檢測控制系統是自動控制領域的核心技術之一，其靈敏度及精度直接決定了自動化過程的優劣。通過對部分棉紡織企業的生產現場調研發現，有一部分紡紗設備仍使用人工檢測，不能保證斷條及時捻接及棉紗粗細穩定性，從而造成產品質量差及生產效率低等問題。選擇匹配的檢測電路可實現控制功能，并能在實際環境條件下實現精度可調式實時檢測與控制。因此，它是產品質量及效率提高的保證。
　　鄭州航院機電研究所基于光電技術開發了高精度可調式檢測系統。由于紅外線具有較強的穿透能力和抗干擾能力，不易散射且不易引起串干擾，因此該系統基于紅外線傳感技術并利用調制/解調技術完成了系統信號發射接收，有效地改造了國產FA431、FA541系列高速粗紗機" title="粗紗機">粗紗機，使生產效率提高25～35%，產品質量大幅度提高，受到了使用單位的歡迎。經專家認證，改造后的FA431粗紗機在性價比上優于日本豐田公司FL16粗紗機。該系統不僅可用于紡織機械，通過對系統精度、測量范圍的調節，還可應用在傳統鍛床、機床等生產設備中，系統正確檢測率達100%。
1 系統信號流程及工作原理
　　從信號發生器到執行機件，是系統處理紅外信號的主通道。在主通道中，信號按圖1所示順序進行傳送。

　　紅外接收管是一種光感電" title="感電">感電流源。光感電流隨光通量的增大而增大，光感電流對電容進行充電后，就可以得到隨光通量變化而變化的電信號。無遮擋物時，光路暢通無阻，光感電流最大；有遮擋物通過檢測區時，光路被遮擋一部分，光感電流降低，輸出電位升高，遮光面積越大，輸出電位就越高^[1]。利用該原理，通過對檢測系統靈敏度的調節，對被測物體直徑和面積量的測控，可實現質檢或安全保護等作用。紅外發光管和紅外接收管分居光電檢測區兩側，很少需要維護。在實際工作環境中，為了滿足同時對多個工位自動檢測的要求，系統使用接插件連接，安裝位置及結構如圖2所示(本圖為通過接插件實現多工位檢測)。

　　系統發光管采用脈動電流驅動方式驅動，紅外光的產生和拾取分別采用脈沖調制技術和同步解調技術來完成。脈沖調制光與直流光相比，一方面增強了抵御環境雜散光干擾和車間內機電信號干擾的能力，另一方面由于發光管工作于脈沖狀態，其壽命也相對延長。當有遮擋物進入檢測區時，紅外接收管接收到的光的強度會發生突變。因而，凡是變化的光信號，一概被看作有遮擋信號。傳統的安全保護器容易出現誤動作，如當打開或關掉照明燈時，信號處理單元會將其判斷為有遮擋信號而發生誤操作。本系統在設計上采用脈沖調制/同步解調技術，使紅外發光管一段時間發射信號，一段時間關斷信號，即發出脈沖形式的紅外光。同樣，紅外接收管也只在紅外發光管發射脈沖信號期間接通工作，大大降低了誤動作發生的機率。發光和接收在時間上保持同步，因而只有紅外發光管發出的光才會被檢測出來，外界雜散光則全被屏除在外，從而使該控制系統的抗干擾能力大大提高。這是本系統在設計上的獨特點。
2 系統主要功能模塊設計
　　該控制系統主要由以下功能模塊組成：高穩定性低功耗直流電源系統、信號發生系統、紅外脈沖發射系統、電子自鎖開關系統、紅外接收系統、信號處理系統、驅動電路、狀態指示面板等。由于篇幅有限，這里僅對系統的重要功能模塊的設計作一說明。
2.1 紅外脈沖發射系統
　　為提高紅外光的發射效率并對多工位檢測開關進行控制，本系統采用脈沖編碼方式，大大提高了紅外發射管的發射效率。另外，增加紅外光束光學聚焦系統，降低了對發射管功率的要求。紅外脈沖發射系統原理框圖如圖3所示。來自信號發生系統的方波經過緩沖、放大、變頻后，得到較小占空比的脈沖波，驅動紅外發射管工作，使得紅外發光管工作于脈沖狀態。這樣，可降低平均紅外發射功率，提高瞬時發射功率及抗干擾能力，加大紅外作用距離，并且大大延長了其使用壽命^[3]。

