光电式断纱检测系统的研制.pdf

电气与自动化秦浩杰等光电式断纱检测系统的研制第一作者简介:秦浩杰()男河南焦作人硕士研究生研究方向为微机电系统智能检测与控制.:./.光电式断纱检测系统的研制秦浩杰张昊周文聪刘小龙米心馨(南京航空航天大学 机电学院江苏 南京)摘 要:针对断纱检测装置存在纱线与装置摩擦造成纱线质量下降、增加飞羽、信号不稳定等问题基于光电检测原理结合机械和电路设计等方法设计一种准确度高、反应迅速的非接触式断纱检测系统 试验验证系统的断纱检测性能并且通过试验数据研究日光等环境光和红外发射管发射功率对断纱检测准确率的影响 实验证明:该系统实现了稳定准确识别纱线断纱的功能解决了接触式检测法带来的问题可满足大部分纺织工艺对纱线断纱检测的性能要求关键词:断纱检测光电式检测红外对管光电传感器中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言纱线因张力或摩擦力过大而发生断纱是纺织过程中最常见的问题之一 在发生断纱后如果不能及时有效地处理会造成整条生产线的停滞对纺纱设备造成严重损坏且需要人工找到断头并停止生产进行修复 这个过程严重降低了生产效率和纱线的成纱质量所以在纺纱过程中纺织器械实现断纱检测和自动夹纱的功能可极大地提高企业生产效率随着生活水平的提高高支棉纱因为其柔软、不易变形和棉结少的优点被越来越多的消费者青睐 如何实现高支纱线断纱信号的捕获和处理是当下热门研究方向现有的断纱检测分为非接触式检测和接触式检测 接触式断纱检测因为检测装置一般与被测纱线有直接接触不可避免地会产生摩擦等磨损从而对纱线质量产生影响所以在整个行业尤其在高支纱断纱检测上这种方式应用逐渐减少 非接触式断纱检测装置不与纱线有任何直接接触可以保证纱线不被装置磨损且非接触式检测应用的传感器装置可以十分方便地将纱线状态转换为电信号易于进行纱线生产的信息化管理和功能升级扩展 本文基于光电式检测原理运用新型传感器、信号采集和处理电路开发出一套准确度高、反应迅速的非接触式断纱检测系统 系统检测原理和方案光电式检测系统由三部分组成:发光源、光学系统、光接受体 发光源选择红外发射管光学系统分为两部分靠近发光源的为准直透镜靠近受光体的为滤光片(图)准直透镜将红外发射管发出的不规则光转换为平行光滤光片主要作用为滤除携带纱线信息红外信号以外的任何光信号 受光体选用光敏三极管30,EJ$330 xy图 光电式检测模型电气与自动化秦浩杰等光电式断纱检测系统的研制图 中设纱线的直径为 整个系统中光源被检测的面积为 为被检测面长度 为被检测面宽度那么易得 当检测系统中无纱线通过即断纱发生时红外发射管发射的红外光源没有经过任何遮挡与干扰全部被光敏三极管接收设此时光敏三极管接收的总光强量为 当正常走纱时检测系统中有纱线通过设待测纱线遮挡的面积为易得 设待测纱线实际遮挡红外光源信号光强量占遮挡面积内总光强量的比例系数为 当纱线正常走纱时将光敏三极管接收到的光强量记为 其表达式为()光敏三极管接收的光强量 与其输出转换电压 存在线性比例为 的线性关系则有()式中 为遮挡比例系数其值与纱线的材料和光源的穿透能力有关 当纱线材料较为透明或者光源穿透能力较强时遮挡比例系数会变小会降低断纱检测的灵敏度和准确性 光强电压转换系数 与光敏三极管的受体材质有关 光敏三极管接收总光强量和被检测面宽度 均为常数在实验中不会发生变化那么令()化简上式得()光强电压转换系数在不考虑光敏三极管长期使用磨损的理想情况下也为一定值那么光敏三极管输出电压与纱线直径存在反比例关系即()综上所述当检测区域中的纱线直径变大时纱线遮挡光信号增加光敏三极管接收的光量变少其输出电压降低当检测纱线直径变小时纱线遮挡光信号减小光敏三极管接收光量变多其输出电压升高基于上述光电式断纱检测的原理及可移植性强和方便功能扩展升级的设计理念设计如图 所示的光电式断纱检测系统 光电传感器采集纱线走纱状态并将其转换为电信号传入信号处理模块经过滤波放大处理的信号传输至微控制器微控制器根据断纱检测算法判断纱线状态如发生断纱则控制夹纱装置实现自动夹纱并发出警报*)3=4图 系统组成框图 非接触式张力监测系统设计.