本實用新型涉及確定到輥上的材料的外表面的距離，以及更具體地，用于確定在分配或卷取輥上剩余的材料的量。

背景技術(shù)：

工業(yè)造紙廠、地毯倉庫、報紙印刷車間、紡織廠、以及其他工業(yè)環(huán)境在加工過程中使用分配或卷取材料片材(或幅材)的輥或卷軸。存在許多技術(shù)來追蹤在輥上剩余的材料并在必要時替換這些輥。不同的機械或電子傳感器裝置可以追蹤多少輥上的材料繞到輥上或者從輥上退繞，指示變化率并且確定在該輥是空的或滿的并且必須被替換之前的時間。

例如，隨著輥分配片材材料，一些裝置感測到減小的輥直徑并與幅材接合設(shè)備配合，其中一旦感測機構(gòu)確定需要新輥，則新輥被插到心軸上并且接合到舊片材中。輥直徑感測機構(gòu)還用在扭矩調(diào)節(jié)的張力控制系統(tǒng)中，其中所測量的輥直徑提供了對于加速和減速的慣性補償以及扭矩或張力設(shè)定點。例如，在速度調(diào)節(jié)的張力控制系統(tǒng)中，所測量的直徑用于調(diào)整驅(qū)動電機的速度環(huán)路增益和速度設(shè)定點的慣性計算。

機械壓帶滾輪是更簡單的張力控制系統(tǒng)，其中在樞轉(zhuǎn)從動臂上的壓帶滾輪與輥的外直徑接觸。在從動臂上的樞軸點安裝了傳感器。將從該傳感器測量的從動臂的角度轉(zhuǎn)換成輥直徑。該傳感器追蹤多少材料在輥上并且指示變化率并確定在該輥是空的之前的時間。雖然這些壓帶滾輪系統(tǒng)是簡單的，但該滾輪必須與在輥上的材料的表面接觸，這在工業(yè)環(huán)境中因為打滑和不精確的直徑讀數(shù)可能是一個問題。此外，機械系統(tǒng)在苛刻的工業(yè)環(huán)境中幾乎每天要求大量的維 護。

超聲波傳感器已經(jīng)被用于測量輥直徑。該系統(tǒng)確定在輥上的材料的變化率和該輥變滿或空或滿并且必須被替換之前的時間。然而，超聲波傳感器在一些工業(yè)環(huán)境中不是有利的，因為在輥上的材料片材可能吸收聲波并給出不精確的測量值。

其他系統(tǒng)使用激光器發(fā)射6毫米(mm)寬光束(可見紅光)，該光束從輥上彈回并且將其一些光散射通過傳感器的接收透鏡進入光電二極管。傳送電脈沖與接收電脈沖之間的時間間隔用于使用光速和飛行時間計算來計算到輥的距離。這些可見紅光激光器系統(tǒng)使用特殊的擴散模式傳感器，因為該激光是具有約6毫米寬光束的可見紅光，以確保在輥上的寬表面被照射。雖然這些系統(tǒng)可以使用飛行時間計算在清潔的工業(yè)環(huán)境中良好地運行，但具有可見紅光的寬直徑光束可能需要在苛刻的工業(yè)環(huán)境中可能不適當(dāng)?shù)奶厥獾臄U射模式傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型解決的技術(shù)問題在于如何在工業(yè)環(huán)境中追蹤在輥上剩余的材料并在必要時替換這些輥。

根據(jù)本公開的一個方面，公開了一種用于感測輥上的材料的外表面的感測裝置。所述感測裝置包括：紅外激光源，所述紅外激光源被配置成用于將紅外激光輻射引導(dǎo)至所述輥上的材料的所述外表面；單光子雪崩二極管檢測器，所述單光子雪崩二極管檢測器被配置成用于接收來自所述輥上的材料的所述外表面的反射紅外激光輻射；以及控制器，所述控制器被耦合至所述紅外激光源和所述單光子雪崩二極管檢測器以基于所述紅外激光輻射的飛行時間確定到所述輥上的材料的所述外表面的距離。

