1左右。当被测介质是钞票，支票等有价证券时，其厚度一般都在100um左右。那么厚度传感器的输出位置变化量也在100um左右。如果要求测量误差小于10%，则要求机械加工和装配的总误差不大于10um。这显然对机械零件的加工和装配提出了难以达到的要求。
目前解决零点电压漂移的办法是：如果预期出厂后的零点电压U0会逐渐降低，出厂时就将零点电压调节在比A/D转换器最小输入电压更高的点上；并将最大输出电压Umax设置为与A/D转换器最大输入电压相等。如果预期出厂后的零点电压会逐渐增大，出厂时就将零点电压设置为与A/D转换器的最小输入电压相等；并将最大输出电压调节为比A/D转换器的最大输入电压更低。如果不确定零点电压的变化方向或零点电压可能变高也可能变低，则需要使零点电压比A/D转换器的最低输入电压高，使最大输出电压比A/D转换器的最大输入电压低。在实际产品中，绝大多数属于这种情况：零点电压可能变高也可能变低。出厂后，当零点电压逐渐变低时，由于预先留下了下行的空间，因此不会低于A/D转换器的最低输入电压；当零点电压逐渐变高且有介质经过厚度传感器时位置电压转换单元输出电压的幅度就会更接近A/D转换器的最大输入电压。但由于预留了上行空间，因此不会超过A/D转换器的最大输入电压。
上面的办法虽然解决了位置电压转换单元输出电压超出A/D转换器输入电压范围的问题，但预留的电压漂移空间压缩了厚度电压的变化范围，使得整个测量装置的灵敏度和分辨率降低，对控制器分析厚度信号产生不利的影响。
举例来说：预期整个厚度测量装置的零点电压漂移最大可达±0.5V，A/D转换器的最小输入电压为0，最大输入电压为3.3V；那么在出厂时，零点电压就得设置为0.5V，并且要调节整个测量装置的灵敏度，使得被测介质的厚度为Hmax时，最大输出电压必须要低于2.8V。因此表征介质厚度的净输入电压信号振幅仅为2.3V，对应的厚度灵敏度为2.3/Hmax。而A/D转换器的输入电压范围是0～3.3V，理想情况下，厚度灵敏度可以做到3.3/Hmax。可见，由于零点电压漂移现象的存在，使得整个厚度测量装置的灵敏度下降到了理想值的70%。
发明内容
本发明实施例提供了一种薄片介质厚度检测装置及方法，通过在A/D转换器之前设置用于消除厚度电压的零点电压影响并适当放大的减法放大单元的方式，能够消除零点电压影响的同时提高整个薄片介质厚度检测装置的灵敏度。
本发明实施例提供的薄片介质厚度检测装置，包括依次相连的厚度传感器、位置电压转换单元、A/D转换器及控制处理器，所述装置还包括：介质位置检测单元、计时器单元、D/A转换器及减法放大单元；
所述介质位置检测单元，与所述控制处理器相连，用于检测被测介质是否经过；
所述计时器单元，与所述控制处理器相连，用于按预设规则记录所述装置的运行时间；
所述D/A转换器，两端分别与所述控制处理器相连及所述减法放大单元的反相输入端相连，用于将数字信号转换成模拟信号；
所述减法放大单元，其正相输入端、反相输入端及输出端分别与所述位置电压转换单元、所述D/A转换器及A/D转换器相连，用于对输入电压进行减法放大处理。
可选地，
所述介质位置检测单元包括：光检测单元；
所述光检测单元包括光发射端和光敏感端；
所述光发射端和所述光敏感端分别安装在所述被测介质传输通道的相对侧。
可选地，
所述减法放大单元为独立的减法放大电路。
可选地，
所述减法放大单元为减法器和放大器的电路集合。
可选地，
所述控制处理器与主机相连；
所述主机用于接收所述被测介质的厚度检测结果。
本发明实施例提供的薄片介质厚度检测方法，为利用上述的薄片介质厚度检测装置来检测薄片介质厚度，包括：
S1：启动所述装置后，延迟预设时间Td；
S2：当介质位置检测单元没有检测到被测介质且计时器单元处于停止状态时，向D/A转换器输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对所述厚度数据处理，得到实际补偿数据；
S3：当所述介质位置检测单元检测到所述被测介质到达时，启动所述计时器单元；
