一种基于激光传感器阵列的贯流风叶注塑缺料缺陷检测方法与装置技术领域
本发明属于产品质量在线监测与诊断技术研究领域，具体涉及一种基于激光传感
器阵列的贯流风叶注塑缺料缺陷检测方法与装置。
背景技术
风叶轮是空调等送风设备重要的组成部分，由贯流风叶注塑件焊接而成，风叶质
量好坏影响设备送风稳定性和噪声性能。注塑叶片在生产过程中会出现底端缺料的质量问
题。在当前的生产过程中，很多企业采用人工检测方法对缺料缺陷进行检测，该方法除了增
加用工成本、降低生产效率外还存在时间工作易导致工人疲劳、判断能力降低的问题，并导
致误判率上升。
为了使风叶送风稳定、降低噪声，贯流风叶采用叶片非等间距、非同轴心的复杂结
构，给检测带来了很大的困难。尽管目前已有相关检测技术的报道，比如基于机器视觉的检
测技术(徐文,叶世栋.贯流风扇叶缺陷自动检测系统的设计[J].机电工程技术,2012,41.
第05期,34-38)，但该方法尚无投入实用。基于红外传感器阵列的检测技术实现了贯流风叶
缺料故障的在线实时检测((1)宋寿鹏,赵腾飞等.静止型贯流风叶缺料故障在线诊断装置:
中国，ZL201310588858.(2)宋寿鹏,赵腾飞等.旋转型注塑叶片缺料故障在线诊断装置:中
国,ZL201310589515.5)，但仍存在无法检测出小缺料缺陷(<1mm2)的不足。
本发明提出了一种基于激光传感器阵列的贯流风叶注塑缺料缺陷检测方法与装
置，该方法采用激光发射器和接收传感器，成对安装在检测平台上，接收透过叶片的激光信
号，由单片机模块进行数据处理和缺陷判断，实现注塑缺料缺陷的监测，特别是小缺陷的检
测。该方法和装置具有缺陷检测率高的特点，适合在自动化生产线上进行推广。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种基于激光传感器阵列的贯流风叶注塑缺
料缺陷检测方法与装置，该方法基于激光技术，能够实现对贯流风叶的质量监测和缺陷识
别。
本发明的技术方案是：一种基于激光传感器阵列的贯流风叶注塑缺料缺陷检测方
法，包括以下步骤：
S1、激光发射阵列发射脉冲激光信号；
S2、激光传感器接收阵列接收透过贯流风叶的脉冲激光信号；
S3、模拟信号处理电路模块对接收到的脉冲激光阵列信号进行差分，电压匹配，并
输入到单片机A/D接口；
S4、经A/D将信号数字化后，由单片机信息处理模块实时对信号进行特征提取，特
征融合和决策识别；
S5、将贯流风叶产品是否合格的信息由显示模块直接输出；
S6、人机交互模块实现检测参数设置、检测过程控制和检测数据统计。
上述方案中，所述步骤S1中激光发射阵列发射信号采用双路脉冲激光信号，其中
一路信号作为参考信号，另一路信号作为检测信号，且两路发射信号参数一致。
上述方案中，所述步骤S2中的激光传感器接收阵列同步接收透过贯流风叶的两路
脉冲激光信号，信号将受到贯流风叶叶片的调制，且携带是否存在缺料缺陷的信息。
上述方案中，所述步骤S3中的模拟信号处理电路模块将两路接收的携带风叶状态
信息的脉冲激光信号进行差分，得到两路信号的差分信号，完好叶片的理论输出结果应为
0，然后通过电压匹配电路实现与A/D输入端的信号匹配。
上述方案中，所述步骤S4中的单片机信息处理模块采用C8051F020单片机对采集
的数据进行实时时域特征提取，得到关于缺陷的时域累加特征an＝{an,0、an,1、……an,199}和
信号幅值参数bn＝{bn,1、bn,2……bn,199}(n＝0,1)；
将an和bn中的数值分别与支持向量机训练得到的a、b进行对比，大于a、b的记为1，
小于的记为0，生成新的数组An＝{An,0、An,1、……An,199}和Bn＝{Bn,1、Bn,2……Bn,199}(n＝0,