　　為了滿足該裝置的工作要求，可將兩個以上的紅外發光管串聯起來，以提高輸出功率和作用距離，并降低所需電流。
2.2 紅外接收系統
　　紅外接收系統原理框圖如圖4所示。當檢測區域無被測物時，紅外發射管發出的脈沖光無遮擋，被接收管完全接收，在前置電容上產生負極性的光敏電壓，此電壓與前置電容兩端所置的電壓大小相等方向相反，沒有信號經過后置電容；當有遮擋物進入檢測區中時，接收管接收到的紅外光的強度發生變化，從而有信號經過后置電容進入后繼信號處理單元。另外，接收紅外光時增加了紅外光束光學聚焦功能，使檢測到的信號強度提高，檢測距離由幾米增加到幾十米，系統檢測精度大大增強^[2]。接收管輸出的電信號很微弱，因而經過后置電容的電信號非常小，需經解調后再進行放大。為滿足工作要求，可在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見光，使紅外接收管構成最大受光區。在放大器前端增加電濾波，消除低頻干擾和高頻干擾。通過信號比較電路，對輸出新電平信號進行處理^[3]。

2.3 信號處理系統
　　系統采用低功耗、高增益、內部帶有頻率補償的四運放集成芯片^[4]。當無遮擋物進入檢測區時，電路中只有直流信號，電容隔直；當有遮擋物進入檢測區時，接收電路產生輸出突變的電信號，通過電容向后繼電路傳送，經三極管進行初步放大，然后再送到放大電路進行二次放大。信號處理系統原理框圖如圖5所示。

　　由于解調脈沖波與紅外發射管的工作在時間上保持同步，且電子自鎖開關僅在紅外發射管工作時接通，所以僅有來自紅外發射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關的方波信號由阻容網絡進行濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號被還原出來，遮擋物的擋光面積大，留下的直流分量也大；遮擋物的擋光面積小，留下的直流分量也小。利用電阻網絡調整脈沖信號的高低電平值，以得到合適的電壓來驅動后繼電路。利用集成運放負反饋原理，給信號處理電路添加靈敏度子系統來調節檢測精度。調整精度后，系統可廣泛應用于其它質檢及安全保護機械設備中，如對傳統無安全保護裝置的機床、鍛床等的改造。
3 實際測試結果及數據分析
　　系統原理圖繪制、仿真調試及PCB板設計均利用EDA(Protel)軟件^[5]進行，各部分零件經選型、調試、焊接后，在常溫、常濕、日光燈照環境下，利用紅外傳感探頭對被測物進行檢測。通過改變測量距離及被測物直徑，得出幾組實驗數據，如表1所示。

　　從實驗數據可以看出，由于紅外發射管發射的紅外光在空氣中遠距離傳播時光束的發散性以及其它諸如空氣流動、塵埃、密度差等因素的影響，隨著測試距離加大，測試物體直徑減小，不能達到預期的測試結果。通過加大發射功率及改善接收端解調檢波功能，目前檢測距離為30m、測試物直徑為2mm時，檢測準確率可達95%以上。如何提高檢測物精度及檢測距離是本項目今后繼續研究的重點，也是繼續擴展檢測領域的關鍵所在。
　　考慮到紅外傳感元件受環境溫度、照度、濕度等因素的影響較大，通過對環境溫度、濕度、照度、燈光頻閃等進行調節來檢測系統穩定性。在環境照度≤20000LX、環境溫度在-15℃~60℃之間、環境濕度≤90%RH、頻閃≤1500RPM時進行實驗測試，檢測率(正確停車百分比)不低于90%。測試數據掃描曲線如圖6所示。