S4：当所述计时器单元读数小于所述被测介质从所述介质位置检测单元运动至所述厚度传感器的时间Ta与所述预设时间Td之差Tm时，向所述D/A转换器输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对所述厚度数据处理，得到实际补偿数据；
S5：当所述计时器单元读数等于Tm时，控制处理器停止计算补偿数据，并向所述D/A转换器输出实际补偿数据；
S6：当所述计时器单元读数大于等于Ta时，读取A/D转换器处理后的厚度数据，就得到此时正经过厚度传感器的所述被测介质的实时厚度；
S7：当所述介质位置检测单元检测到所述被测介质离开时，记录所述计时器单元的读数Tc；
S8：当所述计时器单元读数等于Tc+Ta时，所述控制处理器停止读取厚度数据，并向所述D/A转换器输出值为0的补偿数据；
S9：当所述计时器单元读数大于等于Tc+Ta+Td时，对所述装置进行初始化。
可选地，
在步骤S8之后及步骤S9之前还包括：
将所述被测介质的实际厚度发送给主机；
所述主机与所述控制处理器相连。
本发明实施例中，薄片介质厚度检测装置包括：依次相连的厚度传感器、位置电压转换单元、A/D转换器及控制处理器，所述装置还包括：介质位置检测单元、计时器单元、D/A转换器及减法放大单元；所述介质位置检测单元，与所述控制处理器相连，用于检测被测介质是否经过；所述计时器单元，与所述控制处理器相连，用于按预设规则记录所述装置的运行时间；所述D/A转换器，两端分别与所述控制处理器相连及所述减法放大单元的反相输入端相连，用于将数字信号转换成模拟信号；所述减法放大单元，其正相输入端、反相输入端及输出端分别与所述位置电压转换单元、所述D/A转换器及A/D转换器相连，用于对输入电压进行减法放大处理。由于本发明薄片介质厚度检测装置及方法，通过在A/D转换器之前设置用于消除厚度电压的零点电压影响并适当放大的减法放大单元的方式，能够消除零点电压影响的同时提高整个薄片介质厚度检测装置的灵敏度。
附图说明
图1为现有技术中厚度测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中薄片介质厚度检测装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中薄片介质厚度检测装置中的介质位置检测单元和厚度传感器的位置布局示意图；
图4为本发明实施例中薄片介质厚度检测方法实施例流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种薄片介质厚度检测装置及方法，通过在A/D转换器之前设置用于消除厚度电压的零点电压影响并适当放大的减法放大单元的方式，能够消除零点电压影响的同时提高整个薄片介质厚度检测装置的灵敏度。
请参阅图2及图3，本发明实施例中薄片介质厚度检测装置实施例包括：依次相连的厚度传感器21、位置电压转换单元22、A/D转换器23及控制处理器24，上述装置还包括：介质位置检测单元25、计时器单元26、D/A转换器27及减法放大单元28；
介质位置检测单元25，与控制处理器24相连，用于检测被测介质是否经过；
计时器单元26，与控制处理器24相连，用于按预设规则记录装置的运行时间；
D/A转换器27，两端分别与控制处理器24相连及减法放大单元28的反相输入端相连，用于将数字信号转换成模拟信号；
减法放大单元28，其正相输入端、反相输入端及输出端分别与位置电压转换单元22、D/A转换器27及A/D转换器23相连，用于对输入数据进行减法放大处理。