1)；
对缺陷的时域累加特征和信号幅值按进行特征融合
得到C0、C1，对比缺陷特征K0和K1，若C0大于K0或C1大于K1，该贯流风叶存在注塑缺料缺陷；若
C0小于K0且C1小于K1，该贯流风叶无注塑缺料缺陷，并将识别结果传送到显示模块。
上述方案中，所述步骤S6的人机交互模块通过调整检测参数实现对不同型号的贯
流风叶缺陷检测，并可以进行统计数据的上报。
一种实现权利要求1所述基于激光传感器阵列的贯流风叶注塑缺料缺陷检测方法
的检测装置，包括激光发射阵列、激光传感器接收阵列、模拟信号处理电路模块、单片机信
息处理模块和电源模块；
所述激光发射阵列由激光发射器组成，用于发射两路同步脉冲激光信号，采用波
长650nm的激光发射器，工作电压3.3V；
所述激光传感器接收阵列由激光接收传感器组成，用于接收经贯流风叶调制的两
路脉冲激光信号；接收阵列采用IS0203接收器，激光照射时输出5V脉冲信号，无光线照射时
输出为0；
所述模拟信号处理电路模块由差分电路、电压匹配电路组成，用于将两路接收的
携带风叶状态信息的脉冲激光信号进行差分，所述差分电路为差分输入运算放大电路，运
算放大器采用OPA404集成运放，所述电压匹配电路将差分后的输出信号电压与A/D输入端
所需的信号电压进行匹配，由串联接地的两个电阻实现电压的钳制；
所述单片机信息处理模块与模拟信号处理电路模块电连接，由C8051F020单片机
核心板、MD050SD触摸屏和LED组成；单片机核心板包含的A/D转换模块采集两路信号生成的
两组数据，将信号的幅值特征和时域累加特征融合，根据融合特征是否符合经过支持向量
机训练得出的缺陷特征判断贯流风叶是否含有缺陷，单片机根据判断结果控制LED和触摸
屏显示检测结果，人机交互模块用于检测参数的调整和数据统计；
所述电源模块分别与激光发射阵列、激光传感器接收阵列、模拟信号处理电路模
块、单片机信息处理模块电连接，用于为提供所需的电源电压；电源模块能产生5V、3.3V、
2.5V直流电压信号，供电路各部分使用。
上述方案中，所述激光发射阵列和激光传感器接收阵列分别由两路激光发射器和
两路激光接收器组成，发射器发射波长为650nm激光光束，接收器型号为IS0203，接收波长
范围为400-1100nm；
发射阵列和接收阵列采用一发一收模式，共两组，其中每一组中的一路激光束位
于贯流风叶底端平面内，另一路激光光束位于贯流风叶中部截面内，两组发射光束指向相
反，一束由内向外发射，另一束则由外向内发射，发射和接收传感器由机械结构保证正对安
装。
上述方案中，所述模拟信号处理电路模块由差分电路、电压匹配电路组成；
所述差分电路采用OPA404运算放大器，电路结构为差分输入运算放大电路，将两
路接收的携带风叶状态信息的脉冲激光信号进行差分，得到两组差分信号，信号高电平为
5V，低电平为0；
所述电压匹配电路为电阻串联结构，将信号电压降低至约1V，实现与A/D的输入端
的信号匹配。
上述方案中，所述单片机信息处理模块以C8051F020单片机为核心，包含A/D转换
模块、LED和MD050SD触摸屏；
所述A/D转换模块同时采集两路数据，每路200组，每组50个，进行组内累加得到两
路信号的两组数据，将信号的幅值特征和时域累加特征融合，根据融合特征是否符合经过
支持向量机训练得出的缺陷特征判断贯流风叶是否含有缺陷；单片机根据判断结果控制
LED和触摸屏显示检测结果，人机交互模块用于检测参数的调整和数据统计。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于激光技术，主要用于贯流风叶
注塑缺料缺陷在线监测和诊断，适用于空调等送风设备的贯流风叶在加工生产过程中的缺
