混合式生絲斷絲檢測傳感器設計

孫衛紅， 陳 宇， 邵鐵鋒， 梁 曼， 馬冠宇

(中國計量大學 機電工程學院， 浙江 杭州 310018)

生絲纖度是生絲品質檢測的一項重要檢測指標。目前生絲檢驗機構對生絲纖度的檢測多采用人工測量，其檢測過程為：纖度機繞取規定長度生絲，搖絲機將定長生絲制成小絲，采用ZSX98型生絲纖度儀直接對小絲稱量，最后打印出生絲纖度數據。由于纖度機轉速過快以及生絲自身打結等原因，生絲在被繞取過程中容易發生斷絲故障。生絲斷絲，導致纖度機繞取該組生絲樣品被判為無效。目前采用增加繞絲樣品組數方法解決生絲斷絲故障問題，但檢測效率低，迫切需要設計一種生絲斷絲檢測傳感器，對生絲斷絲故障進行實時檢測。當傳感器檢測到生絲斷絲后，通過及時補絲操作以確保纖度機繞取生絲的長度符合國家標準。同時也為生絲電子檢測解決了瓶頸問題。

生絲斷絲檢測一直是國內外研究機構的重要課題，但針對生絲品質檢測的研究相對較少。生絲斷絲檢測的主要難點是：生絲直徑很細，尺寸為幾十微米，不同規格的生絲直徑差異極小，很難區分[1]。目前國內外對生絲斷絲的檢測方法主要有光電檢測、電容式檢測、圖像檢測等[2]。光電檢測方法依據光電對射原理，對光電接收管接收的電信號進行檢測處理[3-5]。文獻[6-7]利用光電檢測方法研制出SD-1型細度儀，通過比較2只光敏管之間的信號差異，實現對生絲直徑的判斷。電容檢測依據的是電容轉換原理，由于生絲的介電系數大于空氣的介電系數，通過生絲斷絲前后引起的電容量的變化進行檢測。烏斯特型條干均勻度儀通過應用電容檢測方法實現了對生絲斷絲故障的檢測[8]。圖像檢測方法通過使用遠心光路結合線陣CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器獲得生絲圖像，經過計算機圖像處理模塊，對圖像進行閾值分割、形態學等一系列處理，得到生絲纖度數據[9-10]。費萬春等[11]提出了一種依據CCD圖像傳感器對生絲截面積的檢測方法。

生絲直徑很細，斷絲前后的電流信號、電容信號或圖像信號差異不明顯，且易受外界干擾，不易采集，導致單片機對生絲斷絲信號的識別存在誤差。本文針對現有檢測方法存在的缺陷，依據光電對射原理，將光電發射管和光電接收管分別安裝在裝置水平位置兩端，生絲放置于發射管和接收管之間然后配合生絲斷絲間接測量機構，通過比較接收管接收生絲斷絲前后的信號變化以實現對生絲斷絲故障的實時檢測。

1 傳感器檢測原理

本文提出的混合式生絲斷絲傳感器檢測原理如圖1所示。

1—指示燈； 2—軸； 3—軸承； 4—生絲； 5—過絲勾；6—光電發射管； 7—光電接收管； 8—裝置外殼。

生絲未發生斷絲故障時，過絲勾5和生絲4在纖度機繞卷機構的拉力作用下同時被拉起，所處工作位置如圖1位置I所示。光電發射管6持續向外界發射出特定波長的紅外光信號，光電接收管7接收紅外光信號并將其轉換成電信號。微弱的電信號經信號放大、信號整形電路后，輸出供單片機AD采集端接收。單片機輸出高電平控制信號指示燈點亮，提示操作人員未發生斷絲故障。

生絲發生斷絲故障時，生絲4和過絲勾5所處工作位置如圖1位置II所示，過絲勾正好處于光電發射管6和光電接收管7的光電信號傳播路徑之間，阻礙光電接收管7對紅外光信號接收。接收的信號為零，對應轉化成的電信號也為零。單片機輸出低電平，信號控制指示燈熄滅，纖度機停機，并提示操作人員生絲發生斷絲故障，需立即采取相應的生絲斷絲處理措施。圖2示出傳感器安裝實物圖。