本发明实施例的薄片介质厚度检测装置，工作前，上述的装置首先进行初始化操作，对计时器单元26清零；工作时，介质位置检测单元25不断检测被测介质是否到达，需要说明的是，介质位置检测单元25在被测介质到达前的状态信息可以为0，在被测介质到达后的状态信息可以为1，在被测介质到达前，控制处理器24向D/A转换器27输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器23处理后的厚度数据，并对上述厚度数据处理，得到实际补偿数据；当介质位置检测单元25检测到被测介质时，启动计时器单元26；当计时器单元26读数小于被测介质从介质位置检测单元25运动至厚度传感器21的时间Ta与预设时间Td之差Tm时，向D/A转换器27输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对厚度数据处理，得到实际补偿数据；当计时器单元26读数等于Tm时，控制处理器24停止计算补偿数据，并向D/A转换器27输出实际补偿数据；当计时器单元26读数大于等于Ta时，读取A/D转换器23处理后的厚度数据，就得到此时正经过厚度传感器的被测介质的实时厚度；当介质位置检测单元25检测到被测介质离开时，记录计时器单元26的读数Tc；当计时器单元26读数等于Tc+Ta时，控制处理器24停止读取厚度数据，得到被测介质的实际厚度，并向D/A转换器27输出值为0的补偿数据；当计时器单元26读数大于等于Tc+Ta+Td时，对装置进行初始化，可以开始下一轮的厚度测量工作。
请参阅图3，当介质匀速运动时，上述的Ta可以根据介质位置检测单25与厚度传感器21之间的距离L和被测介质的运动速度V来确定：Ta=L/V；Td是从控制处理器24向D/A转换器27发出补偿数据到厚度数据有效的延迟时间，亦即控制处理器24发出补偿数据后，D/A转换器27对补偿数据进行转换，减法放大单元28根据补偿电压进行处理并由A/D转换器23转换后得到厚度数据的过程所需要的时间。
可选地，
介质位置检测单元25包括：光检测单元；
光检测单元包括光发射端和光敏感端；
光发射端和光敏感端分别安装在被测介质传输通道的相对侧。
介质位置检测单元25可以是光检测单元，上述的光检测单元由两部分组成，其中A是光发射端，B是光敏感端。光发射端A发射的光线照射到光敏感端B，B将光线的强弱转换为电压信号输出。当A和B之间的光路上无介质遮挡时(或无介质经过时)，B输出的电压较低；当A和B之间的光路被介质遮挡时（或有介质经过时），B输出的电压较高。B输出的电压比阀值低时，介质位置检测单元输出值为0的状态信号，比阀值高时，介质位置检测单元输出值为1的状态信号。需要说明的是，上述阀值是一个预设的电压值，其值通常是电源电压的一半。
可选地，
减法放大单元为独立的减法放大电路。
可选地，
减法放大单元为减法器和放大器的电路集合。
可选地，
控制处理器与主机相连；
主机用于接收被测介质的厚度检测结果。
本发明实施例中，薄片介质厚度检测装置包括：依次相连的厚度传感器21、位置电压转换单元22、A/D转换器23及控制处理器24，上述装置还包括：介质位置检测单元25、计时器单元26、D/A转换器27及减法放大单元28；介质位置检测单元25，与控制处理器24相连，用于检测被测介质是否经过；计时器单元26，与控制处理器24相连，用于按预设规则记录装置的运行时间；D/A转换器27，两端分别与控制处理器24相连及减法放大单元28的反相输入端相连，用于将数字信号转换成模拟信号；减法放大单元28，其正相输入端、反相输入端及输出端分别与位置电压转换单元22、D/A转换器27及A/D转换器23相连，用于对输入电压进行减法放大处理。由于本发明薄片介质厚度检测装置，通过在A/D转换器之前设置用于消除厚度电压的零点电压影响并适当放大的减法放大单元的方式，能够消除零点电压影响的同时提高整个薄片介质厚度检测装置的灵敏度。
上面简单介绍了本发明薄片介质厚度检测装置实施例，下面对本发明薄片介质厚度检测实施例进行详细的描述，请参阅图4，本发明实施例中薄片介质厚度检测方法实施例包括：
S1：启动装置后，延迟预设时间Td；
启动本发明的装置之后，首先延迟预设时间Td，上述预设时间Td为从控制处理器向D/A转换器发出补偿数据到厚度数据有效的延迟时间，亦即控制处理器发出补偿数据后，D/A转换器对补偿数据进行转换，减法放大单元根据补偿电压进行处理并由A/D转换器转换后得到厚度数据的过程所需要的时间。
