LED在制造業自動化檢驗中的應用分析

劉 兆

（江西乾照光電有限公司，南昌 330103）

0 引言

制造業是直接體現一個國家生產力水平的重要衡量標準，也是區別發展中國家和發達國家的重要因素。同時，制造業在每個國家的國民經濟中都占有重要份額，因此制造業重要性不容忽視。而在制造業中，自動化檢驗技術既節約了大量的人力物力，又直接決定著制造速度和制造產品的質量。在傳統的自動化檢驗工序中，多采用紅外自動檢測裝置，紅外自動檢測的優勢是產品成本低、價格便宜。但是采用紅外檢測技術的產品必須要有方向性，紅外發射器必須對準接收器，并且中間不能有阻擋物。而且測量的距離一般不超過7米、容易受到一些電磁波或相干光束的干擾。而LED技術除了擁有紅外檢驗技術的一系列優點外，還擁有耗電量低、使用壽命長、高亮度和辨別度、低熱量、不受其他光源和電信號影響等優勢。因此，LED技術在制造業自動化檢驗過程中的應用具有十分重要的研究意義。

1 優化制造業自動化檢驗的準確性

制造業自動化檢驗技術的最重要衡量標準就是檢驗產品的準確性，通過對比分析傳統紅外檢驗技術和LED技術的優缺點，才能提高自動化檢驗的準確性，進而提高產品制造的效率。

傳統紅外自動檢驗裝置主要構成有紅外發生裝置（紅外輻射源、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光窗口）、紅外探測器、紅外信號接收器（紅外傳感器）和信息處理系統等裝置組成[1]。紅外發生裝置是整個自動化檢驗過程中最為重要的組成部分，也是紅外檢驗信息的獲取和反饋檢驗信息操作的主要位置。紅外輻射源是指以發射紅外輻射為主的輻射體，紅外輻射源有許多不同的種類。在傳統制造業所采用的紅外輻射源一般采用能斯脫燈絲。這種燈絲采用鋯、釔和釷的氧化物燒結成而成，呈空心細棒，長約25毫米，直徑約2毫米，引出電極為鉑絲[2]。常溫時阻值很高，具有負電阻溫度系數。使用時先加溫至幾百度，然后通電點亮，由高壓電能維持其溫度，并由鎮流器限制其加熱電流過大而引起燒損。

為此應用LED技術，進行制造業自動化檢驗，LED檢驗儀組成，主要由直接檢驗光源（LED燈）、光色電參數綜合測試儀、光纖、光譜分析儀等。LED自動化檢驗裝置的主要組成部分是LED燈，LED又稱為發光二極管。在制造業中主要應用的LED種類有：普通單色發光二極管和高亮度單色發光二極管。普通單色發光二極管具有體積小、工作電壓較低、工作電流小、發光均勻穩定、響應速度快、壽命長等優點，并且可用于各種直流、交流、脈沖等電源進行驅動和點亮。這種二極管屬于電流控制型的半導體器件，使用時需串聯一個合適的限流電阻。通常，高亮度單色發光二極管使用砷鋁化鎵等材料制成，主要構造如圖1所示。

LED技術的工作原理是，LED自動檢驗儀主要基于LED的工作原理，在制造業的產品檢驗階段發揮識別作用，在組裝有LED的自動化檢驗設備中，通過對標準品的LED的顏色和亮度進行一次學習，并讀取一個相對值作為標準值，并設置標準值的上下限，然后產品在流水線上采用LED進行批量讀取，將待測產品的相對值與標準值進行比對，從而判斷良品和不良品，有效地保證測試測精度。與傳統紅外線自動化檢驗裝置不同，傳統紅外線自動化檢驗裝置是依靠探測產品發射的紅外線來進行工作的。