机械结构设计夹纱装置可实现夹住纱线断头和固定传感器的功能实现夹纱的原理为:传感器模块安装在走纱槽两侧(图、图)纱线从走纱槽进行走纱 当纱线正常走纱时红外发射管发出的红外线被纱线部分遮挡后被光敏三极管接收当纱线断纱时红外发射管发出的红外线被光敏三极管全部接收 在这两种状态下光敏三极管接收的光量存在差异故输出的电流信号也有较大不同信号采集试验见.节系统通过电信号的差异判断纱线状态如发生断纱则控制夹纱装置夹住纱线断头图 中夹纱片为磁性材料夹纱装置底座为非磁性材料两者表面粗糙度均为.B333=4B3333=43=4图 夹纱装置示意图=图 传感器模块安装位置示意图本系统实现夹纱的操作流程为:如图 所示在正常走纱时系统未检测到断纱信号此时电磁铁不通电没有磁性弹簧被拉伸产生 拉力拉起夹纱片纱线可正常走纱如图 所示当发生断纱时单片机控制电磁铁通电夹纱片为磁性材料电磁铁对夹纱片吸力为 此时弹簧被拉伸 产生 拉力电磁铁吸力大于弹簧拉力可紧紧吸住夹纱片夹住纱线断头 本系统整体结构如图 所示所有装置均安装在装置外壳内可有效保护传感器等部件提高系统稳定性.电路设计本系统在信号检测电路设计处采用二线制信号传输及供电方案 二线制信号传输方案采用电流传输来传输模拟量电信号 相比于电压传输电流传输模拟量电信号在长距离传输时可以极大地降低损耗提高传输精度 基于二线制信号传输方案围绕红外发射管和光敏三极管搭建信号检测电路如图 所示电气与自动化秦浩杰等光电式断纱检测系统的研制图 装置走纱状态示意图 图 装置夹纱状态示意图 1*,*-I3=4图 系统总体结构设计图GNDR2R1DATA/VCCC1Q1OPTR4R3D2图 信号采集电路 上级二线制信号采集电路获得的电流信号经过电阻升压转换后变为电压信号 电压信号后续需要进行运算放大等处理此处需要滤除整流输出电压中的低频波纹噪声有效地阻止了低频信号被放大 设计如图 所示滤波器 其中、为分压电阻为断纱检测模块提高合适的工作电压运算放大器 与反馈电阻、电阻、电阻 和电容 组成高通滤波器R5R6R9R10C10U2B657OUTPUT1R11VREFGNDDATAVCC1C8图 滤波电路原理图经过上级滤波电路接下来对信号进行放大处理 如图 所示 为电容目的是去除上级耦合来自 参考电压的直流信号 电容主要作用为防止振荡和抑制高频噪声电阻、电阻 和运算放大器 组成反相放大电路C13C14R13VCC1OUTPUT 1U2AR14R15213411VREFINPUT1图 信号放大电路原理图 试验.信号采集试验用示波器提取红外光电检测电路在红外对管与光敏三极管之间无任何物体遮挡和红外发射管发射的红外线被完全遮挡两种情况下的信号波形 当完全断纱时检测模块输出电压较为稳定输出为较高电平信号当红外发射管被黑色纸板完全遮挡时输出为较低电平信号上述两种情况具体电平信号如图 所示1.751.250.750.25-0.2510 20 30 40 506070 80 90/ms/V图 电平信号对比图.断纱检测试验在整经机样机上搭建断纱检测系统整经机样机可以设置纱线张力与轴向行进速度本文试验均设置纱线张力为 纱线轴向行进速度为/)不同直径纱线信号检测试验本次试验分为两大组一组试验在无可见光环境中进行一组试验在 日光灯照射下进行试验对象为 种不同支数的白色棉纱分别为 英支、英支、英支、英支、英支、英支、英支、英支 英支是表示纱线粗细的常用单位纱线支数越大其直径越小其与直径的换算关系如表 所示表 棉纱支数与直径换算表支数/英支 直径/.红外发射管功率为/试验温湿度、每种纱线记录 组信号并取平均值试验数据见表 和表 电气与自动化秦浩杰等光电式断纱检测系统的研制表 无可见光环境下各英支纱线信号值纱线支数/英支走纱信号/断纱信号/.表 日光灯照射下各英支纱线信号值纱线支数/英支走纱信号/断纱信号/.由表、表 可知两组环境下断纱电压平均值均为.因传感器输出信号与纱线的遮挡面积即纱线直径相关故本文后续绘图均将英支换算为直径进行 绘制无可见光和 日光灯照射两组环境各直径纱线走纱信号平均值及误差线如图 所示1.31.21.11.00.90.8/V/mm40 W00.050.100.150.200.250.300.35图 两种环境下各直径纱线走纱信号平均值及误差线由图 可以看出纱线信号在无可见光环境与 日光灯照射下信号走势图几乎重合差异较小 推测出现这种情况的原因在于日光灯以及日常可见光波长范围为而本系统光敏三极管对光线感应波长范围为 故光敏三极管不会对环境光产生反应本文后续试验均在日常可见光环境下进行 另外由图 可以看出系统可以准确地检测 英支、英支、英支、英支、英支、英支、英支纱线的走纱电压且检测信号电压值随着直径增大而降低与前文探究光电检测原理中光敏三极管输出电压与光路遮挡面积成反比例的结论相吻合 除了直径为.