基于紅外傳感器的環(huán)錠紡斷紗在線檢測裝置

李效東,徐 陽,金前鵬,劉基宏

(江南大學 生態(tài)紡織教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122)

1 引 言

在紡紗生產(chǎn)中,環(huán)錠紡紗因其紡紗結構簡單、品種適應性廣、產(chǎn)品結構優(yōu)良等優(yōu)點在眾多紡紗生產(chǎn)中占據(jù)著主導地位[1],因此針對環(huán)錠紡紗的斷紗在線檢測裝置的開發(fā)對紡織企業(yè)的生產(chǎn)管理具有重要意義。目前比較成熟的環(huán)錠紡斷紗檢測裝置多為國外研發(fā)的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品主要利用電磁感應效應或光電傳感監(jiān)測環(huán)錠細紗機紡紗時鋼絲圈的運動狀態(tài),進而判斷細紗是否斷頭[2]。但國外產(chǎn)品的系統(tǒng)設計過于復雜,裝置的器件與配套設備成本較高,企業(yè)對裝置的引進及后期設備維護都需要投入大量的資金,這些都限制了國外斷紗檢測裝置在我國紡織企業(yè)的普及[3]。

近年來,國內(nèi)的紡織檢測技術取得了快速的發(fā)展,其中光電檢測技術在紡織檢測中得到了廣泛的應用[4-6]。本文在分析光電轉換原理以及紡紗過程中紗線氣圈運動規(guī)律的基礎上,開發(fā)了針對紡紗氣圈的反射式紅外光電環(huán)錠紡紗斷紗在線檢測裝置,利用反射式紅外傳感器獲取紡紗時細紗的氣圈信號,經(jīng)過光電轉換、電路處理及單片機判斷,實現(xiàn)了細紗斷紗在線檢測。

2 基于紅外傳感器的環(huán)錠紡斷紗檢測原理

本文提出的反射式紅外光電環(huán)錠紡斷紗檢測裝置的基本原理如圖1所示。

圖1 細紗斷紗檢測裝置

環(huán)錠細紗機正常紡紗時,粗紗經(jīng)過牽伸后形成細紗從前羅拉輸出,經(jīng)過導紗鉤穿過位于綱領跑道上的鋼絲圈,卷繞在緊套在細紗機錠子上的紗管上。當錠子轉動時,受到紗線的牽引力作用,鋼絲圈沿綱領跑道作有規(guī)律的圓周運動,帶動位于導紗鉤和鋼絲圈中間的紡紗段紗線形成紡紗氣圈。本文提出的斷紗檢測方案采用單錠檢測,檢測頭位于細紗機葉子板下方,正對著紗線氣圈安裝。檢測頭由紅外發(fā)光二極管及配套的光敏三極管組成,紅外發(fā)光二極管持續(xù)發(fā)射紅外光,當高速轉繞的紗線運動至檢測頭正前方時,紗線作為反射面參與對紅外光的反射,反射光被光敏三極管接收。紗線卷繞一周,就對紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光反射一次,形成有規(guī)律的反射光信號,光信號被光敏三極管吸收后轉化成有規(guī)律的電信號。細紗斷紗后,鋼絲圈不再牽引紗線卷繞,紗線氣圈消失,不再參與對紅外光的反射,光敏三極管不再產(chǎn)生電信號,斷紗檢測裝置通過對電信號的處理與判斷檢測細紗是否斷頭。

3 裝置整體設計方案與功能實現(xiàn)

本文提出的反射式紅外光電斷紗檢測裝置主要由紅外傳感器、雙運算放大器和單片機控制模塊組成,系統(tǒng)供電電壓為+5 V。其總體設計示意圖如圖2所示。

圖2 裝置總體設計示意圖

在反射式紅外光電斷紗檢測裝置中,反射的紅外光信號經(jīng)過紅外傳感器轉化成為電信號,微弱的電信號摻雜很多噪聲信號,經(jīng)過濾波后傳輸至雙運算放大器,雙運算放大器具有放大及閾值處理功能,將電信號處理成脈沖信號。在設定的時間間隔內(nèi),脈沖信號與紗線氣圈的卷繞次數(shù)相同。脈沖信號再由電路傳送至單片機,由單片機對脈沖信號進行統(tǒng)計判斷。系統(tǒng)設置一個參考值,將統(tǒng)計的脈沖信號次數(shù)與參考值相比較,若統(tǒng)計值高于參考值,判定為細紗未斷頭,報警指示燈不亮,若統(tǒng)計值低于參考值,判定為細紗斷頭,報警指示燈亮起,提示車間擋車工人接頭。