料缺陷实时监测，具有人机交互和检测结果显示功能，并且与其它贯流风叶注塑缺料缺陷
检测装置相比，提高了对小型缺陷的识别率和识别可靠性。
附图说明
图1为本发明中基于激光的贯流风叶注塑缺料缺陷检测装置组成图；
图2为本发明中被测贯流风叶示意图；
图3为本发明中圆柱形检测平台和传感器安装方式示意图；
图4为本发明中激光发射阵列安装示意图；
图5为本发明中激光传感器接收阵列安装示意图；
图6为本发明中激光信号产生电路和电压匹配电路图；
图7为本发明中信号处理电路图；
图8为本发明中总体电路图。
图中：1、叶片；2、圆环形底座；3、检测平台外壳；4、检测平台底座；5、检测平台中心
支架；6、激光传感器接收阵列；7、激光接收器；8、激光发射阵列；9、激光发射器；10、发射阵
列固定插片；11、激光发射器；12、接收阵列固定插片；13、激光接收器定位框线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围
并不限于此。
图1所示为本发明所述基于激光传感器阵列的贯流风叶注塑缺料缺陷检测装置的
一种实施方式，所述基于激光传感器阵列的贯流风叶注塑缺料缺陷检测装置包括激光发射
阵列、激光传感器接收阵列、模拟信号处理电路模块、单片机信息处理模块和电源模块。其
中所述电源模块包括多路开关电源和降压稳压电路，通过电源模块，将220交流电压转换为
2.5V、3.3V、5V和±12V直流电压，用于传感器、单片机、运放、555定时器、减速电机、触摸屏
等器件的供电。
本装置检测的贯流风叶如图2所示，具有不同叶片间距、与叶轮中轴夹角不同的特
点。贯流风叶的叶片1焊接在圆环形底座2上。
本装置工作原理如下：
由NE555定时器为核心的激励信号产生电路生成350HZ脉冲信号，经过电压匹配电
路调整电压至3.3V，输入激光发射阵列。激光发射阵列发射两路350HZ脉冲激光束，经过被
测贯流风叶调制，被激光传感器接收阵列接收，产生两组共四路输出信号，其中贯流风叶由
电机驱动的托盘带动旋转，每次检测过程持续5秒。激光传感器接收阵列将光信号转化为电
压信号，输出信号类型是方波信号，高电平为5V，低电平为0。将两组信号分别输入对应的差
分电路中，得到两个差分信号。电压匹配电路将信号电压与单片机核心板的A/D转换模块进
行电压匹配，信号输出至AIN0和AIN1接口进行A/D转换。数据连续采集时间为5秒，此时贯流
风叶在旋转机构上正好旋转一周，保证对全部叶片的检测，每路信号分两百组，每组采集50
次，将50次采集到的数据取平均值得到数组a0和b0，进行累加得到数组a1和b1，每组各200个
数值，无缺陷的情况下所得数值应为0。将所得数据按从大到小顺序进行排序，从中提取缺
陷特征。根据时域上含有缺陷叶片经照射后输出为高电平，无缺陷为低电平的特点，含有高
电平的信号作为缺陷信号，即以幅值为缺陷特征，得到数组a0和a1。根据支持向量机训练得
到的缺陷特征，对比数组内的参数，生成新的数组A0和A1，包含200个数据，其中满足缺陷特
征的参数对应生成1，无缺陷的数据为0。根据含有缺陷叶片在检测过程中高电平延续时间
较长的特点，经过时域累加的数据会放大这一差异，因此将时域累加值作为缺陷特征，得到
数组b0和b1。对比判断条件，满足缺陷条件的生成数值1，不满足的生成0，得到新数组B0和
B1。由A0、A1、B0和B1通过公式计算得到数值C0和C1，若C0和C1均超
过10认为该贯流风叶含有注塑缺料缺陷，单片机控制红色LED亮，触摸屏显示不合格，不合
格数加1，总数加1；若C0或C1小于10，认为该贯流风叶无注塑缺料缺陷，单片机控制绿色LED
亮，触摸屏显示合格，合格数加1，总数加1。检测参数预设为四种不同规格的贯流风叶产品，
