刘 兆

（江西乾照光电有限公司，南昌 330103）

0 引言

制造业是直接体现一个国家生产力水平的重要衡量标准，也是区别发展中国家和发达国家的重要因素。同时，制造业在每个国家的国民经济中都占有重要份额，因此制造业重要性不容忽视。而在制造业中，自动化检验技术既节约了大量的人力物力，又直接决定着制造速度和制造产品的质量。在传统的自动化检验工序中，多采用红外自动检测装置，红外自动检测的优势是产品成本低、价格便宜。但是采用红外检测技术的产品必须要有方向性，红外发射器必须对准接收器，并且中间不能有阻挡物。而且测量的距离一般不超过7米、容易受到一些电磁波或相干光束的干扰。而LED技术除了拥有红外检验技术的一系列优点外，还拥有耗电量低、使用寿命长、高亮度和辨别度、低热量、不受其他光源和电信号影响等优势。因此，LED技术在制造业自动化检验过程中的应用具有十分重要的研究意义。

1 优化制造业自动化检验的准确性

制造业自动化检验技术的最重要衡量标准就是检验产品的准确性，通过对比分析传统红外检验技术和LED技术的优缺点，才能提高自动化检验的准确性，进而提高产品制造的效率。

传统红外自动检验装置主要构成有红外发生装置（红外辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光窗口）、红外探测器、红外信号接收器（红外传感器）和信息处理系统等装置组成[1]。红外发生装置是整个自动化检验过程中最为重要的组成部分，也是红外检验信息的获取和反馈检验信息操作的主要位置。红外辐射源是指以发射红外辐射为主的辐射体，红外辐射源有许多不同的种类。在传统制造业所采用的红外辐射源一般采用能斯脱灯丝。这种灯丝采用锆、钇和钍的氧化物烧结成而成，呈空心细棒，长约25毫米，直径约2毫米，引出电极为铂丝[2]。常温时阻值很高，具有负电阻温度系数。使用时先加温至几百度，然后通电点亮，由高压电能维持其温度，并由镇流器限制其加热电流过大而引起烧损。

为此应用LED技术，进行制造业自动化检验，LED检验仪组成，主要由直接检验光源（LED灯）、光色电参数综合测试仪、光纤、光谱分析仪等。LED自动化检验装置的主要组成部分是LED灯，LED又称为发光二极管。在制造业中主要应用的LED种类有：普通单色发光二极管和高亮度单色发光二极管。普通单色发光二极管具有体积小、工作电压较低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，并且可用于各种直流、交流、脉冲等电源进行驱动和点亮。这种二极管属于电流控制型的半导体器件，使用时需串联一个合适的限流电阻。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓等材料制成，主要构造如图1所示。

LED技术的工作原理是，LED自动检验仪主要基于LED的工作原理，在制造业的产品检验阶段发挥识别作用，在组装有LED的自动化检验设备中，通过对标准品的LED的颜色和亮度进行一次学习，并读取一个相对值作为标准值，并设置标准值的上下限，然后产品在流水线上采用LED进行批量读取，将待测产品的相对值与标准值进行比对，从而判断良品和不良品，有效地保证测试测精度。与传统红外线自动化检验装置不同，传统红外线自动化检验装置是依靠探测产品发射的红外线来进行工作的。

图1 发光二极管构造图

首先，红外探测器能够对产品的红外辐射进行收集并将红外信息聚集到红外传感器上。而红外传感器一般使用热释电元件进行信号收集，这种元件在接收了红外辐射信号后，若信号发生变化，传感器就会向外释放电荷，检测处理后对不符合要求的产品进行记录并报警。由于要检测到大多数商品的红外辐射，所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射非常敏感。最后由信息处理系统上传产品制造数据给操作人员，由相关人员对检验产品进行处理。

传统红外自动检验装置的优势在于，红外检验过程中设备本身不发生任何辐射，并且器件相对与其他装置较小，具有良好的隐蔽性。由于红外装置价格低廉，所以其广泛应用于制造业自动化检验中[3]。但是由于红外装置的一些缺点，使得传统红外自动检验装置的准确性相对较低。红外装置容易受到各种热源、射频辐射以及强光源的干扰。同时，由于红外线的穿透力较差，较厚的产品的红外辐射容易被遮挡，信号不易被红外探测器接收；其次，当工作环境与产品的温度相近时，红外检验的灵敏度明显降低，甚至严重时会造成短时失灵。

LED技术的优点具有，工作电压很低（有的不超过1伏）、工作电流很小、抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长等优点，并且通过调制电流强弱可以方便地调制发光的强弱。此外，LED自动化检验设备还具有传统红外检验设备无法实现的功能。

在发光效率和光通量方面，由于LED的低电压、强发光的特性，不仅使得LED耗能极低，达到了绿色环保的目的，还使得LED的发光效率比传统红外及其他光源发光效率高出5倍～20倍，并且光通量是普通光源的10倍～25倍[4]；其次，在发光强度和光强分布方面，由于LED在不同的空间角度发出的光强差别很大，所以光强在空间里的分布是无规律性的，但是光强在一特定方向或范围内是极强的，能够清晰地进行收集和观测。在产品自动化检验过程中，由于需要透过产品的光通量较大，因此这一方向的光强较大，探测器能够快速清晰而准确地接收光强信号，从而做出判断；在波长方面，LED的光谱上较宽的波段决定了LED拥有多种颜色，因此，根据不同质量样品的光通量不同和反射波段的不同，可以采用不同颜色的LED，能够做到更高的产品优良辨别率和缺陷的精准定位。

