非接觸式紗線張力監測系統的研制與開發

繆宇軒，孟祥益，夏港東，王慶東，張 昊

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

在紡織工藝中，紗線張力是紗線性能最重要的參數之一，張力異常會導致紗線產生變形，影響紗線的物理性能，繼而影響后續織物的外觀結構；過大的張力值還會造成斷紗，必須停機接紗，降低了生產效率；張力值過小則造成卷裝成形受影響、后續織物結構松散等問題[1]。從紡紗到織造各工序，紗線張力大小和穩定性直接關系到產品質量、生產效率以及后續加工的順利進行[2]。

目前，紗線行進的速度越來越快，對紗線張力的要求越來越高，如何準確快速地檢測紗線張力顯得尤為重要。現有的張力檢測大部分為接觸式測量法，如應變式、差動電容式、磁電式。德國PROTECHNA公司開發出一種紗線監測裝置，該裝置通過接觸式張力檢測，識別出張力異常的紗線[3]。但接觸式測量法測量裝置與高速運行的紗線直接接觸，必然會因摩擦力給紗線的張力檢測帶來誤差，并且裝置長時間接觸紗線會造成儀器接觸部分磨損，降低測試裝置的精度和壽命。直接接觸的測量方式還存在接觸狀態變換、紗線斷頭、信號采集不穩定等問題[2]。非接觸式紗線張力檢測可以明顯減少檢測裝置對于紗線運動狀態的影響，檢測精度更高。

根據紗線振動頻率與張力的關系，張紅冉等[4]基于單片機及光電鼠標傳感器開發出非接觸式紗線張力檢測系統。蘇澤斌等[5]運用FPGA及光電傳感器也設計出非接觸式的張力檢測系統，但是二者皆存在對弦振動理論考慮不周、未對紗線進行激振等問題。本文基于弦振動理論，運用新的傳感器、信號采集調理電路、算法，開發出一種能夠有效提高紗線張力測量效率和準確度的非接觸式張力監測系統。

1 非接觸式張力監測系統檢測原理和方案

紗線在吹氣管中心高速氣流以及紗線自身的張力作用下會往復振動[6]，紗線激振方式見圖1。振動形式屬于自激振動[7]。自激振動的頻率決定于振動系統本身的參數，可以用該系統自由振蕩的諧振頻率來估算該自激振動系統的頻率[8]。

圖1 紗線激振方式

早在19世紀，Skutch[9]利用2個波反向傳播的方法獲得了軸向運動弦線系統的基頻。Sack[10]通過研究一端在簡諧橫向位移激勵下運動弦線的橫向振動響應，從共振關系中得到了系統的固有頻率。周泰[6]則從理想弦線的前提條件下，理論推導出了運動紗線張力和頻率的關系。運動弦線振動諧振頻率與張力關系式[11-12]為：

(1)

式中：fn為n次諧振頻率，Hz；L為弦線長度，m；ρ為紗線密度，kg/m3；A為紗線截面積，m2；P為弦線張力，N；v為弦線軸向運動速度，m/s。

非接觸式張力監測系統檢測紗線振動基頻，取n=1，因此可以在其余參數不變的條件下，由紗線自激振動頻率得出紗線張力。但在實際工況下，紗線的線密度會隨著紗線張力大小、濕度、溫度等因素變化[13]，因此需要一個工藝參數庫進行比對以得出紗線張力。當沒有工藝參數時，由于環境不會突變，同根紗線的張力穩定性和同種紗線多根張力的一致性仍舊能夠通過頻率檢測出來。

紗線自激振動頻率檢測的快速準確是系統檢測的核心。非接觸式張力監測系統采用的設備包括機械支架、空壓機、微控制器、傳感器電源、傳感器及信號調理電路。當具有張力的紗線通過在兩端支撐的機械支架時，啟動空壓機，在空氣管道的另一端形成穩定氣流柱，從而引發行進紗線的自激振動。通過光電傳感器可感應行進紗線的自激振動，并將自激振動信號通過信號調理電路規整為標準的方波，后送入微控制器，計算自激振動的頻率，最后進行數據比對得出紗線張力，紗線張力異常則會觸發報警。系統設計框圖見圖2。

