用于感测辊上的材料的外表面的感测装置的制作方法

本实用新型涉及确定到辊上的材料的外表面的距离，以及更具体地，用于确定在分配或卷取辊上剩余的材料的量。

背景技术：

工业造纸厂、地毯仓库、报纸印刷车间、纺织厂、以及其他工业环境在加工过程中使用分配或卷取材料片材(或幅材)的辊或卷轴。存在许多技术来追踪在辊上剩余的材料并在必要时替换这些辊。不同的机械或电子传感器装置可以追踪多少辊上的材料绕到辊上或者从辊上退绕，指示变化率并且确定在该辊是空的或满的并且必须被替换之前的时间。

例如，随着辊分配片材材料，一些装置感测到减小的辊直径并与幅材接合设备配合，其中一旦感测机构确定需要新辊，则新辊被插到心轴上并且接合到旧片材中。辊直径感测机构还用在扭矩调节的张力控制系统中，其中所测量的辊直径提供了对于加速和减速的惯性补偿以及扭矩或张力设定点。例如，在速度调节的张力控制系统中，所测量的直径用于调整驱动电机的速度环路增益和速度设定点的惯性计算。

机械压带滚轮是更简单的张力控制系统，其中在枢转从动臂上的压带滚轮与辊的外直径接触。在从动臂上的枢轴点安装了传感器。将从该传感器测量的从动臂的角度转换成辊直径。该传感器追踪多少材料在辊上并且指示变化率并确定在该辊是空的之前的时间。虽然这些压带滚轮系统是简单的，但该滚轮必须与在辊上的材料的表面接触，这在工业环境中因为打滑和不精确的直径读数可能是一个问题。此外，机械系统在苛刻的工业环境中几乎每天要求大量的维 护。

超声波传感器已经被用于测量辊直径。该系统确定在辊上的材料的变化率和该辊变满或空或满并且必须被替换之前的时间。然而，超声波传感器在一些工业环境中不是有利的，因为在辊上的材料片材可能吸收声波并给出不精确的测量值。

其他系统使用激光器发射6毫米(mm)宽光束(可见红光)，该光束从辊上弹回并且将其一些光散射通过传感器的接收透镜进入光电二极管。传送电脉冲与接收电脉冲之间的时间间隔用于使用光速和飞行时间计算来计算到辊的距离。这些可见红光激光器系统使用特殊的扩散模式传感器，因为该激光是具有约6毫米宽光束的可见红光，以确保在辊上的宽表面被照射。虽然这些系统可以使用飞行时间计算在清洁的工业环境中良好地运行，但具有可见红光的宽直径光束可能需要在苛刻的工业环境中可能不适当的特殊的扩射模式传感器。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题在于如何在工业环境中追踪在辊上剩余的材料并在必要时替换这些辊。

根据本公开的一个方面，公开了一种用于感测辊上的材料的外表面的感测装置。所述感测装置包括：红外激光源，所述红外激光源被配置成用于将红外激光辐射引导至所述辊上的材料的所述外表面；单光子雪崩二极管检测器，所述单光子雪崩二极管检测器被配置成用于接收来自所述辊上的材料的所述外表面的反射红外激光辐射；以及控制器，所述控制器被耦合至所述红外激光源和所述单光子雪崩二极管检测器以基于所述红外激光辐射的飞行时间确定到所述辊上的材料的所述外表面的距离。

在一个实施例中，所述单光子雪崩二极管检测器包括单光子雪崩二极管阵列。

在一个实施例中，所述红外激光源、所述单光子雪崩二极管检 测器和所述控制器形成为单个集成电路。

在一个实施例中，所述红外激光源具有在800至900纳米范围内的工作波长。

在一个实施例中，所述红外激光源包括垂直腔表面发射激光器。

在一个实施例中，所述控制器被配置成用于确定在所述辊上的材料的量。

在一个实施例中，所述感测装置进一步包括至少一个指示器；并且所述控制器被配置成用于基于所确定的在所述辊上的材料的量操作所述至少一个指示器。

在一个实施例中，所述辊是分配辊；并且所述控制器被配置成用于确定来自所述分配辊的材料的进料速率。

在一个实施例中，所述感测装置进一步包括至少一个指示器；并且所述控制器被配置成用于基于所确定的来自所述分配辊的材料的进料速率操作所述至少一个指示器。

在一个实施例中，所述辊是卷取辊；并且所述控制器被配置成用于确定材料到所述卷取辊上的卷取速率。

在一个实施例中，所述感测装置进一步包括至少一个指示器；并且所述控制器被配置成用于基于所确定的材料在所述卷取辊上的卷取速率操作所述至少一个指示器。

根据本公开的另一方面，公开了一种用于感测辊上的材料的外表面的感测装置。所述感测装置包括：红外激光源，所述红外激光源被配置成用于将红外激光辐射引导至所述辊上的材料的所述外表面，所述红外激光源包括垂直腔表面发射激光器；单光子雪崩二极管检测器，所述单光子雪崩二极管检测器被配置成用于接收来自所述辊上的材料的所述外表面的反射红外激光辐射，所述单光子雪崩二极管检测器包括单光子雪崩二极管阵列；以及控制器，所述控制器被耦合至所述红外激光源和所述单光子雪崩二极管检测器以基于所述红外激光辐射的飞行时间确定到所述辊上的材料的所述外表面的距离。

