[发明专利]用于确定到辊上的材料的外表面的距离的装置以及相关方法

说明书

一种感测装置用于感测辊上的材料的外表面。红外(IR)激光源被配置成用于将IR激光辐射引导至该辊上的材料的外表面。单光子雪崩二极管(SPAD)检测器被配置成用于接收来自该辊上的材料的外表面的反射IR激光辐射。控制器被耦合至该IR激光源和该SPAD检测器以基于该IR激光辐射的飞行时间测定到该辊上的材料的外表面的距离。

技术领域

本发明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。

发明内容

感测装置用于感测辊上的材料的外表面并且包括配置成用于将IR激光辐射引导至该辊上的材料的外表面的红外(IR)激光源。单光子雪崩二极管(SPAD)检测器被配置成用于接收来自该辊上的材料的外表面的反射IR激光辐射。控制器被耦合至该IR激光源和该SPAD检测器以基于该IR激光辐射的飞行时间确定到该辊上的材料的外表面的距离。

该SPAD检测器可以包括单光子雪崩二极管阵列。该IR激光源、SPAD检测器和控制器可以形成为单个集成电路(IC)。在实施例中，该IR激光源可以具有在800-900纳米范围内的工作波长。该IR激光源可以包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。

该控制器被配置成用于确定在辊上的材料的量。该感测装置可以包括至少一个指示器，并且该控制器被配置成用于基于所确定的在辊上的材料的量来激活指示器。该辊可以是分配辊，并且该控制器被配置成用于确定来自分配材料的材料进料速率。该感测装置还可以基于所确定的来自分配辊的材料进料速率来激活指示器。

在另一个实施例中，该辊是卷取辊，并且该控制器被配置成用于确定材料到该卷取辊上的卷取速率。该感测装置可以包括至少一个指示器，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来操作该至少一个指示器。