孫衛(wèi)紅， 陳 宇， 邵鐵鋒， 梁 曼， 馬冠宇

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

生絲纖度是生絲品質(zhì)檢測(cè)的一項(xiàng)重要檢測(cè)指標(biāo)。目前生絲檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)生絲纖度的檢測(cè)多采用人工測(cè)量，其檢測(cè)過(guò)程為：纖度機(jī)繞取規(guī)定長(zhǎng)度生絲，搖絲機(jī)將定長(zhǎng)生絲制成小絲，采用ZSX98型生絲纖度儀直接對(duì)小絲稱(chēng)量，最后打印出生絲纖度數(shù)據(jù)。由于纖度機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快以及生絲自身打結(jié)等原因，生絲在被繞取過(guò)程中容易發(fā)生斷絲故障。生絲斷絲，導(dǎo)致纖度機(jī)繞取該組生絲樣品被判為無(wú)效。目前采用增加繞絲樣品組數(shù)方法解決生絲斷絲故障問(wèn)題，但檢測(cè)效率低，迫切需要設(shè)計(jì)一種生絲斷絲檢測(cè)傳感器，對(duì)生絲斷絲故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到生絲斷絲后，通過(guò)及時(shí)補(bǔ)絲操作以確保纖度機(jī)繞取生絲的長(zhǎng)度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也為生絲電子檢測(cè)解決了瓶頸問(wèn)題。

生絲斷絲檢測(cè)一直是國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重要課題，但針對(duì)生絲品質(zhì)檢測(cè)的研究相對(duì)較少。生絲斷絲檢測(cè)的主要難點(diǎn)是：生絲直徑很細(xì)，尺寸為幾十微米，不同規(guī)格的生絲直徑差異極小，很難區(qū)分[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生絲斷絲的檢測(cè)方法主要有光電檢測(cè)、電容式檢測(cè)、圖像檢測(cè)等[2]。光電檢測(cè)方法依據(jù)光電對(duì)射原理，對(duì)光電接收管接收的電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理[3-5]。文獻(xiàn)[6-7]利用光電檢測(cè)方法研制出SD-1型細(xì)度儀，通過(guò)比較2只光敏管之間的信號(hào)差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)生絲直徑的判斷。電容檢測(cè)依據(jù)的是電容轉(zhuǎn)換原理，由于生絲的介電系數(shù)大于空氣的介電系數(shù)，通過(guò)生絲斷絲前后引起的電容量的變化進(jìn)行檢測(cè)。烏斯特型條干均勻度儀通過(guò)應(yīng)用電容檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)生絲斷絲故障的檢測(cè)[8]。圖像檢測(cè)方法通過(guò)使用遠(yuǎn)心光路結(jié)合線陣CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器獲得生絲圖像，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理模塊，對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割、形態(tài)學(xué)等一系列處理，得到生絲纖度數(shù)據(jù)[9-10]。費(fèi)萬(wàn)春等[11]提出了一種依據(jù)CCD圖像傳感器對(duì)生絲截面積的檢測(cè)方法。

生絲直徑很細(xì)，斷絲前后的電流信號(hào)、電容信號(hào)或圖像信號(hào)差異不明顯，且易受外界干擾，不易采集，導(dǎo)致單片機(jī)對(duì)生絲斷絲信號(hào)的識(shí)別存在誤差。本文針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法存在的缺陷，依據(jù)光電對(duì)射原理，將光電發(fā)射管和光電接收管分別安裝在裝置水平位置兩端，生絲放置于發(fā)射管和接收管之間然后配合生絲斷絲間接測(cè)量機(jī)構(gòu)，通過(guò)比較接收管接收生絲斷絲前后的信號(hào)變化以實(shí)現(xiàn)對(duì)生絲斷絲故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1 傳感器檢測(cè)原理