更改检测参数时点击设置，进入设置选项页面，点击参数，进入参数设置页面。页面显示1、
2、3、4共四个选项，点击对应型号，点击确定，更改检测参数并返回检测界面；点击取消，不
更改检测参数返回检测界面。
本装置的传感器布设示意图如图3所示，其中检测平台外壳3为圆柱形安装在检测
平台底座4上，检测平台中心支架5为圆柱形安装在检测平台外壳3内，检测平台中心支架5
和检测平台外壳3呈环形，检测平台中心支架5和检测平台外壳3的两侧分别设有对称的开
槽，激光传感器接收阵列6垂直安装在检测平台中心支架5的开槽内，激光传感器接收阵列6
上设有激光接收器7，激光发射阵列8垂直安装在检测平台外壳3的开槽内，激光发射器9安
装在激光发射阵列8上，激光接收器7和激光发射器9的位置对应。本实施例中激光发射阵列
和激光传感器接收阵列分别由两路激光发射器和两路激光接收器组成，一发一收，共两组；
其中每一组中的一路激光束位于贯流风叶底端平面内，另一路激光光束位于贯流风叶中部
截面内。两组发射光束指向相反，一束由内向外发射，另一束则由外向内发射。激光发射器
和接收传感器由机械结构保证正对安装。激光发射器工作电压为3.3V，两路激光束相互平
行，由图4所示为激光发射阵列安装示意图，可看出机械结构固定空间位置，其中发射阵列
固定插片10和激光发射器11位置相对应。接收器的工作电压5V，由图5所示激光传感器接收
阵列安装示意图，可以看出机械结构固定，其中激光接收器定位框线13从上至下设有两个
接收阵列固定插片12。
本装置采用的激光发射器激励信号产生电路和电压匹配电路如图6所示，采用
NE555芯片，产生350HZ方波信号，高电平为5V，电压匹配电路将脉冲信号与激光发射器所需
的发射信号匹配。
本装置采用的激光信号处理电路如图7所示，包括差分电路和电压匹配电路，用于
将两路接收的携带风叶状态信息的脉冲激光信号进行差分，并将差分后的输出信号电压与
A/D输入端所需的信号电压进行匹配。
本装置采用的单片机为C8051F020，该单片机与普通C51系列单片机兼容，增加外
部中断源和复位源，内部具有独立的时钟源，具有更多的扩展8位I/O口。本实施例中晶振为
22MHz。单片机的主要功能是采集检测数据、进行数据的时域特征提取和特征融合、根据决
策规则实现缺陷的实时识别、控制LED和触摸屏显示检测结果和通过触摸屏实现人机交互。
实例中将A/D转换的数据分成200组，每组50个数据。进行组内累加，得到200个累加和，按照
数值大小排序。从数据的时域分布情况中缺陷特征，根据决策规则判断被测贯流风叶是否
含有注塑缺料缺陷。完成检测过程后单片机控制触摸屏和LED显示检测结果。
本装置中检测结果显示模块包括MD050SD触摸屏和LED。本实施例中一次检测过程
结束后触摸屏上显示合格。同时，绿色LED亮，代表被测贯流风叶无注塑缺料缺陷。触摸屏显
示不合格，红色LED亮，代表被测贯流风叶存在注塑缺料缺陷；每次检测束后根据检测结果
统计合格数、不合格数和总数，在触摸屏中显示统计数据。
本装置的总体电路连接如图8所示。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一
个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说
明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以
理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，
它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更
均应包含在本发明的保护范围之内。