非接觸式紗線狀態檢測技術研究

章鈺娟 彭來湖 徐郁山 袁嫣紅

摘 要：針對針織機械生產中紗線張力波動、斷紗、停紗等紗線狀態變化影響織物質量的問題，深入分析紗線輸送動態特征，提出了一種基于紅外光投影的光電感應檢測方法，闡述了紗線狀態檢測總體方案，詳細論述了紗線狀態檢測器硬件設計和軟件開發。根據光電感應信號特點，設計了雙路差分檢測放大電路，并采用滯回比較電路實現模擬信號到數字信號的轉化。通過對脈沖信號進行統計歸納，最終得到紗線張力與脈沖個數的關系，進而實現針織機械生產編織過程中紗線狀態的動態檢測和實時報警。測試表明：光電感應的紗線狀態檢測方法可行，設計的紗線狀態檢測器工作正常，隨著紗線張力的變化，測得的脈沖個數也隨之變化，兩者具有正相關性。研究成果對紗線張力的非接觸性檢測研究具有重要意義。

關鍵詞：紗線輸送;紗線張力;光電傳感;脈沖信號;硬件電路

中圖分類號：TS103.7

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0101-08

Abstract： Given the fact that fluctuation of yarn tension， yarn breakage， yarn stoppage and other changes in yarn state in the mechanical production of knitting can affect the quality of fabric， the dynamic characteristics of yarn delivery are deeply analyzed， and a photoelectric sensing detection method based on infrared projection is proposed. An overall detection scheme for yarn state is presented. The hardware design and software development of the yarn state detector are discussed in detail. According to the characteristics of the photoelectric sensing signal， a two-way differential detection amplifier circuit is designed， and a hysteresis comparison circuit is adopted to realize the conversion from analog signal to digital signal. Through the statistical induction of pulse signals， the relationship between the yarn tension and the number of pulses is finally obtained. After that， the dynamic detection and real-time alarm of yarn state during the production and knitting of the knitting machine are realized. The test shows that the yarn state detection method based on photoelectric induction is feasible， and the designed yarn state detector works normally. As the yarn tension changes， the number of measured pulses also changes accordingly. There is a positive correlation between the two. The research results are of great significance for the research of non-contact detection of yarn tension.

Key words： yarn delivery; yarn tension; photoelectric sensing; pulse signal; hardware circuit

紗線張力是紡織生產中的一項重要參數，影響輸紗到織造中的各個環節[1]，紗線張力的大小和穩定直接關系到織物品質、生產效率以及后續加工的順利進行[2]，張力增大會增加斷紗率，重新穿紗需要停機，且重新尋找接頭并接線需要的時間較長，影響生產效率，當張力過大時會使紗線產生永久變形，影響織物的強度、表面性能及織物結構;張力過小會影響織物編織成型，造成織物結構松散，缺乏彈性[3]。因此，對紗線張力的檢測技術進行研究，對提升織物的品質和針織生產自動化水平具有重要意義。

目前大多數紡織工藝中使用的是接觸式紗線張力儀，檢測過程中傳感器測試元件與紗線直接接觸，儀器表面長時間接觸運動著的紗線，不但會產生磨損，縮短儀器的使用壽命，而且會對紗線的運行狀態產生影響，不能真實地反應紗線的張力及其變化[4-5]。非接觸式紗線張力檢測可以明顯減少儀器對紗線輸送狀態的影響，從而提高張力檢測的準確性。

在對非接觸式紗線張力檢測的研究中，繆宇軒等[6]基于紗線自激振動頻率及光電傳感器開發出非接觸式紗線張力監測系統。蘇澤斌等[7]基于FPGA及光電傳感器開發出非接觸式張力檢測系統，兩者的研究都是基于紗線振動頻率和紗線張力的關系，本文基于紗線張力和光電傳感器脈沖個數的關系，提出了一種非接觸式紗線張力檢測系統，運用紅外光電傳感器、信號調節電路和算法，開發出一種便捷迅速和準確度高的非接觸式紗線張力檢測系統。

1 紗線狀態分析及檢測方案設計

1.1 紗線輸送狀態

針織機紗線輸送過程如圖1所示[8]，針織機針筒轉動，帶動紗線從紗筒上牽引下來，經過輸紗器上的傳動組件和傳感器組件，纏繞到輸紗器的繞紗筒上，通過輸紗器的斷紗報警器感應桿后，勾在織針的針鉤上[9-10]，所需輸紗器的數量由針織機路數決定。當針織機正常工作時，紗線在針筒的轉動下隨著織針的出針動作完成相應的編織。

針織生產過程中紗線的狀態會隨著編織工藝的改變而不斷變化，換色、添紗、減紗、動態調節織物密度等工藝的實現需要調整紗線用量和排列規則[11]，這些工藝實現的過程中紗線張力會不斷地波動，從而影響紗線輸送的穩定性。

1.2 非接觸式紗線張力檢測方法

紗線張力主要來源于輸紗器的輸送力和織針的牽拉力，運動中的紗線可近似看成一根弦，由弦振動理論可知，張力越小，抖動頻率越小;張力越大，抖動頻率越大[12]。紅外光電傳感器由紅外發射二極管和光電傳感器組成，紅外發射二極管通電時會發射出一定波長的紅外光，當紅外光照射到光電傳感器時，光電傳感器內光敏二極管的阻值將大幅度減小，對應分壓也隨之減小。紗線經過感應區時在光電傳感器中線上方不規則抖動，使得光電傳感器左右兩邊因為紗線的遮擋得到不同的光量，從而兩路光電傳感器輸出得到差分電壓IN1和IN2，紗線經過感應區的示意如圖2所示。