本文提出的混合式生絲斷絲傳感器檢測(cè)原理如圖1所示。

1—指示燈； 2—軸； 3—軸承； 4—生絲； 5—過(guò)絲勾；6—光電發(fā)射管； 7—光電接收管； 8—裝置外殼。

生絲未發(fā)生斷絲故障時(shí)，過(guò)絲勾5和生絲4在纖度機(jī)繞卷機(jī)構(gòu)的拉力作用下同時(shí)被拉起，所處工作位置如圖1位置I所示。光電發(fā)射管6持續(xù)向外界發(fā)射出特定波長(zhǎng)的紅外光信號(hào)，光電接收管7接收紅外光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。微弱的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大、信號(hào)整形電路后，輸出供單片機(jī)AD采集端接收。單片機(jī)輸出高電平控制信號(hào)指示燈點(diǎn)亮，提示操作人員未發(fā)生斷絲故障。

生絲發(fā)生斷絲故障時(shí)，生絲4和過(guò)絲勾5所處工作位置如圖1位置II所示，過(guò)絲勾正好處于光電發(fā)射管6和光電接收管7的光電信號(hào)傳播路徑之間，阻礙光電接收管7對(duì)紅外光信號(hào)接收。接收的信號(hào)為零，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)也為零。單片機(jī)輸出低電平，信號(hào)控制指示燈熄滅，纖度機(jī)停機(jī)，并提示操作人員生絲發(fā)生斷絲故障，需立即采取相應(yīng)的生絲斷絲處理措施。圖2示出傳感器安裝實(shí)物圖。

圖2 傳感器安裝實(shí)物圖Fig.2 Physical map of sensor installation

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器機(jī)械部分包括生絲斷絲間接測(cè)量機(jī)構(gòu)和光電管安裝機(jī)構(gòu)。生絲和設(shè)計(jì)的過(guò)絲勾結(jié)構(gòu)構(gòu)成生絲斷絲的間接測(cè)量機(jī)構(gòu)，通過(guò)把對(duì)生絲斷絲故障的檢測(cè)間接轉(zhuǎn)換成過(guò)絲勾位置的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)斷絲故障信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。生絲繞取過(guò)程中，根據(jù)纖度機(jī)繞卷機(jī)構(gòu)是否能夠?qū)鞲衅髦械纳z斷絲間接測(cè)量機(jī)構(gòu)拉起來(lái)判斷生絲斷絲情況。設(shè)計(jì)的傳感器3-D模型圖如圖3所示。

圖3 傳感器三維模型圖Fig.3 3-D Model device of sensor

圖3中傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由外殼、軸、軸承、過(guò)絲勾等部件構(gòu)成。過(guò)絲勾安裝在軸上斜形安裝孔中，軸和軸承配合安裝在外殼上。過(guò)絲勾采用直徑為0.5 mm的鋼絲彎制2～3圈而成，本身具有一定自重和橫截面積。光電發(fā)射管和接收管分別安裝在外殼的水平安裝孔內(nèi)。傳感器在檢測(cè)生絲發(fā)生斷絲故障時(shí)，過(guò)絲勾在自身重力作用下下落，下落位置處于外殼水平安裝孔之間，正好阻擋光電接收管和光電發(fā)射管之間光信號(hào)的傳輸。傳感器檢測(cè)生絲未發(fā)生斷絲故障時(shí)，過(guò)絲勾和生絲由纖度機(jī)繞卷機(jī)構(gòu)提供的拉力拉起，光電接收管接收到光電發(fā)射管發(fā)射出的紅外光信號(hào)。傳感器將生絲和過(guò)絲勾作為一個(gè)整體，間接用過(guò)絲勾替代生絲作為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，解決了生絲由于直徑很細(xì)，斷絲前后信號(hào)變化不明顯的問(wèn)題。

2.2 傳感器電路系統(tǒng)

2.2.1系統(tǒng)整體信號(hào)分析

傳感器電路系統(tǒng)包括光電信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、信號(hào)放大模塊、信號(hào)整形模塊和單片機(jī)控制模塊。系統(tǒng)主要功能是完成對(duì)光電信號(hào)的發(fā)射、接收和處理。光電發(fā)射管發(fā)射紅外光信號(hào)，供光電接收管接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大，再經(jīng)比較器電路整形輸出供單片機(jī)AD采集端采集。系統(tǒng)信號(hào)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)信號(hào)圖Fig.4 Signal diagram of the system