圖1 發光二極管構造圖

首先，紅外探測器能夠對產品的紅外輻射進行收集并將紅外信息聚集到紅外傳感器上。而紅外傳感器一般使用熱釋電元件進行信號收集，這種元件在接收了紅外輻射信號后，若信號發生變化，傳感器就會向外釋放電荷，檢測處理后對不符合要求的產品進行記錄并報警。由于要檢測到大多數商品的紅外輻射，所以輻射敏感元件對波長為10μm左右的紅外輻射非常敏感。最后由信息處理系統上傳產品制造數據給操作人員，由相關人員對檢驗產品進行處理。

傳統紅外自動檢驗裝置的優勢在于，紅外檢驗過程中設備本身不發生任何輻射，并且器件相對與其他裝置較小，具有良好的隱蔽性。由于紅外裝置價格低廉，所以其廣泛應用于制造業自動化檢驗中[3]。但是由于紅外裝置的一些缺點，使得傳統紅外自動檢驗裝置的準確性相對較低。紅外裝置容易受到各種熱源、射頻輻射以及強光源的干擾。同時，由于紅外線的穿透力較差，較厚的產品的紅外輻射容易被遮擋，信號不易被紅外探測器接收；其次，當工作環境與產品的溫度相近時，紅外檢驗的靈敏度明顯降低，甚至嚴重時會造成短時失靈。

LED技術的優點具有，工作電壓很低（有的不超過1伏）、工作電流很小、抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長等優點，并且通過調制電流強弱可以方便地調制發光的強弱。此外，LED自動化檢驗設備還具有傳統紅外檢驗設備無法實現的功能。

在發光效率和光通量方面，由于LED的低電壓、強發光的特性，不僅使得LED耗能極低，達到了綠色環保的目的，還使得LED的發光效率比傳統紅外及其他光源發光效率高出5倍～20倍，并且光通量是普通光源的10倍～25倍[4]；其次，在發光強度和光強分布方面，由于LED在不同的空間角度發出的光強差別很大，所以光強在空間里的分布是無規律性的，但是光強在一特定方向或范圍內是極強的，能夠清晰地進行收集和觀測。在產品自動化檢驗過程中，由于需要透過產品的光通量較大，因此這一方向的光強較大，探測器能夠快速清晰而準確地接收光強信號，從而做出判斷；在波長方面，LED的光譜上較寬的波段決定了LED擁有多種顏色，因此，根據不同質量樣品的光通量不同和反射波段的不同，可以采用不同顏色的LED，能夠做到更高的產品優良辨別率和缺陷的精準定位。

2 改進自動檢驗的直線性測量方式

LED自動化檢驗裝置實際上相當于一個光學測量系統，它能夠實現快速和自動測試不同種類產品光通量的LED的顏色和亮度。每個LED檢驗儀能同時測量多達20種不同的顏色和強度的光源。并從光纖（POF）收集光信號，將光信號轉化為電信號后在數據分析處理系統中進行測量和分析。通過對LED檢驗技術的應用，以及對傳統的自動化檢驗的直線性測量方式的改進，使得LED技術在制造業自動化檢驗中發揮著不可替代的作用。應用LED的自動化檢驗技術主要優勢如下：

1）光強優勢：LED較傳統光電材料具有光強方面的優勢，根據LED光響應公式[5]：

式中，DS表示LED與接收器之間的距離，RS表示LED的響應程度，IS表示LED的光強度。由于LED較其他光源具有響應距離長的特點，在相同的接收距離下工作，會有較大的光強。因此，對于普通光源難以檢驗的產品，就需要依靠光強一致且極大的LED技術來進行檢驗。

其次，對于LED的光強空間來講，由于其發光面是圓蓋形狀的，光強空間分布是很特殊的，所以在不同的測量距離下，光強值會變化。根據光強與偏離距離平方成反比的關系式，即使固定了測量距離，但是由于接受器接受面曲率的不同，其不同位置的光強值也會變化。在LED頂端由于曲率最小，因此產生的光強最大，且光強方向保持一致。因此，為了提高測量精度，應該把測量距離和接受面積大小相對地固定。例如，若檢驗產品的距離采用316mm，信號接受器面積固定為10mm×10mm。在同一測量距離下，LED的光強較紅外信號更強，光強大約高出紅外信號10倍，且LED頂端一定范圍內光強一致性較好[6]。