總體上,裝置設計包括光電信號轉化與濾波模塊、電信號放大模塊、電信號閾值處理模塊以及單片機處理控制模塊。結合裝置各模塊的設計,在細紗機上試紡18.2 tex棉紗,檢測各模塊處理后的信號波形,對裝置各部分進行說明與功能驗證。

3.1 光電信號轉化與濾波模塊

光電轉化模塊通過紅外傳感器實現(xiàn),包括一對紅外發(fā)光二極管及配套的光敏三極管。在實際生產(chǎn)中,紡紗車間要求機器在無故障的情況下連續(xù)生產(chǎn),因此檢測頭需要滿足白天和夜晚都能夠正常檢測。檢測頭安裝位置在葉子板下方,距離紡紗時氣圈的位置約11 mm。

本文選用反射式紅外傳感器,其紅外發(fā)光二極管發(fā)射波長大約為950 nm的近紅外光,這種波長的紅外光受自然光影響較小[7],能夠滿足在自然光改變時的正常檢測。傳感器的最佳檢測距離在12 mm左右,能夠滿足裝置的檢測距離要求。圖2所示的a點即為光電信號轉化后的紗線氣圈信號,其波形如圖3所示。

圖3 初始氣圈信號

從圖3可以看出,經(jīng)過光電轉化模塊獲取的氣圈信號摻雜著許多噪聲信號,這些噪聲信號會對目標信號即紗線氣圈信號的后續(xù)處理帶來干擾。本文在光電轉化模塊后的電路中加入電容C1,電容C1的應用對斷紗檢測裝置功能的實現(xiàn)具有重要意義。因為細紗車間的環(huán)境較為復雜,在獲取的初始氣圈信號中,有些噪聲信號具有不確定性,隨機性,但相對于高速卷繞的氣圈信號,其頻率相對較低。另外,光敏三極管在工作過程中會產(chǎn)生暗電流,暗電流為直流信號,會造成初始信號最小幅值不為零,不利于后續(xù)模塊的閾值處理。因此,本文利用電容“通高頻,阻低頻,通交流,隔直流”的特性,達到純化氣圈信號的目的。圖2所示的b點即為經(jīng)過電容濾波的信號,其波形圖如圖4所示。

圖4 濾波后信號圖

從圖4可以看出,經(jīng)過濾波電路處理后的信號噪聲信號明顯減少,目標信號被純化出來。

3.2 電信號放大模塊

圖2中的c點是經(jīng)過放大模塊處理后的信號,經(jīng)過濾波純化后的氣圈信號非常微弱,其值只有0.1 V級別。若直接進行閾值處理,閾值也必須設置在0.1 V級別,當電路工作的環(huán)境溫度等發(fā)生變化時,電路的電阻會發(fā)生變化,所設置的閾值電壓也會發(fā)生變化,這種變化將對0.1 V級別的目標信號的閾值處理產(chǎn)生很大影響。另外,一些無法在濾波模塊處理的小噪聲會對目標信號產(chǎn)生較強的干擾,系統(tǒng)的抗干擾能力不能得到保障。因此,裝置采用放大模塊對氣圈信號進行處理[8]。

圖5為放大后的信號波形圖,目標信號的幅值顯著增大,從而更好將其與噪聲信號區(qū)分開來,便于后續(xù)進行閾值處理。

圖5 放大后信號圖

3.3 電信號閾值處理模塊

圖2所示的d點為閾值處理后的氣圈信號。經(jīng)過放大電路處理后的氣圈信號必須經(jīng)過閾值處理,轉變成單片機能夠識別的脈沖信號。本文中的放大與閾值處理模塊都通過雙運算放大器來實現(xiàn),雙運算放大器的閾值處理模塊的工作原理:先設置一個閾值電壓,當目標信號電壓高于閾值電壓時,輸出高電平,當目標信號電壓低于閾值電壓時,就會輸出低電平。這種高低電平的轉換就將目標信號轉換成了有規(guī)律的脈沖信號[9]。

3.4 單片機處理控制模塊

斷紗檢測裝置中,單片機實現(xiàn)對最終脈沖信號個數(shù)的統(tǒng)計,并將統(tǒng)計值與參照值相比較,作出細紗是否斷頭的判斷,并驅動報警指示燈。結合市場上的產(chǎn)品與裝置要求,本文選擇STC15F2K60S2型單片機,這種類型的單片機的工作電壓范圍為3.8～5.5 V,主頻率最高可達35MHz,足以滿足對紗線卷繞速度的響應,且該單片機提供26個I/O引腳,1套單片機系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對多個錠位的同時監(jiān)控。其功能流程圖見圖6。