圖2 傳感器安裝實物圖Fig.2 Physical map of sensor installation

2 傳感器設計

2.1 機械結構設計

傳感器機械部分包括生絲斷絲間接測量機構和光電管安裝機構。生絲和設計的過絲勾結構構成生絲斷絲的間接測量機構，通過把對生絲斷絲故障的檢測間接轉換成過絲勾位置的檢測，實現斷絲故障信號的轉換和放大。生絲繞取過程中，根據纖度機繞卷機構是否能夠將傳感器中的生絲斷絲間接測量機構拉起來判斷生絲斷絲情況。設計的傳感器3-D模型圖如圖3所示。

圖3 傳感器三維模型圖Fig.3 3-D Model device of sensor

圖3中傳感器機械結構部分由外殼、軸、軸承、過絲勾等部件構成。過絲勾安裝在軸上斜形安裝孔中，軸和軸承配合安裝在外殼上。過絲勾采用直徑為0.5 mm的鋼絲彎制2～3圈而成，本身具有一定自重和橫截面積。光電發射管和接收管分別安裝在外殼的水平安裝孔內。傳感器在檢測生絲發生斷絲故障時，過絲勾在自身重力作用下下落，下落位置處于外殼水平安裝孔之間，正好阻擋光電接收管和光電發射管之間光信號的傳輸。傳感器檢測生絲未發生斷絲故障時，過絲勾和生絲由纖度機繞卷機構提供的拉力拉起，光電接收管接收到光電發射管發射出的紅外光信號。傳感器將生絲和過絲勾作為一個整體，間接用過絲勾替代生絲作為檢測對象進行檢測，解決了生絲由于直徑很細，斷絲前后信號變化不明顯的問題。

2.2 傳感器電路系統

2.2.1系統整體信號分析

傳感器電路系統包括光電信號發射模塊、信號接收模塊、信號放大模塊、信號整形模塊和單片機控制模塊。系統主要功能是完成對光電信號的發射、接收和處理。光電發射管發射紅外光信號，供光電接收管接收并轉換成電信號。信號經運算放大器放大，再經比較器電路整形輸出供單片機AD采集端采集。系統信號圖如圖4所示。

圖4 系統信號圖Fig.4 Signal diagram of the system

圖4中系統由光電發射管發射出光信號經光電接收管接收并轉換成弱電信號，弱電信號經高精度運算放大器放大和比較器處理后供單片機AD采集端采集。生絲發生斷絲故障時，過絲勾落下阻斷紅外光信號傳輸。光電接收管接收不到由光電發射管的輸出信號，導致單片機AD采集端采集的信號為低電平。單片機控制端輸出低電平信號，LED指示燈熄滅，提示生絲發生斷絲故障，纖度機停機。纖度機正常繞取生絲過程中，過絲勾被拉起，光電接收管接收發射管輸出的光信號。信號經放大模塊、整型模塊處理后供單片機AD采集端采集。單片機控制端輸出高電平信號，LED指示燈點亮，提示生絲未發生斷絲故障。

2.2.2傳感器硬件電路設計

傳感器硬件電路如圖5所示，由信號發射電路、信號接收電路、放大電路、整形電路、單片機模塊構成。圖中標號1～5分別對應各個電路的輸入輸出信號檢測點。

圖5 硬件電路設計圖Fig.5 Design diagram of hardware circuit

1號檢測點信號為光電接收管D0接收光電發射管D1的輸出信號。采用5 V直流電壓源驅動光電發射管D1向外界持續輸出紅外光信號，光電接收管D0接收紅外光信號并將其轉換成電信號傳輸給信號放大電路。采用光電發射管和光電接收管能保證信號傳輸的穩定性和持續性，滿足實際應用需求。

2號檢測點信號為OP07運算放大器的輸出信號，且為比較器LM393的輸入信號。光電接收管D0轉換成的弱電信號經運算放大器OP07放大，使信號更易被識別，并提高了信號的抗干擾能力。

3號檢測點信號為比較器LM393的閾值電壓輸入信號。通過改變電阻R3和R4的電阻值來設置合適的閾值并與放大器輸出信號進行比較，該閾值設定范圍為2號檢測點生絲斷絲和未斷絲2種狀態電壓信號值大小之間。