2）準確性優勢：LED技術因為光譜波段范圍較大，因此在制造業自動化檢驗過程中可以根據波長差異來設置不同顏色的LED來進行檢驗。這樣的設計保證了自動化檢驗擁有良好的重復性和不同的顏色區別，使得產品的尺寸、形狀、以及缺陷能夠準確表現出來[7]。按照制造業產品的不同要求，LED技術還可以實現高度準確地反映產品在空間的整體布局，用不同的LED色彩對產品進行區域塊的劃分，確保缺陷和誤差區域的精確定位。同時，LED檢驗了產品最全面的光學特性，確保了數據的全面性和準確性。LED檢驗的主要參數如表1所示。

表1 LED檢驗范圍及參數

此外，信號的接收采用了1mm的光纖，以及串行的RS232、ICT和USB等多種數據接口，也保障了信號接收過程中不會丟失，確保數據的準確性[8]。

3）其他優勢：LED自動化檢驗較傳統紅外檢測還具有更多的優勢，如分析儀傳感器靈敏度可調節、適用大多數產品檢測中且有多個數據通道、閃光和PWN（脈寬調制）可進行實時測試、安裝方便、適合小空間使用等。

3 實例分析

為了驗證LED在制造業自動化檢驗中的優勢，我們通過對空調組裝及質檢的自動化流水線進行了實例的研究和分析。將LED自動化檢驗與紅外自動化檢驗技術進行對比實驗，采用相同的100臺空調機器，對成品機器的檢驗效率、檢驗精確度、合格率和缺陷等參數進行了對比，以驗證LED技術較傳統自動化檢驗技術的優勢和本文提出LED技術的正確性和可操作性。

對比實驗分為兩部分進行：首先，我們采用傳統紅外自動化檢驗裝置對100臺空調機進行產品質量檢驗，除去檢驗常規產品質量、缺陷、廢品率等常規數據外，還對紅外檢驗裝置的能耗、光通量、顯色性、使用電壓、響應速度等參數進行了觀察記錄；進行完紅外自動化檢驗過程后，在相同的流水線上對相同的100臺空調機進行LED自動化檢驗，檢測標準與檢驗參數與紅外檢驗時保持一致。我們得到的對比數據如表2所示。

通過得到的紅外檢驗與LED檢驗的兩組對比數據，我們可以發現：

對于產品檢驗質量方面，LED自動化檢驗要比紅外自動化檢驗更加準確，LED檢驗能夠檢測出紅外技術不能檢驗出的缺陷和問題，因此LED檢驗要比紅外檢驗的范圍更廣，準確度更高；而在產品檢驗過程中，紅外檢驗設備需要紅外發生器等設備需要的的能耗高、響應速度慢，成像主要以黑白色為主，同時由于光通量不穩定，所以成像上還存在色差。LED檢驗設備則表現出能耗降低達84%，響應速度大大提高，光通量穩定、無色差，且成像為彩色、無色差影響。這也驗證了LED檢驗技術的一系列優勢，證明LED在制造業自動化檢驗中具有良好的應用前景。

表2 紅外、LED檢驗對比實驗數據

4 結束語

通過研究LED技術相比傳統發光及紅外檢驗技術的優勢，我們對傳統的直線型、單一化的測量式自動化檢驗方式進行了分析，LED自動化檢驗技術能夠改善傳統檢驗的缺點，做到高效、快速、低能耗、高精度的產品檢驗。通過實例研究，我們可以發現LED技術較傳統檢驗方法，精確度大幅提高，能耗也有大幅降低，完全符合預期結果和分析?？梢灶A測，在未來的制造業自動化檢驗過程中，LED技術擁有極為廣闊的應用前景和發展空間。