在一個實施例中，所述單光子雪崩二極管檢測器包括單光子雪崩二極管陣列。

在一個實施例中，所述紅外激光源、所述單光子雪崩二極管檢 測器和所述控制器形成為單個集成電路。

在一個實施例中，所述紅外激光源具有在800至900納米范圍內(nèi)的工作波長。

在一個實施例中，所述紅外激光源包括垂直腔表面發(fā)射激光器。

在一個實施例中，所述控制器被配置成用于確定在所述輥上的材料的量。

在一個實施例中，所述感測裝置進一步包括至少一個指示器；并且所述控制器被配置成用于基于所確定的在所述輥上的材料的量操作所述至少一個指示器。

在一個實施例中，所述輥是分配輥；并且所述控制器被配置成用于確定來自所述分配輥的材料的進料速率。

在一個實施例中，所述感測裝置進一步包括至少一個指示器；并且所述控制器被配置成用于基于所確定的來自所述分配輥的材料的進料速率操作所述至少一個指示器。

在一個實施例中，所述輥是卷取輥；并且所述控制器被配置成用于確定材料到所述卷取輥上的卷取速率。

在一個實施例中，所述感測裝置進一步包括至少一個指示器；并且所述控制器被配置成用于基于所確定的材料在所述卷取輥上的卷取速率操作所述至少一個指示器。

根據(jù)本公開的另一方面，公開了一種用于感測輥上的材料的外表面的感測裝置。所述感測裝置包括：紅外激光源，所述紅外激光源被配置成用于將紅外激光輻射引導(dǎo)至所述輥上的材料的所述外表面，所述紅外激光源包括垂直腔表面發(fā)射激光器；單光子雪崩二極管檢測器，所述單光子雪崩二極管檢測器被配置成用于接收來自所述輥上的材料的所述外表面的反射紅外激光輻射，所述單光子雪崩二極管檢測器包括單光子雪崩二極管陣列；以及控制器，所述控制器被耦合至所述紅外激光源和所述單光子雪崩二極管檢測器以基于所述紅外激光輻射的飛行時間確定到所述輥上的材料的所述外表面的距離。

在一個實施例中，所述紅外激光源、所述單光子雪崩二極管檢測器和所述控制器形成為單個集成電路。

在一個實施例中，所述紅外激光源具有在800至900納米范圍內(nèi)的工作波長。

在一個實施例中，所述控制器被配置成用于確定在所述輥上的材料的量。

在一個實施例中，所述輥是分配輥；并且所述控制器被配置成用于確定來自所述分配輥的材料的進料速率。

在一個實施例中，所述輥是卷取輥；并且所述控制器被配置成用于確定材料到所述卷取輥上的卷取速率。

在一個實施例中，所述感測裝置進一步包括耦合至所述控制器的至少一個指示器。

本實用新型的技術(shù)效果是根據(jù)本公開的感測裝置可以在各種嚴(yán)苛的環(huán)境中進行穩(wěn)定、精確地工作且不需要大量維護成本。

附圖說明

圖1是片材加工設(shè)備的透視圖并且顯示了根據(jù)非限制性實例用于感測輥上的材料的外表面以確定它的直徑的感測裝置。

圖2是根據(jù)非限制性實例的感測裝置的基本組件的框圖。

圖3是根據(jù)非限制性實例如圖2所示的感測裝置的更詳細(xì)的框圖。

具體實施方式

現(xiàn)將參照附圖在下文中更為全面地描述本實用新型，在附圖中顯示了本實用新型的優(yōu)選實施例。然而，本實用新型可以用許多不同的形式體現(xiàn)，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為限于在此所列出的實施例。相反，提供這些實施例以使得本披露將是全面和完整的，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全傳達本實用新型的范圍。貫穿全文相同的數(shù)字指代相同的元件。

圖1是總體上在10處示出的片材加工設(shè)備的透視圖，該片材加工設(shè)備包括支撐輥上的材料16的可旋轉(zhuǎn)地安裝在機器框架14上的輥心軸12，該輥心軸被可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動以卷取(卷繞)或分配(退繞)輥上的材料16。雖然圖1示出了一般工業(yè)環(huán)境，但可以使用和加工不同的材料，例如，在工業(yè)造紙廠、地毯倉庫、報紙印刷車間、紡織廠、或其中將材料片材卷取或分配到輥和卷軸上的其他應(yīng)用中。在此實例中，保持輥上的材料的該心軸被連接至張力或卷繞電機20，該電機施加反張力(如果材料片材被退繞(或分配))或施加卷繞力用于卷取位于固定在心軸12上的輥筒上的材料片材。