S2：确定介质位置检测单元没有检测到被测介质且计时器单元处于停止状态，向D/A转换器输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对厚度数据处理，得到实际补偿数据；
延迟预设时间Td之后，若介质位置检测单元没有检测到被测介质且计时器单元处于停止状态，说明被测介质还没到达介质位置检测单元、厚度传感器处也无被测介质。因此厚度传感器输出位置为X0，位置电压转换单元输出的电压为零点电压U0。控制处理器向D/A转换器输出值为0的补偿数据，使得减法放大器的反相输入端电压为0，即相当于没有实施补偿，因此读取A/D转换器输出数据即可得到零点电压数据。根据零点电压数据可以得到实际补偿数据。
S3：确定介质位置检测单元检测到被测介质到达后，启动计时器单元；
得到实际补偿数据并确定介质位置检测单元检测到被测介质到达后，可以启动计时器单元。
S4：确定计时器单元读数小于被测介质从介质位置检测单元运动至厚度传感器的时间Ta与预设时间Td之差Tm，向D/A转换器输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对厚度数据处理，得到实际补偿数据；
确定计时器单元读数小于被测介质从介质位置检测单元运动至厚度传感器的时间Ta与预设时间Td之差Tm，亦即被测介质还没到达厚度传感器，控制处理器24继续向D/A转换器输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对厚度数据处理，得到实际补偿数据。
S5：确定计时器单元读数等于Tm，控制处理器停止计算补偿数据，并向D/A转换器输出实际补偿数据；
确定计时器单元读数等于Tm，被测介质即将到达厚度传感器，控制处理器停止计算补偿数据，并向D/A转换器输出实际补偿数据。
S6：确定计时器单元读数大于等于Ta，读取A/D转换器处理后的厚度数据，就得到此时正经过厚度传感器的被测介质的实时厚度；
确定计时器单元读数大于等于Ta，被测介质正经过厚度传感器，控制处理器保持向D/A转换器输出的实际补偿数据不变，并读取A/D转换器处理后的厚度数据，就得到此时正经过厚度传感器的被测介质的实时厚度。
S7：确定介质位置检测单元检测到被测介质离开，记录计时器单元的读数Tc；
确定介质位置检测单元检测到被测介质离开，记录计时器单元的读数Tc。
S8：确定计时器单元读数等于Tc+Ta，控制处理器停止读取厚度数据，得到被测介质的实时厚度，并向D/A转换器输出值为0的补偿数据；
确定计时器单元读数等于Tc+Ta，此时被测介质离开厚度传感器，控制处理器停止读取厚度数据，得到被测介质的实际厚度，并向D/A转换器输出值为0的补偿数据。
S9：确定计时器单元读数大于等于Tc+Ta+Td，对装置进行初始化。
确定计时器单元读数大于等于Tc+Ta+Td，装置已经完成对被测介质的测量和数据的传输，可以对装置进行初始化，以便进行下一次测量。
下面以一个具体实例来说明本发明实施例的工作流程：
当本发明实施例的装置没有设置减法与放大单元时，假设零点电压的漂移范围是±0.5V，厚度测量范围是0～250um，A/D转换器输入电压范围是0～3.3V。那么A/D输入端的电压0.5V表示无介质经过厚度传感器，1.42V表示有厚度为100um的介质经过厚度传感器，电压振幅是0.92V。如果A/D转换器位数是8，那么厚度数据中每一个字对应的厚度是1.4um（3.3*250/2.3/256）。此时整个测量装置能分辨高于1.4um的厚度起伏。如果被测介质表面粘贴了一个厚度为20um的胶带，厚度数据的变化量为14个字。
在同样的前提下，使用减法与放大单元消除了零点电压并进行1.43（3.3/2.3=1.43）倍的电压放大后，A/D输入端的电压0.0V表示无介质经过厚度传感器，那么厚度为100um的介质经过厚度传感器时，A/D输入端的电压将是1.31V。使用同样的A/D转换参数，厚度数据中每一个字对应的厚度是1.0um。此时整个测量装置将能够分辨高于1.0um的厚度起伏。如果被测介质表面粘贴了一个厚度为20um的胶带，厚度数据的变化量为20个字。比没有使用减法与放大单元时多了6个字，使得控制器更容易区分出胶带区域。