2 改进自动检验的直线性测量方式

LED自动化检验装置实际上相当于一个光学测量系统，它能够实现快速和自动测试不同种类产品光通量的LED的颜色和亮度。每个LED检验仪能同时测量多达20种不同的颜色和强度的光源。并从光纤（POF）收集光信号，将光信号转化为电信号后在数据分析处理系统中进行测量和分析。通过对LED检验技术的应用，以及对传统的自动化检验的直线性测量方式的改进，使得LED技术在制造业自动化检验中发挥着不可替代的作用。应用LED的自动化检验技术主要优势如下：

1）光强优势：LED较传统光电材料具有光强方面的优势，根据LED光响应公式[5]：

式中，DS表示LED与接收器之间的距离，RS表示LED的响应程度，IS表示LED的光强度。由于LED较其他光源具有响应距离长的特点，在相同的接收距离下工作，会有较大的光强。因此，对于普通光源难以检验的产品，就需要依靠光强一致且极大的LED技术来进行检验。

其次，对于LED的光强空间来讲，由于其发光面是圆盖形状的，光强空间分布是很特殊的，所以在不同的测量距离下，光强值会变化。根据光强与偏离距离平方成反比的关系式，即使固定了测量距离，但是由于接受器接受面曲率的不同，其不同位置的光强值也会变化。在LED顶端由于曲率最小，因此产生的光强最大，且光强方向保持一致。因此，为了提高测量精度，应该把测量距离和接受面积大小相对地固定。例如，若检验产品的距离采用316mm，信号接受器面积固定为10mm×10mm。在同一测量距离下，LED的光强较红外信号更强，光强大约高出红外信号10倍，且LED顶端一定范围内光强一致性较好[6]。

2）准确性优势：LED技术因为光谱波段范围较大，因此在制造业自动化检验过程中可以根据波长差异来设置不同颜色的LED来进行检验。这样的设计保证了自动化检验拥有良好的重复性和不同的颜色区别，使得产品的尺寸、形状、以及缺陷能够准确表现出来[7]。按照制造业产品的不同要求，LED技术还可以实现高度准确地反映产品在空间的整体布局，用不同的LED色彩对产品进行区域块的划分，确保缺陷和误差区域的精确定位。同时，LED检验了产品最全面的光学特性，确保了数据的全面性和准确性。LED检验的主要参数如表1所示。

表1 LED检验范围及参数

此外，信号的接收采用了1mm的光纤，以及串行的RS232、ICT和USB等多种数据接口，也保障了信号接收过程中不会丢失，确保数据的准确性[8]。

3）其他优势：LED自动化检验较传统红外检测还具有更多的优势，如分析仪传感器灵敏度可调节、适用大多数产品检测中且有多个数据通道、闪光和PWN（脉宽调制）可进行实时测试、安装方便、适合小空间使用等。

3 实例分析

为了验证LED在制造业自动化检验中的优势，我们通过对空调组装及质检的自动化流水线进行了实例的研究和分析。将LED自动化检验与红外自动化检验技术进行对比实验，采用相同的100台空调机器，对成品机器的检验效率、检验精确度、合格率和缺陷等参数进行了对比，以验证LED技术较传统自动化检验技术的优势和本文提出LED技术的正确性和可操作性。

对比实验分为两部分进行：首先，我们采用传统红外自动化检验装置对100台空调机进行产品质量检验，除去检验常规产品质量、缺陷、废品率等常规数据外，还对红外检验装置的能耗、光通量、显色性、使用电压、响应速度等参数进行了观察记录；进行完红外自动化检验过程后，在相同的流水线上对相同的100台空调机进行LED自动化检验，检测标准与检验参数与红外检验时保持一致。我们得到的对比数据如表2所示。

通过得到的红外检验与LED检验的两组对比数据，我们可以发现：

对于产品检验质量方面，LED自动化检验要比红外自动化检验更加准确，LED检验能够检测出红外技术不能检验出的缺陷和问题，因此LED检验要比红外检验的范围更广，准确度更高；而在产品检验过程中，红外检验设备需要红外发生器等设备需要的的能耗高、响应速度慢，成像主要以黑白色为主，同时由于光通量不稳定，所以成像上还存在色差。LED检验设备则表现出能耗降低达84%，响应速度大大提高，光通量稳定、无色差，且成像为彩色、无色差影响。这也验证了LED检验技术的一系列优势，证明LED在制造业自动化检验中具有良好的应用前景。

表2 红外、LED检验对比实验数据

4 结束语

通过研究LED技术相比传统发光及红外检验技术的优势，我们对传统的直线型、单一化的测量式自动化检验方式进行了分析，LED自动化检验技术能够改善传统检验的缺点，做到高效、快速、低能耗、高精度的产品检验。通过实例研究，我们可以发现LED技术较传统检验方法，精确度大幅提高，能耗也有大幅降低，完全符合预期结果和分析。可以预测，在未来的制造业自动化检验过程中，LED技术拥有极为广阔的应用前景和发展空间。