在一个实施例中，所述红外激光源、所述单光子雪崩二极管检测器和所述控制器形成为单个集成电路。

在一个实施例中，所述红外激光源具有在800至900纳米范围内的工作波长。

在一个实施例中，所述控制器被配置成用于确定在所述辊上的材料的量。

在一个实施例中，所述辊是分配辊；并且所述控制器被配置成用于确定来自所述分配辊的材料的进料速率。

在一个实施例中，所述辊是卷取辊；并且所述控制器被配置成用于确定材料到所述卷取辊上的卷取速率。

在一个实施例中，所述感测装置进一步包括耦合至所述控制器的至少一个指示器。

本实用新型的技术效果是根据本公开的感测装置可以在各种严苛的环境中进行稳定、精确地工作且不需要大量维护成本。

附图说明

图1是片材加工设备的透视图并且显示了根据非限制性实例用于感测辊上的材料的外表面以确定它的直径的感测装置。

图2是根据非限制性实例的感测装置的基本组件的框图。

图3是根据非限制性实例如图2所示的感测装置的更详细的框图。

具体实施方式

现将参照附图在下文中更为全面地描述本实用新型，在附图中显示了本实用新型的优选实施例。然而，本实用新型可以用许多不同的形式体现，并且不应当被解释为限于在此所列出的实施例。相反，提供这些实施例以使得本披露将是全面和完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本实用新型的范围。贯穿全文相同的数字指代相同的元件。

图1是总体上在10处示出的片材加工设备的透视图，该片材加工设备包括支撑辊上的材料16的可旋转地安装在机器框架14上的辊心轴12，该辊心轴被可旋转地驱动以卷取(卷绕)或分配(退绕)辊上的材料16。虽然图1示出了一般工业环境，但可以使用和加工不同的材料，例如，在工业造纸厂、地毯仓库、报纸印刷车间、纺织厂、或其中将材料片材卷取或分配到辊和卷轴上的其他应用中。在此实例中，保持辊上的材料的该心轴被连接至张力或卷绕电机20，该电机施加反张力(如果材料片材被退绕(或分配))或施加卷绕力用于卷取位于固定在心轴12上的辊筒上的材料片材。

该片材被进料到空转辊22上并且可以已经被预先加工或将被加工诸如像在化学浴24中。在片材递送过程中要求大量反张力控制的高速幅材递送系统的情况下可以使用松紧调节辊组件。

图1是一般工业环境的代表实例并且总体上在30处示出的感测装置可用于感测许多不同辊上的材料的外表面。本说明书是如本领域技术人员建议的许多不同过程的实例。如所示，感测装置30被安装在支撑架31上并且感测辊上的材料16的外表面。

如图2的高级框图中所示，感测装置30包括被配置成用于将IR激光辐射引导至辊上的材料16的外表面的红外(IR)激光源32。单光子雪崩二极管(SPAD)检测器34被配置成用于接收来自辊上的材料的外表面的IR激光辐射。控制器36被耦合至IR激光源32和SPAD检测器34并且基于IR激光辐射的飞行时间计算确定到该辊上的材料的外表面的距离。在一个实例中，激光源32、SPAD检测器34和控制器36形成为单个集成电路(IC)。示例电路是由意法半导体(STMicroelectronics)制造的VL6180X模块。

控制器36可以确定在辊上剩余的材料的量。例如，基于使用飞行时间计算测量距辊上的材料16的距离，确定了从该辊卷取或分配的材料的量并且确定了在该辊上剩余的材料的量。根据该信息，控制器36可以基于所确定的在该辊上剩余的材料的量操作指示器38(图1)诸如警报器或显示器，以向机器操作员指示该辊必须被更换。 在感测装置30中的控制器36是用主机器控制器40可操作的以控制不同的卷绕和张力电机、警报系统和显示器38、以及将材料接合到现有的材料幅材上或提供在其上分配或卷取材料的被接收在心轴12之上的新筒的任何系统(未示出)。

例如，当该辊是分配辊时，控制器36被配置成用于确定材料的进料速率并且该控制器基于来自该分配辊的材料的预定进料速率操作至少一个指示器38诸如警铃。当辊上的材料已被完全分配时，可以插入新辊。当该辊是卷取辊时，控制器36被配置成用于确定材料到该卷取辊上的卷取速率并且该控制器被配置成用于基于所确定的材料到该卷取辊上的卷取速率操作该至少一个指示器诸如警报器38。当该辊是满的时，可以插入新的卷取辊。

图3是感测装置30的更详细框图并且示出了形成为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)元件50阵列的IR激光源32的细节。每个VCSEL元件50形成为发射垂直于表面的光并包括具有几个纳米(nm)厚度的有源层的半导体激光二极管。这些VCSEL元件50可以由不同的半导体加工技术形成并且包括不同的有源层。

