光电探测技术在荧光异性纤维检测中的运用

光电探测技术在荧光异性纤维检测中的运用

张华林

杭州海康机器人技术有限公司 杭州 310052

摘要：光电探测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号。光电探测技术高速度、高精度、非接触等测量特点被广泛应用。本文根据纺织行业异性纤维在线检测特殊要求，结合白色丙纶丝紫外荧光效应特点设计了一套特殊照明和接收检测系统，能够高效、快速的清除原棉内带荧光的白色丙纶丝。

关键词：异性纤维：纺织机械：紫外荧光效应：在线检测

1 引言

在棉纺织业中，由于棉花在生产、采购、收购、加工棉花等环节中由于种种原因不可避免的混入了很多其他杂质，如化学纤维、毛发、丝、麻、塑料绳、染色线等，我们称之为异性纤维（“俗称三丝”），棉花中异性纤维比重虽小，但危害很大。虽然人们采取了很多办法来检测和清除异性纤维，但是由于机器视觉的限制像那些和棉花颜色相近的白色异性纤维很难清除。这些白色异性纤维在紫外线照射下会发出明亮的荧光，我们称之为荧光异性纤维。从荧光异性纤维发光原理出发，结合光电探测技术的荧光的高灵敏度检测优势，采用光电探测技术检测能够更加高效、低成本的清除荧光异性纤维[1]。

2 荧光光电探测技术原理

2.1 光电探测技术的原理

光电探测技术是应用光电效应，使用光电探测器能够把光信号转变为电信号，光电探测器的响应时间为纳秒级别，能够探测到光子级别的变化，因此能够高速、高灵敏度的探测光信号^[2]。

2.2 紫外荧光效应

某些特定物质受到紫外线光的照射，这些物质会辐射荧光，这种现象就是紫外线的荧光效应。

而荧光白色丙纶丝发射荧光的原理就是白色丙纶丝在紫外线的照射下，发出荧光^[3]。白色丙纶丝内发射荧光的物质为荧光增白剂。通过中国增白剂网（http://www.zengbaiji.com/ )和一些其他网站上公布的数据（以下数据皆在乙醇中测定）整理如下表：

表2-1 荧光增白剂的光谱特性

根据表中数据分析，棉花中荧光异性纤维像丙纶丝（聚丙烯）使用OB-1型，KSN型，异性纤维中与棉花颜色相近也是最难检测的杂质中90％以上是纸张和白色丙纶丝(俗称“编织带丝”)等物质，综合分析可以确定荧光增白剂：

最大紫外吸收波长在365nm～375nm；

最大荧光发射波长在420nm～440nm。

2.3 荧光探测原理

跟据荧光异性纤维荧光发射特点，选择合适的照射光源和接收探测器能够高效的检测出荧光异性纤维。跟据最大吸收波长在365nm～375nm，选择常见的365nmLED作为光源：

探测器需要在400nm-500nm有高灵敏度响应，因此选择硅探测器作为接收期间，并搭配400nm—500nm的荧光滤光片，保证探测器只接收400nm-500nm的荧光。

3 荧光光电探测的运用

传统检测手段是靠色差识别异纤，所以与棉花相近颜色的异纤无法识别，棉花中大量出现的白色丙纶丝不能识别^[4]。荧光光电探测只针对荧光检测，而棉花纤维不发出荧光，因此针对荧光物质单独检测，检出效果精确，区分度明显。

为了便于生产，参照异纤分拣机的机械结构，假设检测窗口是800mm*80mm的窗口，棉流速度从8m/s～15m/s，所以我们采用LED组合成面光源来照射棉花，然后将光电二极管组合成线状来检测荧光发生的位置。

3.1 照射系统的设计

我们采取UVLED串联来组合光源，提供所需的光谱波段。根据LED的发光特点，和我们需要稳定、均衡的光谱波段，这就需要我们设计合适的排列组合，而且还要考虑到LED自身性能因素的影响。以下是LED集中基本组合连接方式：

我们的光源是为了为光化学反应提供反应光谱波段的，所以我们需要对整个件检测面提供均匀的光强，所以我们需要相同的电流来保证LED的发光强度一致，于是选择LED串联，但考虑到实际电源的电压，和我们的LED数目较多，全部串联的话，对电源的电压要求就很高了，所以串联加并联是不错的选择。

3.2 接收系统的设计

根据被检测信号的特点以及光电二极管的感光特性，无论我们检测荧光或者反射光强度，为了确定荧光异性纤维的位置，可以采用线阵光电二极管排列来检测。针对我们检测信号的波段选择合适的光电二极管。

如果从灵敏度考虑检测荧光，当然是硅光电二极管越多越好，这样相当于分辨率很高了，但是从机器的处理上，我们希望硅光电二极管越少越好，这样方便计算机对数据的处理，而且减少成本。

光源与接收光在同侧，能够有利于消除光源对探测器的影响，而且同侧能够减少棉流光遮挡。考虑生产实际，漫反射式检测是最佳方案。

3.3 信号处理系统的设计

由于光电二极管的光谱特性以及被检测光信号的特点，光电二极管输出的是模拟电流信号，为了得到便于计算机处理的数字信号，这就需要对我们检测到的信号进行处理^[5]。

3.4 荧光异纤检测试验

在机器上搭建好检测系统，在检测通道内投掷1mm宽的荧光异纤和原棉，使用示波器捕捉探测器输出信号，试验可以看出检测系统对原棉没有任何响应，对荧光异性纤维响应突出。

4 结论

光电探测技术检测荧光异性纤维能够高效、精确的检出。通过光源和探测器的科学结合，将照射波普和接收波普区分开，避免了波长有交叉干扰，能够精确无误动作的高效检出荧光异纤。

参考文献：

[1].Gillian N H．Non．wool contamination in carbonized wool[R]．CSIRO，Report G73，Australia，1992．

[2].王庆有.光电技术[M].电子工业出版社.2008（06）

[3].孙保国，徐立新.荧光增白剂的荧光特性[J]-黑龙江造纸 2003(04)

[4].郑文秀. 棉花异性纤维的动态识别技术研究[D]. 硕士学位论文

[5].杜习光.微弱光信号检测电路的设计[J]-电子元器件应用 2010(12)