圖6 單片機功能流程圖

本單片機是對一定時間內(nèi)的脈沖信號進行統(tǒng)計,并與設定值相比較。在單片機的功能設定中參照值的設置對最終功能的實現(xiàn)具有重要意義,參照值的設置與環(huán)錠細紗機的錠速相關,可以根據(jù)不同的錠速設定不同的參照值,參照值需要低于錠速。目前市場上的細紗機錠速大致在10000～20000 r/min之間,即160～333 r/s。裝置是在紡紗速度為13600 r/min時進行的測試,初步設定在檢測時間0.1 s內(nèi),脈沖為15個。在單片機工作過程中,首先將系統(tǒng)初始化,即將計數(shù)器清零、計時器清零,然后開始檢測脈沖,檢測到脈沖,計數(shù)器加1,否則計數(shù)器不累加。在檢測過程中,計時器時間小于0.1 s,系統(tǒng)繼續(xù)檢測,當計時器大于0.1 s時,將系統(tǒng)統(tǒng)計到的脈沖個數(shù)與參照值對比,統(tǒng)計值大于參照值,報警指示燈不亮,同時計數(shù)器清零。若統(tǒng)計值小于參照值,單片機驅動報警指示燈報警。

4 測試結果與分析

4.1 測試條件

為了驗證斷紗檢測裝置的實際檢測效果,對斷紗檢測裝置進行上機測試,裝置安裝在環(huán)錠細紗機上,采用定量為4.8 g/10m的棉粗紗為原料,在該細紗機上試紡5.8 tex、9.7 tex、18.2 tex三種棉紗,因為工廠實際生產(chǎn)中,對不同的紗支有不同的紡紗速度,為了更接近工廠實際,測試條件模擬工廠實際生產(chǎn),錠速分別采用15000 r/min、15900 r/min和13600 r/min。并用示波器對最終的脈沖信號進行檢測。

4.2 結果分析

當紗線正常卷繞時,單位時間內(nèi)計數(shù)器能夠統(tǒng)計到穩(wěn)定的脈沖個數(shù),示波器測試表現(xiàn)為檢測到穩(wěn)定頻率的氣圈波形。如圖7所示,(a)、(b)、(c)分別為試紡5.8 tex、9.7 tex、18.2 tex三種棉紗時示波器檢測到的脈沖信號,(d)為三種棉紗在斷紗后檢測到的信號波形。

圖7 信號波形

將正常紡紗狀態(tài)下,三種棉紗所測脈沖信號的數(shù)據(jù)列表對比,結果如表1所示。

表1 正常紡紗時所測脈沖信號

從表1和圖7可以看出,正常紡紗時,所紡棉紗的粗細和紡紗速度不同時,示波器所測脈沖信號的頻率和頻寬不同,其中頻率基本反映細紗機的紡紗速度。當棉紗的粗細和紡紗速度不同時,棉紗通過紅外傳感器的有效探測區(qū)域的時間不同,因此所測脈沖信號的占空比會不同,在波形上顯示為脈沖信號的頻寬不同。當棉紗斷紗后,所測信號沒有脈沖信號產(chǎn)生,波形顯示為一系列噪聲信號,這些噪聲信號低于系統(tǒng)設置的閾值電壓不會對單片機的判斷產(chǎn)生干擾。在上機測試中,不同紡紗工藝所測脈沖信號的略微差異沒有影響斷紗檢測裝置對棉紗斷頭的檢測,當棉紗正常紡紗時,指示燈處于熄滅狀態(tài),當棉紗斷頭時,指示燈幾乎立即亮起,提示斷頭。表明斷紗檢測裝置適用于市場上大部分的棉紗的斷紗檢測。

5 結 論

基于紅外傳感器的環(huán)錠紡斷紗在線檢測裝置,利用紅外傳感器,針對紡紗過程中的氣圈信號進行檢測,實現(xiàn)對環(huán)錠紡細紗的斷紗檢測。裝置能夠利用光電轉換及電路處理得到單片機可以識別的脈沖信號,單片機能夠對脈沖信號進行統(tǒng)計判斷是否斷紗,最終驅動報警指示燈。對裝置進行上機測試,結合工廠實際生產(chǎn)工藝。結果表明,斷紗檢測裝置能夠適應市場上大部分紗支的實際生產(chǎn)中的斷紗檢測,能夠及時準確的提示紗線斷頭,對工廠的實際生產(chǎn)進行指導。

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