圖4中系統(tǒng)由光電發(fā)射管發(fā)射出光信號(hào)經(jīng)光電接收管接收并轉(zhuǎn)換成弱電信號(hào)，弱電信號(hào)經(jīng)高精度運(yùn)算放大器放大和比較器處理后供單片機(jī)AD采集端采集。生絲發(fā)生斷絲故障時(shí)，過(guò)絲勾落下阻斷紅外光信號(hào)傳輸。光電接收管接收不到由光電發(fā)射管的輸出信號(hào)，導(dǎo)致單片機(jī)AD采集端采集的信號(hào)為低電平。單片機(jī)控制端輸出低電平信號(hào)，LED指示燈熄滅，提示生絲發(fā)生斷絲故障，纖度機(jī)停機(jī)。纖度機(jī)正常繞取生絲過(guò)程中，過(guò)絲勾被拉起，光電接收管接收發(fā)射管輸出的光信號(hào)。信號(hào)經(jīng)放大模塊、整型模塊處理后供單片機(jī)AD采集端采集。單片機(jī)控制端輸出高電平信號(hào)，LED指示燈點(diǎn)亮，提示生絲未發(fā)生斷絲故障。

2.2.2傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

傳感器硬件電路如圖5所示，由信號(hào)發(fā)射電路、信號(hào)接收電路、放大電路、整形電路、單片機(jī)模塊構(gòu)成。圖中標(biāo)號(hào)1～5分別對(duì)應(yīng)各個(gè)電路的輸入輸出信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)。

圖5 硬件電路設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design diagram of hardware circuit

1號(hào)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)為光電接收管D0接收光電發(fā)射管D1的輸出信號(hào)。采用5 V直流電壓源驅(qū)動(dòng)光電發(fā)射管D1向外界持續(xù)輸出紅外光信號(hào)，光電接收管D0接收紅外光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給信號(hào)放大電路。采用光電發(fā)射管和光電接收管能保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和持續(xù)性，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2號(hào)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)為OP07運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)，且為比較器LM393的輸入信號(hào)。光電接收管D0轉(zhuǎn)換成的弱電信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器OP07放大，使信號(hào)更易被識(shí)別，并提高了信號(hào)的抗干擾能力。

3號(hào)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)為比較器LM393的閾值電壓輸入信號(hào)。通過(guò)改變電阻R3和R4的電阻值來(lái)設(shè)置合適的閾值并與放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，該閾值設(shè)定范圍為2號(hào)檢測(cè)點(diǎn)生絲斷絲和未斷絲2種狀態(tài)電壓信號(hào)值大小之間。

4號(hào)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)為比較器LM393經(jīng)比較后的輸出信號(hào)，且為單片機(jī)采集端的輸入信號(hào)。比較器正向輸入信號(hào)大于反向輸入信號(hào)時(shí)，輸出高電平，反之比較器輸出低電平。

5號(hào)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)為單片機(jī)的輸出控制信號(hào)以及與上位機(jī)通信的串口信號(hào)。一方面，單片機(jī)通過(guò)輸出高低電平控制LED燈D3亮滅和纖度機(jī)啟停，實(shí)現(xiàn)對(duì)生絲是否發(fā)生斷絲的檢測(cè)。生絲未發(fā)生斷絲故障時(shí)，單片機(jī)輸出高電平，控制LED燈D3持續(xù)點(diǎn)亮；生絲發(fā)生斷絲故障時(shí)，單片機(jī)輸出低電平，控制LED燈D3熄滅和纖度機(jī)停機(jī)，提示絲線發(fā)生斷絲故障。另一方面，單片通過(guò)串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)生絲斷絲檢測(cè)的遠(yuǎn)程控制。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

