静电荷感应式断纱传感器设计.pdf
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1、第 32 卷 第 3 期2024 年 3 月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.3Mar.2024DOI:10.19398j.att.202307040静电荷感应式断纱传感器设计吕竞则1,戴 宁2,胡旭东2,徐开心2,徐郁山3(1.西南大学计算机与信息科学学院(软件学院),重庆 400715;2.浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室,杭州 310018;3.浙江康立自控科技有限公司,绍兴 312500)摘 要:针对基于光电非接触式及图像处理式的断纱检测方式对车间生产环境、安装位置、安装角度要求高且设备昂贵等问题,根据静电感应式检测基本原
2、理,设计了静电荷感应式断纱传感器,对其总体结构及关键模块进行理论分析及实验测试,并搭建了静电荷感应式断纱传感器试验台对该传感器的功能进行测试。结果表明:虽然运动纱线速度及其材料是影响静电荷感应式断纱传感器的主要影响因素,但这两个因素所导致的电压波动在静电荷感应式断纱传感器关键模块后端输出点的数值远小于运动纱线在断裂和未断裂状态之间切换时所产生的电压波动。因此,检测静电荷感应式断纱传感器关键模块后端输出点的电压值,可实现对运动纱线断纱情况的准确判断。关键词:运动纱线;断纱检测;静电荷感应;传感器;电压波动中图分类号:TS103.7 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2024)03-0
3、014-07收稿日期:20230728 网络出版日期:20231102基金项目:浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划(2022C01202);浙江理工大学科研启动基金项目(23242083-Y)作者简介:吕竞则(2002),浙江绍兴人,主要从事纺织自动化设备与传感器的研究。通信作者:戴宁,E-mail:990713260 纺纱是将动植物纤维加工成纱线的工艺过程,其加工工序主要包括梳棉、并条、粗纱、细纱和络筒等1。在纺纱生产中,对细纱和络筒环节中的纱线,特别是对细纱线进行断纱检测是监测设备运行状态和提高纺纱生产质量的重要手段2。当前,断纱检测通常采用传感器实现,主要有接触式传感器和非接触式传感器两
4、种3。接触式传感器检测方式通过在纱线走线路线上安装张力轮,以此控制纱线断纱触发装置,实现对纱线断裂情况的检测。然而,不同品种纱线可适应张力程度不同,使用接触式传感器的断纱检测方式会导致断纱,且断纱后生产人员需要对纱线张力轮进行复位,额外增加了纱线生产的人力和时间成本。考虑到成本及影响纱线张力等各种因素,行业内断纱检测方式主要以光电非接触式断纱检测为主4-5,即通过纱线对光源的遮挡程度来检测是否存在断纱。然而,在实际纺纱车间内棉絮、灰尘较多,光电检测通道内的漫反射会降低传感器的灵敏度。同时,车间内光强的变化对光电接收器接收信号也会产生影响;针对这种现象,李效东等6提出了一种改变检测头安装角度的改
5、进方案,以解决光强叠加对对面光电接收器接收信号的影响。近年来,有关图像处理的断纱检测研究成为热点。陈泰芳7对基于视觉的环锭纺断纱检测方法展开了研究,提出了细纱图像平滑和增强方法,解决了高噪声下细纱图像中纱线特征弱的特点,为环锭纺细纱断纱检测提供一定的理论方法与技术工具。孟立凡等8设计了一种基于 FPGA 的灰度投影算法检测平台,经过灰度投影计算、局部极值法、极值点校正等处理后得到特征值,进而实现纱线的断纱检测。以上研究虽通过图像在一定程度上实现了断纱检测,但同样存在光电非接触式断纱检测的缺点,甚至对光照及安装条件更加苛刻,且价格昂贵,在有成百上千锭数的纺纱工序中较难推广,因此该方式目前仍处于研
6、究探索阶段,在实际纺纱生产线中未见产业化应用。本文根据静电感应式检测基本原理,设计静电荷感应式断纱传感器,并对其总体结构及关键模块进行理论分析及实验测试。同时,搭建静电荷感应式断纱传感器试验台对该传感器的功能以及影响其检测性能的因素进行分析,进而为运动纱线断纱情况的准确判断提供理论及实验依据。1 静电荷感应式断纱传感器检测原理及总体结构设计 静电荷感应式断纱传感器的工作原理如图 1 所示。当纱线在 U 型导纱氧化铝内以某一速度运动时,根据静电感应式检测基本原理,探测电极表面感应出动态的感应电荷9-10;而当纱线出现断裂时,动态感应电荷量为 0。图 1 静电荷感应式断纱传感器工作原理简图Fig.
