電容式傳感器在紗疵檢測中的應用設計

楊素秋

（常州信息職業技術學院，江蘇常州，213164）

電容式傳感器在紗疵檢測中的應用設計

楊素秋

（常州信息職業技術學院，江蘇常州，213164）

電容式傳感器因其結構簡單、功耗小、動態響應快、零漂小和靈敏度高，而被廣泛應用。本文介紹了一種用電容式傳感器作為檢測手段來檢測紗線的紗疵信號并轉換成便于分析和處理的電壓信號的設計方法。實現對紗疵信號的有效檢測和轉換。

紗疵；電容式傳感器；檢測

0 引言

在棉紡織廠紗線紗疵不僅是衡量產品質量優劣的重要標志之一，也是各項生產技術管理工作綜合水平的反映。在紗線的生產過程中紡紗纖維原料、紗線加工過程和紡紗設備都能引起紗線紗疵。在絡筒車上采用電子清紗器來檢測和清除紗疵是紡織廠提高紗線質量的最后一關。能夠有效檢測到紗疵信號的傳感器主要有兩種，分別是光電傳感器和電容傳感器。

1 電容式傳感器

傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。

電容式傳感器是最常見的傳感器之一。其工作原理是，當電容器兩極板間的電壓為V時，聚集在極板上的電荷Q與V之間的關系可以用式1.1來表示。

其中C是電容器的電容。當電壓保持不變時,電量Q的值隨電容C的變化而發生變化。而電容C的值又取決于兩個極板的參數和相對位置以及極板間電介質的電容率。

2 紗線紗疵

紗疵就是紗線的疵點，是由于原料、設備和生產過程等原因所產生的疵點。通常根據紗疵的截面積和長度不同來對紗疵進行分級。通常分短粗節、長粗節和長細節，短粗節共分為16級，長粗節共分為3級。紗疵都是影響紗線質量的有害紗疵，有效檢測到紗線的這些有害疵點非常重要。紗疵的檢測就是設計一個切實有效的傳感器來采集紗疵信號，并將紗疵信號轉換成便于傳輸和處理的電信號。

3 電容式傳感器檢測紗疵的優勢與原理

電容式傳感器由于具有結構簡單、功耗小、動態響應快、零漂小和靈敏度高以及造價低、不怕振動等特點，使得它更適合紗疵檢測。當紗線在電容式傳感器的兩個極板間通過時，電容兩極板間的介質發生了改變。當紗線的粗細也就是紗線單位長度質量發生變化時，介質也隨之改變，于是兩極板間的電容量也發生了變化。然后設計一個有效地轉換電路，把變化的電容量轉換成變化的電流量，就實現了紗疵信號的檢測。

當紗線垂直于電場通過電容傳感器兩極板之中，同時充滿度很小不會引起電場畸變時， 其電容量為：

通過電容式傳感器獲得的代表紗線紗疵情況的電容量，在后續的處理和鑒別過程中無法直接應用，因此必須將電容的變化轉換為電壓、電流或頻率信號。這就需要設計一個有效的轉換電路。常用的電容檢測電路有振蕩式、諧振式、AC橋式和充放電式。振蕩式電容檢測電路，電路簡單易于實現，本次設計采用振蕩式電容檢測電路。

4 振蕩式電容檢測電路

為了實現紗疵信號的有效檢測和輸出，分別設計了振蕩電路和鑒頻電路兩部分。

4.1 振蕩電路設計

為了提高振蕩電路的頻率穩定性，振蕩器的直流偏置采用了深度直流反饋和基極回路中的鏡像電流設計。這樣，溫度發生變化時振蕩器的工作電流保持恒定不變，從而穩定了振蕩器振幅。要使振蕩器在工作時，晶體管V1的基極處于高頻地電位于是在電路中加入電容C4。當紗支電壓VZ接近-8V時，三極管V1的基極集電極電容Ccb會突然增大，進而會引起振蕩頻率的較大偏移。為了保證鑒頻電路的零點不發生很大的偏移，于是在振蕩器V1的基極集電極之間加入二極管V6。為了隔離晶體管輸出電容Cce對頻率的影響，在晶體管V1的發射極回路中接入了電阻R7。而由V2構成的放大器是用來提高振蕩器的振蕩幅度。振蕩器電路產生的高頻振蕩信號經過電容C10耦合至鑒頻電路。

4.2 鑒頻電路的設計

振蕩式電容檢測電路的鑒頻器電路如圖4.2所示。

由C10電容耦合輸出未經調制的高頻信號被調定在鑒頻器諧振回路的諧振點上，其中心頻率是30MHz。當電容式傳感器CM內沒有紗線時，鑒頻電路檢測到的是一個直流電平，這一電平就是檢測信號的零點。當CM內有紗線運行時，紗線本身的不均勻性使CM電容量發生微小變化，這時原來的高頻信號就被這種變化所調制。再經過二極管的作用，代表紗線本身質量的直流信號和代表紗線不勻度的交流信號就能被檢測出來。

5 總結

在電路調試過程中，傳感器的轉換特性用規定量規的測定值來表示。在規定紗支電壓的各點上，用規定的量規投入CM電容的槽口中，讀出投入前和投入后傳感器零點的電壓差值，由各點電壓差值的絕對值所組成的曲線即是該傳感器的轉換特性，這種轉換特性是一直線。為了便于校核，實際應用中傳感器的轉換特性通常在-4V、0V、+4V三點紗支電壓上測量。對于不同規格的傳感器其轉換特性不同，所用的量規也不同。

[1] 周秀玲等.電子清紗器參數設定及布紗疵控制[J].棉紡織技術，2002，30(11):22-25.

[2] 蔣家云，富寶龍.電容式傳感器電容檢測電路的研究[J].傳感器世界.2008（3）:46-49

Application design of capacitive sensor in the detection of yarn defects

Yang Suqiu
(Changzhou College of Information Technology,Changzhou Jiangsu,213164)

Capacitive sensor is widely used because of its simple structure,low power consumption,fast dynamic response,low drift and high sensitivity.This paper introduces a capacitive sensor as a means of detection to detect the yarn defect signal and convert it into a convenient design method for analysis and processing of voltage signal.To achieve effective detection and conversion of yarn signal.

yarn；capacitive sensor；detection

圖4.2 鑒頻電路