傳感器安裝在QDJ920-II型生絲纖度機(jī)上，纖度機(jī)繞取22.222 2～24.444 4 dtex(20～22 D)生絲200組(每組100圈)，用于對(duì)生絲纖度的檢測(cè)。纖度機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為300 r/min，并且用示波器對(duì)圖5中的1～5檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。生絲斷絲傳感器采用光電二極管型號(hào)分別為SFH213FA(光電接收管)和SFH4554(光電發(fā)射管)，生絲斷絲傳感器工作電源為5 V直流電源。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)點(diǎn)1的信號(hào)變化如圖6所示。圖中4～5 s時(shí)間段電壓值發(fā)生跳變，表示傳感器檢測(cè)出生絲發(fā)生斷絲故障。傳感器正常運(yùn)行電壓值為0.11 V，而生絲發(fā)生斷絲故障時(shí)過(guò)絲勾下落，此時(shí)檢測(cè)點(diǎn)1的電壓值變?yōu)?.76 V。

圖6 光電接收管接收信號(hào)變化圖Fig.6 Variation diagram of received signal by photoelectric diode

檢測(cè)點(diǎn)2的信號(hào)變化如圖7所示。該信號(hào)是經(jīng)OP07運(yùn)算放大器放大后的輸出信號(hào)，圖中4～5 s時(shí)間段生絲發(fā)生斷絲故障，其電壓值下降為1.22 V。其他時(shí)間段生絲未發(fā)生故障，電壓值為2.2 V。

圖7 運(yùn)算放大器輸出信號(hào)變化圖Fig.7 Variation diagram of output signal by operational amplifier

檢測(cè)點(diǎn)3的信號(hào)變化如圖8所示。該信號(hào)為比較器LM393閾值電壓信號(hào)，是通過(guò)電阻R3和R4串聯(lián)分壓得到。電壓值是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R3、R4阻值得到，本文實(shí)驗(yàn)中電壓值設(shè)為1.52 V，閾值電壓范圍設(shè)為1.3～2 V。

圖8 比較器閾值信號(hào)變化圖Fig.8 Variation diagram of threshold signal of comparator

檢測(cè)點(diǎn)4的信號(hào)變化如圖9所示。該信號(hào)為比較器LM393輸出信號(hào)，經(jīng)比較LM393正反輸入端信號(hào)電壓值后得出。圖中4～5 s時(shí)間段的電壓電平跳變表示發(fā)生斷絲故障，運(yùn)算放大器輸出信號(hào)電壓值小于比較器閾值電壓，比較器輸出高電平3.3 V電壓。其他時(shí)間段生絲未發(fā)生斷絲，運(yùn)算放大器輸出信號(hào)電壓值大于閾值，比較器輸出低電平電壓。

圖9 比較器LM393輸出信號(hào)變化圖Fig.9 Variation diagram of output signal by comparator LM393

檢測(cè)點(diǎn)5的信號(hào)變化如圖10所示。

圖10 單片機(jī)輸出的控制信號(hào)變化圖Fig.10 Variation diagram of control signal by SCM

該信號(hào)為單片機(jī)采集比較器輸出信號(hào)后輸出的控制信號(hào)。生絲未發(fā)生斷絲，單片機(jī)輸出高電平，LED指示燈點(diǎn)亮。圖中4～5 s時(shí)間段電平的變化表示生絲發(fā)生斷絲故障，單片機(jī)輸出低電平控制信號(hào)，LED指示燈熄滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用光電對(duì)射原理，光電接收管接收光電發(fā)射管發(fā)射的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)生絲斷絲間接測(cè)量機(jī)構(gòu)，將生絲斷絲前后光電接收管接收到的信號(hào)差異進(jìn)行放大后供信號(hào)處理電路處理和單片機(jī)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)生絲斷絲的準(zhǔn)確檢測(cè)。傳感器對(duì)外提供了串口接口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)生絲斷絲檢測(cè)的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)顯示功能，進(jìn)一步擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用范圍。結(jié)果表明，傳感器運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)生絲發(fā)生斷絲時(shí)可在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出生絲斷絲故障并及時(shí)提醒操作人員處理。該傳感器對(duì)生絲斷絲檢測(cè)具有較高檢測(cè)精度和靈敏度，在紡織領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值。