圖2 非接觸式張力監測系統設計框圖

2 非接觸式張力監測系統設計

2.1 機械結構設計

紗線在行進過程中有效接觸并產生壓力的點為支撐點，支撐距離是2個相鄰支撐點之間的距離，式(1)中L即為紗線支撐距離。檢測系統的機械結構需要首先確定好紗線支撐距離L，為傳感器、傳感器電源、吹氣管預留固定的位置，機械結構及其局部放大圖見圖3。由于不同種類、不同粗細紗線的抗彎剛度、線密度不同，紗線在同種風壓下的振動幅度也不同。為了使紗線振動范圍不超過傳感器檢測范圍，必須通過控制支撐距離的方式來控制紗線振動幅度。因此，支撐紗線的支撐端可設計成可移動式的，以滿足不同紗線的工藝需求。本文試驗支撐距離L選擇為0.1 m。

2.2 電路設計

搭建信號采集調理電路[14-15]，使得信號是單片機能夠從中讀取信息的規整方波。使用Altium Designer軟件設計電路，使用Protues軟件進行仿真校驗。

根據紗線不透光以及自激振動時往復運動的特性，系統使用紅外對管感應紗線的振動[16-17]。選擇峰值波長為940 nm的紅外對管以減少自然光對傳感器的影響[18-19]。紅外發射管選擇LTE-327IT型，具有發射角小而發射功率較大的特點[20]；接收管選擇MID56H19型，具有接收響應波長范圍小的特點[21]。圍繞紅外對管搭建信號采集電路，信號采集電路見圖4，圖中：D2為紅外發射二極管；Q2為紅外光敏三極管；R1、R3為限流電阻，分別限制流過Q2和D2的電流，防止對應器件損壞；D1為穩壓二極管；Q1為三極管；U1A為運算放大器；VCC為電路的供電電壓。

圖4 信號采集電路

D2和Q2形成1個光路，光路中心光強最強，向周圍漸弱。紗線在D2和Q2之間振動時，紗線遮擋光的程度越高，光敏三極管兩端電壓越高，即U1A的同相輸入端電位越高。Q1能夠利用Q2的信號狀態調節D2的發射功率，在遮擋程度高時提高D2發射功率，在遮擋程度低時降低D2發射功率，使得電位變化平滑。隨著紗線的周期振動，光敏三極管兩端的電壓呈周期性變化，在穩壓二極管D1的穩壓以及C1的充放電作用下，U1A的同相輸入端會形成一個在D1穩壓值附近隨紗線周期變化的電信號，R4用于控制C1充放電速度以及限制Q1基極電流。

運算放大器U1A、負反饋電阻R5、電阻R2和電容C2組成交流同相放大器，可使一定頻率的交流信號能夠同相放大(放大倍數為“1+R5/R2”倍)而直流信號保持不變。該電路還可以提高對前級電路的輸入阻抗，降低對后級電路的輸出阻抗，起隔離作用，使信號采集電路與之后的信號調理電路互不影響。添加阻值與信號源內阻相近的反饋電阻R5，可以減少輸出失調電壓，提高精度。

信號調理電路見圖5。能夠將信號采集電路的初步信號規整為單片機可從中讀取頻率信息的方波，其中U1B為運算放大器，R11為電位器。

圖5 信號調理電路

R11經調整后加入電路阻值不再變動。R6阻值較大，所以電壓信號經C3到R6的一端后，對R6的另一端電位影響很小。C3與R6形成高通濾波電路，C3也可看做耦合電容，電壓信號經過該電路處理，可以有效消除前級電路的直流成分，并附加上電壓大小為VCC×R7/(R7+R11+R8)的直流成分，連接至運算放大器U1B的反相輸入端，為信號離散化做準備。以U1B做比較器，由圖5可知，U1B的同相輸入端電位為VCC×(R7+R11)/(R7+R11+R8)，高于VCC×R7/(R7+R11+R8)，當直流成分為VCC×R7/(R7+R11+R8)的周期信號輸入U1B的反相輸入端時，每當U1B的反相輸入端電位高于U1B的同相輸入端電位時，便會輸出一次運算放大器的負電源電壓，即低電平；反之輸出高電平。然后在U1B輸出端通過R9和R10的電阻分壓，控制輸出電壓范圍以滿足后級電路的電壓輸入條件，并通過輸出端輸出。