可选地，
在步骤S8之后及步骤S9之前还包括：
将被测介质的实际厚度发送给主机；
主机与控制处理器相连。
由于本发明薄片介质厚度检测方法，通过在A/D转换器之前设置用于消除厚度电压的零点电压影响并适当放大的减法放大单元的方式，能够消除零点电压影响的同时提高整个薄片介质厚度检测装置的灵敏度，而且由于A/D转换器输出数据中有效字数更多，因此厚度测量的分辨率也得到了提高。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，其中的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种薄片介质厚度检测装置及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种薄片介质厚度检测装置，包括依次相连的厚度传感器、位置电压转换单元、A/D转换器及控制处理器，其特征在于，所述装置还包括：介质位置检测单元、计时器单元、D/A转换器及减法放大单元；
所述介质位置检测单元，与所述控制处理器相连，用于检测被测介质是否经过；
所述计时器单元，与所述控制处理器相连，用于按预设规则记录所述装置的运行时间；
所述D/A转换器，两端分别与所述控制处理器相连及所述减法放大单元的反相输入端相连，用于将数字信号转换成模拟信号；
所述减法放大单元，其正相输入端、反相输入端及输出端分别与所述位置电压转换单元、所述D/A转换器及A/D转换器相连，用于对输入电压进行减法放大处理。
2.根据权利要求1所述的薄片介质厚度检测装置，其特征在于，所述介质位置检测单元包括：光检测单元；
所述光检测单元包括光发射端和光敏感端；
所述光发射端和所述光敏感端分别安装在所述被测介质传输通道的相对侧。
3.根据权利要求1所述的薄片介质厚度检测装置，其特征在于，所述减法放大单元为独立的减法放大电路。
4.根据权利要求1所述的薄片介质厚度检测装置，其特征在于，所述减法放大单元为减法器和放大器的电路集合。
5.根据权利要求1所述的薄片介质厚度检测装置，其特征在于，所述控制处理器与主机相连；
所述主机用于接收所述被测介质的厚度检测结果。
6.一种薄片介质厚度检测方法，为利用权利要求1至5中任一项所述的薄片介质厚度检测装置来检测薄片介质厚度，其特征在于，包括：
S1：启动所述装置后，延迟预设时间Td；
S2：当介质位置检测单元没有检测到被测介质且计时器单元处于停止状态时，向D/A转换器输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对所述厚度数据处理，得到实际补偿数据；
S3：当所述介质位置检测单元检测到所述被测介质到达时，启动所述计时器单元；
S4：当所述计时器单元读数小于所述被测介质从所述介质位置检测单元运动至所述厚度传感器的时间Ta与所述预设时间Td之差Tm时，向所述D/A转换器输出值为0的补偿数据，读取A/D转换器处理后的厚度数据，并对所述厚度数据处理，得到实际补偿数据；
S5：当所述计时器单元读数等于Tm时，控制处理器停止计算补偿数据，并向所述D/A转换器输出实际补偿数据；
S6：当所述计时器单元读数大于等于Ta时，读取A/D转换器处理后的厚度数据，就得到此时正经过厚度传感器的所述被测介质的实时厚度；
S7：当所述介质位置检测单元检测到所述被测介质离开时，记录所述计时器单元的读数Tc；
S8：当所述计时器单元读数等于Tc+Ta时，所述控制处理器停止读取厚度数据，并向所述D/A转换器输出值为0的补偿数据；
S9：当所述计时器单元读数大于等于Tc+Ta+Td时，对所述装置进行初始化。
7.根据权利要求6所述的薄片介质厚度检测方法，其特征在于，在步骤S8之后及步骤S9之前还包括：
将所述被测介质的实际厚度发送给主机；
所述主机与所述控制处理器相连。
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