該片材被進料到空轉(zhuǎn)輥22上并且可以已經(jīng)被預(yù)先加工或?qū)⒈患庸ぶT如像在化學(xué)浴24中。在片材遞送過程中要求大量反張力控制的高速幅材遞送系統(tǒng)的情況下可以使用松緊調(diào)節(jié)輥組件。

圖1是一般工業(yè)環(huán)境的代表實例并且總體上在30處示出的感測裝置可用于感測許多不同輥上的材料的外表面。本說明書是如本領(lǐng)域技術(shù)人員建議的許多不同過程的實例。如所示，感測裝置30被安裝在支撐架31上并且感測輥上的材料16的外表面。

如圖2的高級框圖中所示，感測裝置30包括被配置成用于將IR激光輻射引導(dǎo)至輥上的材料16的外表面的紅外(IR)激光源32。單光子雪崩二極管(SPAD)檢測器34被配置成用于接收來自輥上的材料的外表面的IR激光輻射?？刂破?6被耦合至IR激光源32和SPAD檢測器34并且基于IR激光輻射的飛行時間計算確定到該輥上的材料的外表面的距離。在一個實例中，激光源32、SPAD檢測器34和控制器36形成為單個集成電路(IC)。示例電路是由意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)制造的VL6180X模塊。

控制器36可以確定在輥上剩余的材料的量。例如，基于使用飛行時間計算測量距輥上的材料16的距離，確定了從該輥卷取或分配的材料的量并且確定了在該輥上剩余的材料的量。根據(jù)該信息，控制器36可以基于所確定的在該輥上剩余的材料的量操作指示器38(圖1)諸如警報器或顯示器，以向機器操作員指示該輥必須被更換。 在感測裝置30中的控制器36是用主機器控制器40可操作的以控制不同的卷繞和張力電機、警報系統(tǒng)和顯示器38、以及將材料接合到現(xiàn)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軸12之上的新筒的任何系統(tǒng)(未示出)。

例如，當(dāng)該輥是分配輥時，控制器36被配置成用于確定材料的進料速率并且該控制器基于來自該分配輥的材料的預(yù)定進料速率操作至少一個指示器38諸如警鈴。當(dāng)輥上的材料已被完全分配時，可以插入新輥。當(dāng)該輥是卷取輥時，控制器36被配置成用于確定材料到該卷取輥上的卷取速率并且該控制器被配置成用于基于所確定的材料到該卷取輥上的卷取速率操作該至少一個指示器諸如警報器38。當(dāng)該輥是滿的時，可以插入新的卷取輥。

圖3是感測裝置30的更詳細(xì)框圖并且示出了形成為垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)元件50陣列的IR激光源32的細(xì)節(jié)。每個VCSEL元件50形成為發(fā)射垂直于表面的光并包括具有幾個納米(nm)厚度的有源層的半導(dǎo)體激光二極管。這些VCSEL元件50可以由不同的半導(dǎo)體加工技術(shù)形成并且包括不同的有源層。

大多數(shù)VCSEL元件共享通用配置。電載流子被轉(zhuǎn)換成有源層之上和之下的光。可能存在多層具有高反射率的交替的折射率諧振鏡以實現(xiàn)增益。在一個實例中諧振鏡形成為向有源層提供電接觸的摻雜半導(dǎo)體鏡，這些電接觸可由有源層附近的氧化層的寬度限定。它們可以在單一外延生長工藝中形成，其中半導(dǎo)體晶片處理步驟定義發(fā)射區(qū)域并提供電端子給形成VCSEL元件50的單獨的激光二極管。每個VCSEL元件50是垂直結(jié)構(gòu)并且可以將大量VCSEL元件作為激光二極管彼此相鄰放置為二維陣列并且單獨地或并聯(lián)連接。

該VCSEL陣列可以由數(shù)以千計較小的VCSEL元件50形成并且在GaAs晶片上制造，其中在這些單獨的元件之間的間距是約40um。在參考圖1的系統(tǒng)使用的實例中，激光源32具有在800-900納米范圍內(nèi)的工作波長，并且在具體實例中，850nm，但取決于工業(yè)應(yīng)用、如何使用紅外束、以及具有什么輥材料，可以擴展至高達1,300nm 或更高。