7、1 Schematic diagram of the working principle of electrostatic charge-induced yarn breakage sensors考虑到探测电极表面的感应电荷较为微弱,因此需要对其进行放大处理。静电荷感应式断纱传感器总体结构如图 2 所示,主要由探测电级、一级信号放大模块、整形与二级放大模块、输出及显示模块组成。其中一级信号放大模块实现感应电荷的信号增强,整形及二级放大模块实现信号的电平转换,输出模块将运动纱线是否断纱的情况进行外部输出,显示模块中的 LED 单元实现断纱情况的实时显示。LM32411作为通用的带有真差动输入的四
8、运算放大器,可实现同相、反相及差分放大,可满足静电荷感应式断纱传感器所需的信号放大及整形输出等功能。图 2 静电荷感应式断纱传感器总体结构图Fig.2 Overall structure diagram of electrostatic charge-induced yarn breakage sensors2 静电荷感应式断纱传感器关键模块电路设计2.1 一级信号放大模块设计考虑到探测电极表面的感应电荷较为微弱,因此需要对其进行放大处理。本文设计一级信号放大模块,实现感应电荷的信号增强,一级信号放大模块如图 3 所示。图 3 中,V1为上拉电源,其值为 5.6 V;R1、R2、R3、R4均为
9、电阻,其值分别为 10、0.1、5.6、10 M;C1、C2均为反馈电容,其值分别为 0.022 F、6.2 pF;U1为 LM324 第一路运算放大器;IN1为探测电极输入的电信号;OUT1为一级信号放大模块输出的电信号。图 3 一级信号放大模块Fig.3 Primary signal amplification module由图 3 可知,探测电极输入电信号 IN1经过一级信号放大模块后输出放大后的电信号 OUT1。其中 C2是反馈电容,具有相位补偿、防振荡等作用。R4与 R3组成反馈回路。R1是探测器偏置电阻,考虑到 C2上电荷的积累作用,R3阻值一般为兆欧量级,用于释放 C2上电荷,实
10、现电荷平衡,并产生直流负反馈,进而实现电信号的放大。C1、R2串联并接在 R4与 R3组成的反馈回路上,用于稳定带内增益。通过测量一级信号放大模块的 OUT1端,得到图 4 所示输出波形。如图 4 所示,断纱状态下,OUT1输出端输出约 5.6 V 直流电压,运动纱线未断纱状态下,OUT1输出类正弦波形,波峰值电压约 6.6 V。51第 3 期吕竞则 等:静电荷感应式断纱传感器设计 图 4 OUT1输出波形Fig.4 OUT1 output waveform2.2 整形与二级放大模块设计经一级信号放大模块实现感应电荷的信号增强后,需设计整形及二级放大模块实现信号的电平转换,图 5 为整形与二级
11、放大模块。图 5 中,V2、V3为电源标识,其值分别为 12、7 V;GND 为 V1、V2、V3电源地标识;R5、R6、R7、R8、R9、R10均为电阻标识,其值分别为 0.001、5.6、0.051、10、1、1 M;C3、C4、C5均为电容标识,其值分别为 220 nF、22 nF、30 pF;U3为 LM324 第三路运算放大器;D1、D2为二极管标识;T1为三极管标识;IN3为二级放大电路输入电信号;OUT3为二级放大模块输出的电信号。图 5 整形与二级放大模块Fig.5 Shaping and the secondary amplification module如图 5 所示,当断
12、线时,由于 C3的隔直作用,以及 D1及 R6组成的分压电路,T1处于截止状态,由于 R7、D2、R8组成的分压电路,且 R7的阻值相对 R8的阻值可忽略不计,因此,此时 IN3处电压幅值接近为 0 V。当运动纱线未断线时,类正弦信号通过 C3,在 T1基极处放大,并控制 T1管分时导通及截止,此时,分别对整形单元中 T1基电极、集电极以及 IN3处信号进行检测,得到图 6 所示输出波形。图 6 整形单元各位置处信号波形Fig.6 Signal waveform at each position of the shaping unit如图 6 所示,运动纱线在 IN3处产生交流小信号,经图 5
13、 中二级放大单元进行放大及平滑处理后在 OUT3处输出电压,其值约为 10.6 V。2.3 输出及显示模块设计结合运动纱线断纱及未断纱状态下整形与二级放大模块 OUT3处输出的不同电压可知,只需设计比较电路,并根据两个比较电压输出值,即可实现运动纱线未断、断情况的判定。此模块采用 LM324 中61现代纺织技术第 32 卷的第二路运算放大器 U2实现,同时为了报警提醒,断纱状态下,U2输出端 OUT2连接 LED 指示灯,当运动纱线运行时,LED 灯熄灭,指示运动纱线未断且功能正常。当运动纱线断纱时,LED 灯亮起,指示运动纱线断裂。3 静电荷感应式断纱传感器性能影响因素分析3.1 试验台架结