2.3 微控制器軟件設計

將信號調理電路輸出的方波經過分壓處理后送入具有計數功能的微控制器進行處理，軟件設計框圖見圖6。

圖6 軟件設計框圖

微控制器定時一段時間，用在這段時間內感應到的方波個數除以定時的這段時間就是頻率。為縮小誤差但又不影響效率，測量1根紗線的時間應在10 s左右。微控制器的存儲模塊可以存放工藝參數數據庫，工藝參數數據庫里保存有不同環境、不同種類紗線的頻率張力對照表，微控制器將計算的頻率與工藝參數比對得出，然后紗線顯示張力，當紗線張力偏離設定的正常范圍值時報警模塊報警。同種紗線、同樣環境下的頻率信息可有效反映紗線張力的穩定性或一批紗線張力的一致性，如果沒有工藝參數數據庫，則可以記錄下頻率信息然后顯示頻率。頻率信息會不斷與前幾次測量結果進行比對，當頻率值超出設定的正常范圍，也會報警。

3 試驗部分

3.1 波形采集試驗

傳感器運用于振動紗線檢測之前，先利用示波器提取紅外光電傳感器的采集電路對規則振動物體感應的波形，以測評該紅外對管及采集電路的實際效用。使用撥針作為規則振動物體，分別進行周期振動和衰減振動。采用UPO2102CS示波器直流耦合，采集電路對撥針振動的感應波形見圖7。

圖7 采集電路對撥針振動的感應波形

從圖7可以看出該傳感器的采集電路能準確反映振動物體的振動規律。然后再測試調理電路，調理電路測試波形見圖8。輸入圖8(a)所示的信號，經調理電路處理后，未經分壓處理的波形如圖8(b)所示，可以看出調理電路能夠將規律的信號轉化成同頻率的方波。

圖8 調理電路測試波形

3.2 紗線張力監測試驗

紗線張力監測試驗在整經機樣機上進行，通過給紗線施加固定的張力，觀察系統監測的紗線振動頻率是否符合規律。紗線線密度為9.7 tex，空壓機公稱容積流量為90 L/min，測試時空壓機壓力表讀數為0.4 mPa，吹風管規格為4.0 mm×2.5 mm(外徑×內徑)，支撐距離為0.1 m，紗線行進速度為300 m/min。計算頻率時，紗線振動1次穿越傳感器2次，即計頻數為紗線振動頻率的2倍。使用ZD2-100張力計(德國施密特公司)標定運行時紗線的張力，該張力計精度可達到±1 cN。紗線張力未達到實驗條件時，通過張力調節單元調整紗線張力至條件值并保持張力恒定。每種紗線張力對應的頻率分別測10次。取平均值，并與理論計算值作比較，在不同環境下進行4次試驗以校核可重復性。紗線張力理論值P計算式為：

P=f2×9.84×10-6

式中：f為被檢到的紗線振動頻率，Hz;P為紗線張力，cN。

在試驗環境溫度32 ℃,相對濕度60%條件下，紗線張力計算理論值見表1。測量4次后，紗線自激振動頻率與張力關系見圖9。

圖9 紗線自激振動頻率與紗線張力關系

表1 紗線張力計算理論值

由表1和圖9可以看出,非接觸式紗線張力系統監測出的紗線頻率與紗線張力呈正相關，紗線振動頻率的平方與紗線張力呈線性關系，擬合優度達到0.99，符合式(1)的描述。圖9(a)中，在15～60 cN的張力區間內，通過理論公式計算出的張力值與實際值相對誤差不超過±10%。但是70 cN下檢測到的計算理論值與實際值的相對誤差達到了14%，這是因為大張力下，試驗時紗線受到過大張力拉扯變形，其本身物理屬性如線密度等發生劇烈變化。試驗中發現隨著環境變化，紗線線密度也發生變化，各種環境下計算值與實際值的偏差也不同。總體來說，該系統在同種紗線、同樣環境的條件下，其采集到的頻率信息可有效反映紗線張力的穩定性或一批紗線張力的一致性。

4 結束語

基于弦振動理論和光電傳感器，通過機械、電子、軟件設計，開發了一種非接觸式張力監測系統。在同種紗線、同樣環境的條件下，可以實現非接觸式動態監測單根紗線張力的穩定性或一批紗線張力的一致性，不會對紗線本身及其行進產生影響，提高了產品質量和生產效率。在實際使用中，也可將該系統用于張力閉環控制的反饋，調節紗線振動頻率一致進而達到紗線張力一致。后期將完善不同環境下的頻率張力關系的工藝參數庫，使得該系統在環境不穩定的情況下，由檢測到的頻率結合工藝參數庫得出紗線張力值。