VCSEL元件50的單一且簡化的實例被示出并且包括具有開口54的金屬接觸52，通過該開口發(fā)射紅外束。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型襯底62和金屬接觸64被包括在內(nèi)。上和下布拉格反射器(DBR)56、60形成反射鏡并且平行于晶片表面并且具有一個或多個用于激光產(chǎn)生的量子阱。通常，這些布拉格反射鏡包括交替的高和低折射率以及在一個非限制性實例中激光波長的約四分之一的厚度以產(chǎn)生高反射率。這些反射鏡平衡了增益區(qū)域的短軸向長度。這些上和下布拉格反射鏡可以由P-型和N-型材料形成以形成二極管結(jié)，但在非限制性實例中在這些反射鏡之間可以嵌入其他N-型和P-型區(qū)域。GaAs襯底允許生長多個外延層。微處理器66連接到每個VCSEL元件50以提供電流控制以及在這些VCSEL元件50之間的任意類型的激光瞄準(zhǔn)和協(xié)調(diào)。

圖3示出了單光子雪崩二極管(SPAD)陣列，該陣列形成了“n”SPAD陣列，其中每個二極管形成與微處理器72連接的檢測器元件70。每個SPAD檢測器元件70是固態(tài)光檢測器，其中光生載流子可以引發(fā)雪崩電流以檢測低強度信號諸如單光子。微處理器72處理光子的信號到達時間，具有幾十皮秒的抖動。通常SPAD檢測器元件70包括反向偏置P-N結(jié)以檢測紅外輻射并且以類似于常規(guī)的蓋革計數(shù)器的“蓋革模式”用高于擊穿電壓的反向偏置電壓運行。取決于該感測裝置用于的工業(yè)應(yīng)用和在輥上卷繞的材料的類型，如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的可以使用不同的SPAD檢測元件70。可以使用不同的猝熄電路，包括被動和主動猝熄。實例披露在巴克斯特公司(Baxter)的美國專利號8,610,043和美國專利公開號2014/0124652中，將其披露內(nèi)容以其全文通過引用結(jié)合在此。

控制器36用微處理器66、72和不同的VCSEL元件50以及SPAD檢測元件70運行以基于IR激光輻射的飛行時間確定到輥上的材料的外表面的距離?？刂破?6確定在輥上剩余的材料的量并確定何時 輥必須被替換。隨著機器運行，不同的距離測量值被收集并被打上時間戳，并且隨時間的推移距離值增加或減少，并且材料的使用速率是時間對距離的梯度。此時間速率允許機器的使用者預(yù)測在該輥將被替換之前剩余的時間。該數(shù)據(jù)可以被進一步處理以收集運行速率統(tǒng)計并確認(rèn)在工廠未運行時材料未被移走。在許多小時或天的一段時間內(nèi)，可以設(shè)置終點并且監(jiān)測速率以允許更有效的生產(chǎn)過程。當(dāng)串聯(lián)使用諸如在圖1中示出的多個輥卷繞和分配單元時，可以實現(xiàn)工廠自動化并且建立更有效的運行。機器控制器40將與任意LED指示器、聲音或警報器交互操作以設(shè)置本地警報并允許在控制中心內(nèi)的集中監(jiān)控。

一種感測輥上的材料的外表面的方法包括使用紅外(IR)激光源將IR激光輻射引導(dǎo)至該輥上的材料的外表面。該方法還包括使用單光子雪崩二極管(SPAD)檢測器接收來自輥上的材料的外表面的反射IR激光輻射并且使用耦合至該IR激光源和該SPAD檢測器的控制器以基于IR激光輻射的飛行時間確定到輥上的材料的外表面的距離。

該方法包括使用控制器確定在輥上的材料的量。在一個實施例中，該輥是分配輥并且該方法包括使用控制器確定來自分配輥的材料的進料速率。在另一個實施例中，該輥是卷取輥并且該方法包括使用控制器確定材料到該卷取輥上的卷取速率。該方法還包括基于控制器操作至少一個指示器。

本實用新型的許多修改和其他實施例對于受益于前面的描述和相關(guān)附圖中呈現(xiàn)的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。因此，應(yīng)當(dāng)理解本實用新型不限于所披露的具體實施例，并且那些修改及實施例旨在被包括于所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。