大多数VCSEL元件共享通用配置。电载流子被转换成有源层之上和之下的光。可能存在多层具有高反射率的交替的折射率谐振镜以实现增益。在一个实例中谐振镜形成为向有源层提供电接触的掺杂半导体镜，这些电接触可由有源层附近的氧化层的宽度限定。它们可以在单一外延生长工艺中形成，其中半导体晶片处理步骤定义发射区域并提供电端子给形成VCSEL元件50的单独的激光二极管。每个VCSEL元件50是垂直结构并且可以将大量VCSEL元件作为激光二极管彼此相邻放置为二维阵列并且单独地或并联连接。

该VCSEL阵列可以由数以千计较小的VCSEL元件50形成并且在GaAs晶片上制造，其中在这些单独的元件之间的间距是约40um。在参考图1的系统使用的实例中，激光源32具有在800-900纳米范围内的工作波长，并且在具体实例中，850nm，但取决于工业应用、如何使用红外束、以及具有什么辊材料，可以扩展至高达1,300nm 或更高。

VCSEL元件50的单一且简化的实例被示出并且包括具有开口54的金属接触52，通过该开口发射红外束。VCSEL元件50包括由P-型材料形成的上布拉格反射器56、量子阱58以及由N-型材料形成的下布拉格反射器60。N型衬底62和金属接触64被包括在内。上和下布拉格反射器(DBR)56、60形成反射镜并且平行于晶片表面并且具有一个或多个用于激光产生的量子阱。通常，这些布拉格反射镜包括交替的高和低折射率以及在一个非限制性实例中激光波长的约四分之一的厚度以产生高反射率。这些反射镜平衡了增益区域的短轴向长度。这些上和下布拉格反射镜可以由P-型和N-型材料形成以形成二极管结，但在非限制性实例中在这些反射镜之间可以嵌入其他N-型和P-型区域。GaAs衬底允许生长多个外延层。微处理器66连接到每个VCSEL元件50以提供电流控制以及在这些VCSEL元件50之间的任意类型的激光瞄准和协调。

图3示出了单光子雪崩二极管(SPAD)阵列，该阵列形成了“n”SPAD阵列，其中每个二极管形成与微处理器72连接的检测器元件70。每个SPAD检测器元件70是固态光检测器，其中光生载流子可以引发雪崩电流以检测低强度信号诸如单光子。微处理器72处理光子的信号到达时间，具有几十皮秒的抖动。通常SPAD检测器元件70包括反向偏置P-N结以检测红外辐射并且以类似于常规的盖革计数器的“盖革模式”用高于击穿电压的反向偏置电压运行。取决于该感测装置用于的工业应用和在辊上卷绕的材料的类型，如本领域技术人员已知的可以使用不同的SPAD检测元件70。可以使用不同的猝熄电路，包括被动和主动猝熄。实例披露在巴克斯特公司(Baxter)的美国专利号8,610,043和美国专利公开号2014/0124652中，将其披露内容以其全文通过引用结合在此。

控制器36用微处理器66、72和不同的VCSEL元件50以及SPAD检测元件70运行以基于IR激光辐射的飞行时间确定到辊上的材料的外表面的距离。控制器36确定在辊上剩余的材料的量并确定何时 辊必须被替换。随着机器运行，不同的距离测量值被收集并被打上时间戳，并且随时间的推移距离值增加或减少，并且材料的使用速率是时间对距离的梯度。此时间速率允许机器的使用者预测在该辊将被替换之前剩余的时间。该数据可以被进一步处理以收集运行速率统计并确认在工厂未运行时材料未被移走。在许多小时或天的一段时间内，可以设置终点并且监测速率以允许更有效的生产过程。当串联使用诸如在图1中示出的多个辊卷绕和分配单元时，可以实现工厂自动化并且建立更有效的运行。机器控制器40将与任意LED指示器、声音或警报器交互操作以设置本地警报并允许在控制中心内的集中监控。

一种感测辊上的材料的外表面的方法包括使用红外(IR)激光源将IR激光辐射引导至该辊上的材料的外表面。该方法还包括使用单光子雪崩二极管(SPAD)检测器接收来自辊上的材料的外表面的反射IR激光辐射并且使用耦合至该IR激光源和该SPAD检测器的控制器以基于IR激光辐射的飞行时间确定到辊上的材料的外表面的距离。

该方法包括使用控制器确定在辊上的材料的量。在一个实施例中，该辊是分配辊并且该方法包括使用控制器确定来自分配辊的材料的进料速率。在另一个实施例中，该辊是卷取辊并且该方法包括使用控制器确定材料到该卷取辊上的卷取速率。该方法还包括基于控制器操作至少一个指示器。

本实用新型的许多修改和其他实施例对于受益于前面的描述和相关附图中呈现的教导的本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，应当理解本实用新型不限于所披露的具体实施例，并且那些修改及实施例旨在被包括于所附权利要求书的范围内。