14、构静电荷感应式断纱传感器主体由金属壳体、控制电路 PCB 板(嵌于金属壳体内,主要由一级信号放大模块、整形与二级放大模块、输出及显示模块等部分组成)、U 形导纱氧化铝及电源引线等组成。整体组成结构如图 7 所示,其中金属壳体与控制电路 PCB 板为检测装置的主要组成部分。金属壳体由铁制材料经加工直接成型并电镀,将控制电路PCB 板与 U 型导纱氧化铝连接后插入壳体。此外,电源引线用于给控制电路 PCB 板供电,输出信号引线给出运动纱线未断及断时的信号输出。结合纱线运动特性,本文搭建的运动纱线模拟检测平台如图 8 所示。图 7 静电荷感应式断纱传感器整体组成结构Fig.7 Overall com
15、position structure of electrostatic charge-induced yarn breakage sensors 图 8 运动纱线模拟检测平台示意图Fig.8 Schematic diagram of the sports yarn simulation detection platform 如图 8 所示,运动纱线模拟检测平台主要由静电荷感应式断纱传感器、稳压源、前罗拉、铁架台、导纱钩、纱筒、示波器等部分组成。测试过程中,纱线经前罗拉作用,从纱筒上退绕,并经导纱钩装置,向上穿过 U 形导纱氧化铝,测试信号引线接入示波器,通过静电荷感应式断纱传感器上 LED 灯
16、亮灭情况以及示波器内存储数据实现对当前运动纱线断纱情况的准确检测。3.2 试验数据分析静电荷感应式断纱传感器性能基于静电荷感应的强弱,结合静电荷感应机理,可以得出纱线运动速度和纱线材料12是影响静电荷感应式断纱传感器输出端电压信号幅值的主要影响因素,取相同线密度的两类纱线(均为 18.2 tex),并以当前市场上细纱机工作锭速(约为 1000020000 rmin)3为测试依据,对纱线在 13600 rmin 与 15000 rmin 的细纱机模拟工作锭速下以及断纱状态下(0 rmin)静电荷感应式断纱传感器关键模块输出点电压值进行统计分析,其中 OUT1、OUT3、OUT2处信号输出电压值如
17、表 1 所示。表 1 不同影响因素下关键模块输出点电压Tab.1 Key module output point voltage values under different influencing factors(单位:V)种类输出端锭速(r min-1)01360015000纯棉棉纱OUT15.6006.2406.360OUT30.00810.27710.358OUT21.774-0.544-0.553导电混纺纱OUT15.6406.4806.620OUT30.01310.45210.623OUT21.832-0.549-0.56671第 3 期吕竞则 等:静电荷感应式断纱传感器设计 由表
18、 1 可知,相比于导电混纺纱,纯棉棉纱运动未断裂时,静电荷感应式断纱传感器关键模块输出点 OUT1、OUT3、OUT2端电压值相对较低;同类型纱线随着运行速度的增加,关键模块输出点电压值也随之增加,且相较于纯棉棉纱,导电混纺纱引起的关键模块输出点电压值增幅较大。此外,OUT1、OUT3、OUT2端电压值在运动纱线断裂及未断两种状态下偏差较大,特别是静电荷感应式断纱传感器关键模块后端输出点 OUT3、OUT2处,两种状态下电压值偏差明显,该特性可有效用于对运动纱线断纱情况的准确判断。4 结 语本文根据静电感应式检测基本原理,构建了静电荷感应式断纱传感器,并对其总体结构及关键模块设计进行了理论分析
19、及实验测试,最后,搭建了可模拟细纱机工作中纱线运动方式的静电荷感应式断纱传感器试验台,对其性能及影响因素进行了反复测试,可得到如下结论:a)运动纱线速度及其材料是影响静电荷感应式断纱传感器的主要影响因素。b)同类型纱线随着运行速度的增加,静电荷感应式断纱传感器二级放大单元以及输出模块点处电压值也逐步增加。不同类型运动纱线由于其单位线长内带电荷量存在差异,最终导致在相同速度下,不同类型的运动纱线引起静电荷感应式断纱传感器二级放大单元以及输出模块处电压值也存在差别。c)虽然运动纱线速度及其材料是影响静电荷感应式断纱传感器的主要影响因素,但该影响远小于运动纱线断裂及未断裂两种状态时,静电荷感应式断纱
20、传感器二级放大单元以及输出模块处电压偏差值,因此,该特性可用于对运动纱线断纱情况的准确判断。本文设计的静电荷感应式断纱传感器体积较小,不受密闭空间的限制。传感器通过密闭铝壳封住电路与探测电极,减少了空气中的灰尘与电荷干扰,便于电荷信号的采集,且对于具有微小电荷量变化的不同种类纱线,可获得变化较大的输出电压用于辨识。因此,对于细纱工序中携带静电的纱线,该装置具有更好的状态检测效果。参考文献:1 王邓峰,骆晓蕾,陈文浩,等.绢丝毛棉色纺纱的组成调控与性能分析J.现代纺织技术,2024,32(2):50-56.WANG Dengfeng,LUO Xiaolei,CHEN Wenhao,et al.C
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