(英支)纱线其余 种纱线走纱电压与断纱电压有较为明显的差值系统可以较为快速、准确地通过信号判断纱线是否发生断纱 而当纱线直径为.时检测模块的输出信号与断纱信号过于相近较难准确地判断此规格纱线的断纱)发射功率对纱线检测信号影响试验红外发射管发射功率与发射距离和穿透能力成正相关发射功率越大的红外发射管其发射距离和穿透能力也越强 在之前实验中发现发射功率/的发射管无法准确地检测.(英支)白色棉纱的断纱情况这可能与部分红外线穿透细纱被光敏三极管接收有关故设计试验不同发射功率发射管检测模块对 英支棉纱的走纱信号检测情况 接下来试验 种发射功率不同的二极管发射功率依次减小分别为./、./、./这 种发射管除发射功率外其他参数均相同试验条件与上小节相同每组试验取 次测量值 发射功率./的试验数据与表 相同发射功率./试验数据见表 发射功率./见表 表 发射功率./时 英支纱线信号值序号走纱信号/断纱信号/.表 发射功率./时 英支纱线信号值序号走纱信号/断纱信号/.由图 可知当发射管发射功率为./时系统无法检测 英支纱线的断纱信号为了探究系统发射电气与自动化秦浩杰等光电式断纱检测系统的研制功率为./和./时对 英支纱线的断纱信号检测情况绘制 纱线在不同发射功率下走纱信号与断纱信号的平均值及误差线如图 所示1.281.261.241.221.201.181.162.53.55.0(/(mW/sr)3B3*/V图 不同发射功率纱线走纱与断纱信号平均值及误差线由图 直观可知纱线的断纱信号电压随着发射功率的增大而增大断纱信号与走纱信号的差值随着发射功率增大而降低 发射功率为./时系统可以准确检测 英支(.)纱线断纱 结语基于光电式检测原理通过机械、电路、软件设计完成了一种光电式断纱检测系统 系统可以精准识别支数小于 英支纱线断纱情况并通过试验验证日光等环境光不会对检测信号产生影响 对于 英支纱线可以通过降低发射管发射功率来提高检测准确率后期将试验纱线颜色、对管安装距离等因素对检测信号的影响完善针对不同纱线断纱检测的红外对管选型建议参考文献:王庆东夏港东秦浩杰等.基于 的电磁式磁滞张力器仿真分析.机械制造与自动化():.熊秋元高晓平.纱线张力检测与控制技术的研究现状与展望.棉纺织技术():.何奕中聂建斌.精纺高支轻薄面料综合性能分析.毛纺科技():.吴震宇陈琳荣李子军等.接触式纱线张力传感器动态测量模型.纺织学报():.任尧袁嫣红向忠.非接触式断纱检测系统设计.浙江理工大学学报(自然科学版)():.():.赵晓东贾孔昊邹洪波等.一种自适应光电式电子清纱器:中国.收稿日期:(上接第 页)为 电流信号峰峰值为.换算后得到的电流实际波动为.利用本实验室的数据采集系统可以采集转子从 /整个升速过程中的振动量 图 为两种控制算法下的转子同频振动曲线当转子转速达到约 /时两种控制算法下的转子振动幅值均达到最大其中采用普通 控制转子最大振动峰峰值为 采用 神经网络 控制转子振动峰峰值为 试验结果表明 神经网络 控制明显改善转子的振动情况使磁悬浮系统具有更好的动态性能48423630241812602 0004 0006 0008 000/(r/min)PIDBPPID/m10 00012 000图 两种控制算法下的转子同频振动曲线 结语针对普通 控制算法难以解决磁悬浮系统非线性的问题设计了 神经网络 控制算法 仿真与试验结果表明 神经网络 控制算法能够显著改善磁悬浮系统的静动态性能其超调量更小、调节时间更短、转子振动量更小而且能够自适应地调整 控制参数从而使系统具有自学习能力参考文献:胡业发周祖德江征风.磁力轴承的基础理论与应用.北京:机械工业出版社.:.郭凯旋徐龙祥.基于 的磁悬浮轴承数字控制器的研究与设计.机械制造与自动化():.杨静李旗张华容.单自由度主控式磁悬浮系统分析.西安理工大学学报():./.:.曹广忠.磁悬浮系统控制算法及实现.北京:清华大学出版社.聂文都蔡锦凡.基于人工神经网络的二分类方法.现代计算机():.收稿日期: