反射式光電法紗線檢測(cè)中信號(hào)影響因素分析

張易+馬衛(wèi)紅

摘要： 現(xiàn)今紡織業(yè)中機(jī)器紡織速度越來越快，傳統(tǒng)的人眼識(shí)別速度已經(jīng)不能滿足紗線缺陷在線檢測(cè)的需求，因而在紡織業(yè)中推進(jìn)自動(dòng)化檢測(cè)變得尤為重要。針對(duì)紗線自動(dòng)化在線檢測(cè)中紗線疵點(diǎn)信號(hào)判別的需要，利用反射式光電檢測(cè)原理通過搭建檢測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)紗線表面疵點(diǎn)進(jìn)行采樣并對(duì)采樣樣本特征進(jìn)行分析。通過分析采樣樣本中疵點(diǎn)不同軸向尺寸、徑向尺寸及灰度差異特征對(duì)輸出產(chǎn)生的影響，為紗線疵點(diǎn)在線檢測(cè)信號(hào)判斷提供依據(jù)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)疵點(diǎn)軸向尺寸與采樣樣本響應(yīng)時(shí)間呈線性關(guān)系，疵點(diǎn)徑向尺寸及灰度差異與采樣樣本響應(yīng)電壓峰值呈線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 紗線檢測(cè)； 光電技術(shù)； 檢測(cè)方法； 信號(hào)特征

中圖分類號(hào)： TM 938 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.009

Influence factors in yarn detection with reflective photoelectric method

ZHANG Yi， MA Weihong

（School of Electronic and Optical Engineering， Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： In the textile industry，the speed of the machine is becoming faster.Traditional human eye recognition does no longer satisfy the speed of the yarn defect detection，and automated testing becomes more important.It needs to automate the detection of yarn defect signal.With the reflection type photoelectric detection principle，a structure for yarn surface defect detection is built，the defects are sampled，and sample characteristics are analyzed.By analyzing the effects of the axial dimension，radial dimension and gray difference of the defect on the output，it provides a basis for yarn defect signal judging.The analysis shows that the axial size of the defect and the sample response time has linear relationship.The radial size and gray scale difference have linear relationships with the peak voltage.

Keywords： yarn detection； photoelectric technology； detection method； signal characteristics

引 言

紗線檢測(cè)是織造過程中絡(luò)筒收集紗線前的重要步驟。由于在紡織過程中原料、機(jī)械、工藝、環(huán)境及操作等方面的原因，紗線不可避免地存在著各種形式的疵點(diǎn)（如紗線上較大的紗線接頭、紗線表面殘留的棉殼、紗線表面殘留的油污）[1]。需要在絡(luò)筒收集紗線前有效地識(shí)別各種形式的疵點(diǎn)，一方面防止紗線在絡(luò)筒上出現(xiàn)絞紗影響卷繞的平整性，另一方面提高織物成品的外觀質(zhì)量從而保證織物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文采用反射式光電法紗線疵點(diǎn)檢測(cè)原理[2-6]，從疵點(diǎn)軸向尺寸、徑向尺寸、灰度差異三個(gè)方面分析各因素對(duì)輸出信號(hào)的影響。

1 檢測(cè)方法與原理

紗線進(jìn)入絡(luò)筒前由牽引羅拉卷繞通過檢測(cè)區(qū)[7]。牽引羅拉表面光滑、直線度高，若紗線表面不存在疵點(diǎn)，當(dāng)紗線被外界光源照射時(shí)紗線沿垂直傳感器方向的反射光光強(qiáng)恒定，若紗線表面攜帶有疵點(diǎn)，通過檢測(cè)區(qū)時(shí)紗線的反射光強(qiáng)發(fā)生變化[8-11]。檢測(cè)系統(tǒng)由光源及透鏡、光電傳感器和信號(hào)調(diào)理電路等組成。圖1為紗線信號(hào)采集基本結(jié)構(gòu)圖。

紗線通過牽引羅拉拉動(dòng)，保持一定張力以垂直方向通過檢測(cè)區(qū)。在檢測(cè)區(qū)中紗線表面將光源照射在紗線上的一部分光反射，通過透鏡的會(huì)聚作用，將反射光集中在傳感器的敏感面上產(chǎn)生電流信號(hào)，電流信號(hào)通過調(diào)理電路形成模擬信號(hào)輸出。

2 電信號(hào)處理

光電二極管輸出幅值依據(jù)光強(qiáng)變化而變化，通過相關(guān)文獻(xiàn)可知，光電二極管直接輸出信號(hào)在微安量級(jí)，不利于人眼觀察[12]，同時(shí)紗線運(yùn)行過程中紗線自身抖動(dòng)產(chǎn)生的高頻噪聲信號(hào)會(huì)對(duì)信號(hào)判讀造成影響?；谝陨蟽牲c(diǎn)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大及濾波。電信號(hào)處理電路如圖2所示。

放大電路以跨阻放大器OPA380為核心，跨阻放大器有高增益、低噪聲的特點(diǎn)，信號(hào)通過放大器時(shí)，放大器的電噪聲不會(huì)對(duì)信號(hào)造成影響。放大器接入去耦電容C1，防止對(duì)高頻噪聲的放大，提高了信噪比。放大倍數(shù)由電阻R1的阻值決定。級(jí)間去耦電容去除無疵點(diǎn)時(shí)的直流信號(hào)[13-14]。

濾波電路由電容C3、C4和電阻R4、R5組成二階RC無緣低通濾波器，可去除高頻噪聲；后級(jí)使用CA3140作為電壓跟隨器，提高電路驅(qū)動(dòng)能力。

3 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采用TektronixDPO4054B數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，用以完成各種測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和處理。在采集過程中，基于紗線運(yùn)行速度30 m/min，示波器設(shè)置為單通道直流耦合邊沿觸發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為2.5 kSa/s，采樣窗寬度為1 s，觸發(fā)電壓根據(jù)不同影響因素由測(cè)量因素樣本決定；被檢測(cè)紗線選擇平均直徑為5 mm的針織用棉本色紗；光電二極管型號(hào)為L(zhǎng)SSPDPB3 PIN，具有高靈敏性、低響應(yīng)延時(shí)及轉(zhuǎn)化線性度高等特點(diǎn)；會(huì)聚透鏡選擇直徑為20 mm，焦距為35 mm的樹脂透鏡。圖3為實(shí)際測(cè)量中的樣本信號(hào)，圖形的突出部分是由于疵點(diǎn)特征影響反射光強(qiáng)度造成的，即下凹部分代表疵點(diǎn)特征。圖4為樣本實(shí)測(cè)裝置。

以紗線運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S向，垂直紗線運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺较?，通過分析發(fā)現(xiàn)疵點(diǎn)的軸向尺寸及徑向尺寸及紗線疵點(diǎn)與原紗灰度差異都對(duì)紗線信號(hào)有影響，下面就不同影響因素進(jìn)行分析。

3.1 疵點(diǎn)軸向尺寸

在紗線上標(biāo)記出軸向尺寸為1，2，…，8 mm的八個(gè)徑向尺寸、灰度差異相同的疵點(diǎn)，使其以30 m/min的速度均勻通過檢測(cè)區(qū)，采樣結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，八個(gè)樣本疵點(diǎn)在以相同速度通過檢測(cè)區(qū)時(shí)信號(hào)響應(yīng)總時(shí)間與疵點(diǎn)軸向尺寸呈正比關(guān)系。將軸向尺寸與響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行線性擬合得到擬合函數(shù)為y=1.962x+0.469（結(jié)果有95%的置信區(qū)間），擬合曲線如圖5所示，軸向尺寸采樣結(jié)果如圖6所示。

3.2 疵點(diǎn)徑向尺寸影響

在紗線上標(biāo)記出徑向尺寸為0.2，0.4，0.8，1.2，1.6 mm的五個(gè)軸向尺寸、灰度差異相同的疵點(diǎn)，使其以30 m/min的速度均勻通過檢測(cè)區(qū)，采樣結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，五個(gè)樣本疵點(diǎn)在以相同速度通過檢測(cè)區(qū)時(shí)信號(hào)響應(yīng)峰值電壓與疵點(diǎn)徑向尺寸呈正比關(guān)系。將徑向尺寸與信號(hào)電壓變化進(jìn)行線性擬合得到擬合函數(shù)為y=0.202x+0.139（結(jié)果有95%的置信區(qū)間），擬合曲線如圖7所示，徑向尺寸采樣結(jié)果如圖8所示。

3.3 疵點(diǎn)灰度差異影響

在紗線上標(biāo)記疵點(diǎn)灰度差異從淺到深的五個(gè)軸向尺寸、徑向尺寸相同的疵點(diǎn)，使其以30 m/min的速度均勻通過檢測(cè)區(qū)，采樣結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，五個(gè)樣本疵點(diǎn)在以相同速度通過檢測(cè)區(qū)時(shí)信號(hào)響應(yīng)峰值電壓與疵點(diǎn)灰度差異呈正比關(guān)系。將疵點(diǎn)灰度差異按從淺到深的順序?qū)?duì)應(yīng)信號(hào)電壓變化進(jìn)行折線圖連接，結(jié)果如圖9所示。

4 結(jié)果及分析

4.1 誤差分析

在影響因素及影響結(jié)果的線性擬合函數(shù)中發(fā)現(xiàn)，擬合函數(shù)都是一次函數(shù)而非正比例函數(shù)。在理想條件下擬合函數(shù)應(yīng)為正比例函數(shù)，分析以下因素對(duì)數(shù)據(jù)的讀取引入誤差。

1） 當(dāng)疵點(diǎn)尺寸較大時(shí)光電管工作在開關(guān)狀態(tài)下，疵點(diǎn)前端與后端在光電二極管中引起的響應(yīng)存在延時(shí)，造成響應(yīng)誤差。

2） TK2002數(shù)字示波器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過人眼調(diào)節(jié)判決標(biāo)尺尋找峰值電壓及均值電壓，判決標(biāo)尺在標(biāo)記峰值電壓時(shí)存在標(biāo)記誤差。

3） 在判讀示波器信號(hào)時(shí)，人眼讀數(shù)存在讀數(shù)誤差。

以上因素可能導(dǎo)致信號(hào)判讀過程中引入誤差，從而使擬合函數(shù)中存在常數(shù)項(xiàng)，對(duì)函數(shù)擬合結(jié)果引入誤差。

4.2 結(jié) 果

通過光電法紗線檢測(cè)原理分析紗線疵點(diǎn)軸向尺寸、徑向尺寸及灰度差異對(duì)采樣信號(hào)造成的影響，結(jié)果表明疵點(diǎn)軸向尺寸會(huì)影響疵點(diǎn)通過傳感器的時(shí)間，疵點(diǎn)徑向尺寸及灰度差異會(huì)影響疵點(diǎn)樣本信號(hào)的峰值電壓，采樣得到的數(shù)據(jù)有助于為紗線表面疵點(diǎn)形貌判別提供依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步有目的地改善紗線質(zhì)量檢測(cè)有重要意義。

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