4號檢測點信號為比較器LM393經比較后的輸出信號，且為單片機采集端的輸入信號。比較器正向輸入信號大于反向輸入信號時，輸出高電平，反之比較器輸出低電平。

5號檢測點信號為單片機的輸出控制信號以及與上位機通信的串口信號。一方面，單片機通過輸出高低電平控制LED燈D3亮滅和纖度機啟停，實現對生絲是否發生斷絲的檢測。生絲未發生斷絲故障時，單片機輸出高電平，控制LED燈D3持續點亮；生絲發生斷絲故障時，單片機輸出低電平，控制LED燈D3熄滅和纖度機停機，提示絲線發生斷絲故障。另一方面，單片通過串口與上位機通信，實現對生絲斷絲檢測的遠程控制。

3 實驗與結果分析

3.1 實驗準備

傳感器安裝在QDJ920-II型生絲纖度機上，纖度機繞取22.222 2～24.444 4 dtex(20～22 D)生絲200組(每組100圈)，用于對生絲纖度的檢測。纖度機的轉速設定為300 r/min，并且用示波器對圖5中的1～5檢測點的信號進行監測。生絲斷絲傳感器采用光電二極管型號分別為SFH213FA(光電接收管)和SFH4554(光電發射管)，生絲斷絲傳感器工作電源為5 V直流電源。

3.2 實驗結果

檢測點1的信號變化如圖6所示。圖中4～5 s時間段電壓值發生跳變，表示傳感器檢測出生絲發生斷絲故障。傳感器正常運行電壓值為0.11 V，而生絲發生斷絲故障時過絲勾下落，此時檢測點1的電壓值變為0.76 V。

圖6 光電接收管接收信號變化圖Fig.6 Variation diagram of received signal by photoelectric diode

檢測點2的信號變化如圖7所示。該信號是經OP07運算放大器放大后的輸出信號，圖中4～5 s時間段生絲發生斷絲故障，其電壓值下降為1.22 V。其他時間段生絲未發生故障，電壓值為2.2 V。

圖7 運算放大器輸出信號變化圖Fig.7 Variation diagram of output signal by operational amplifier

檢測點3的信號變化如圖8所示。該信號為比較器LM393閾值電壓信號，是通過電阻R3和R4串聯分壓得到。電壓值是通過調節電阻R3、R4阻值得到，本文實驗中電壓值設為1.52 V，閾值電壓范圍設為1.3～2 V。

圖8 比較器閾值信號變化圖Fig.8 Variation diagram of threshold signal of comparator

檢測點4的信號變化如圖9所示。該信號為比較器LM393輸出信號，經比較LM393正反輸入端信號電壓值后得出。圖中4～5 s時間段的電壓電平跳變表示發生斷絲故障，運算放大器輸出信號電壓值小于比較器閾值電壓，比較器輸出高電平3.3 V電壓。其他時間段生絲未發生斷絲，運算放大器輸出信號電壓值大于閾值，比較器輸出低電平電壓。

圖9 比較器LM393輸出信號變化圖Fig.9 Variation diagram of output signal by comparator LM393

檢測點5的信號變化如圖10所示。

圖10 單片機輸出的控制信號變化圖Fig.10 Variation diagram of control signal by SCM

該信號為單片機采集比較器輸出信號后輸出的控制信號。生絲未發生斷絲，單片機輸出高電平，LED指示燈點亮。圖中4～5 s時間段電平的變化表示生絲發生斷絲故障，單片機輸出低電平控制信號，LED指示燈熄滅。

4 結束語

本文應用光電對射原理，光電接收管接收光電發射管發射的光信號并將其轉換成電信號，再通過生絲斷絲間接測量機構，將生絲斷絲前后光電接收管接收到的信號差異進行放大后供信號處理電路處理和單片機采集，實現對生絲斷絲的準確檢測。傳感器對外提供了串口接口與上位機通信，實現生絲斷絲檢測的遠程控制和實時顯示功能，進一步擴大了傳感器的應用范圍。結果表明，傳感器運行穩定，當生絲發生斷絲時可在短時間內檢測出生絲斷絲故障并及時提醒操作人員處理。該傳感器對生絲斷絲檢測具有較高檢測精度和靈敏度，在紡織領域具有較高的實用價值。