1.3 紗線狀態檢測方案設計

根據光電感應檢測原理，選擇ARM為控制器核心[13]，設計紗線狀態檢測器實現紗線張力的檢測。系統框圖如圖3所示，其中微控制單元（MCU）采用STM8S103F3芯片;信號處理模塊由放大電路、濾波電路和滯回比較電路組成，電源模塊為其他模塊提供電源;通訊模塊為紗線狀態檢測器和集控器的通訊傳遞數據;報警模塊主要顯示紗線輸送中紗線狀態檢測器的異常。

2 硬件電路設計

2.1 差分放大電路

光電傳感器兩端差分電壓IN1和IN2的值很小，屬于毫伏級別，通過連接如圖4所示的差分放大電路可以將IN1和IN2進行放大，差分放大電路具有放大差模信號，抑制共模信號的特點，以適應紗線狀態信號弱信噪比的特征。由放大電路原理可以得出放大倍數為R0/R1，通過調節電阻的大小可以動態調整放大倍數，放大倍數越大，紗線狀態檢測器的靈敏度越高，但是放大倍數過大容易導致信號失真，且放大器供電電壓為正，放大器參考地是0V，為防止放大后的信號底部失真，加入2.5V的直流電壓與放大信號進行耦合。通過放大和耦合，得到的電壓信號OUTA以2.5V為基準上下浮動，且不同狀態下浮動差異明顯。

2.2 低通濾波電路

光電傳感器原始信號一般為頻率較低的信號，但外界的電磁、噪聲信號以及電路中電子元器件的干擾，會導致輸出的信號中夾雜高頻信號，這些高頻信號會影響原始信號的檢測和測量精度，因此設計如圖5所示的低通濾波電路圖進行濾波。

濾波電路的傳遞函數為：H（jw）=Uo/Ui=1/（1+jwRC），截止頻率f為1/（1+2πRC），實際測試中的信號頻率為200～1000 Hz，考慮到元器件本身的誤差以及電路板布線及器件的干擾，設置截止頻率為1500 Hz。通過低通濾波電路消除高頻噪聲信號，提高檢測精度。

2.3 滯回比較電路

經過放大電路和濾波電路后輸出信號仍然是模擬信號，一般經模數轉換后單片機計算處理的方法需要單片機具有較強的數據處理能力，而且無法直觀地體現紗線張力和電壓信號的關系，創新設計了一個滯回比較電路[14]，可將其變成單片機可以處理的脈沖信號OUTB，滯回比較電路及其電壓傳輸特性曲線如圖6所示。

下閾值電壓：UTH1=R4R4+R5*Vz+R5R4+R5*UOL

上閾值電壓：UTH2=R4R4+R5*Vz+R5R4+R5*UOH

式中：UOH和UOL分別為滯回比較器輸出的高低電平;Vz為參考電壓;R4和R5為調節電阻。由于放大電路參考地為0 V，所以低電平UOL為0 V，滯回比較后的OUTB脈沖信號，此信號直接輸入單片機，所以高電平設為為5.0 V，參考電壓Vz設為2.5 V，和是反向輸入端的上下閾值，它將電壓跳變的條件劃分為一個滯回區間，調節電阻和電阻可以改變滯回區間的大小。不同張力的紗線經過放大電路和滯回比較電路，就能得到不同的脈沖個數，對脈沖數進行統計，即可得到兩者的對應關系。

3 軟件設計

3.1 紗線狀態檢測器軟件設計

單片機接收到脈沖信號后的軟件設計流程圖如圖7所示。針織機上一般會掛載8～16個紗線狀態檢測器，為了統一管理，需要先編號。不同的織物編織工藝不同，需要根據不同的工藝設定合理的參數。采樣階段主要是記錄一件織物完整編織后的采樣數據，檢測階段主要將當前數據和采樣數據進行比對，從而判斷紗線張力是否正常。

集控器處于檢測階段時，根據零位信號和同步信號特性，下發相應的零位信號及同步信號給各個已編號的紗線狀態檢測器，各路紗線狀態檢測器根據接收到的信號進行相應的編織。在檢測階段，如果發現當前采集的脈沖和采樣值存在差值[15]，且差值超過預設的誤差值，紗線狀態檢測器就會報警閃燈，并向針織機主控制系統發送報警指令，相應針織機接收到報警指令后就會進行停機操作。

3.2 采樣調試

紗線狀態檢測器處于采樣階段時，接收來自集控器的采樣指令及零位信號。紗線狀態檢測器采樣階段程序流程圖如圖8所示。接收到采樣指令后，紗線狀態檢測器等待針織機零位信號來啟動正式的

編織，零位信號到來時開始采樣。采樣過程中，紗線狀態檢測器對不同時刻的脈沖個數進行數據統計，并儲存到對應的內存地址。接收到集控器發來的第二個零位信號時，表示當前織物編織完成，采樣階段也隨之完成。

3.3 RS485總線通訊設計

RS485總線驅動程序分為UART初始化、數據發送和接收3個部分。UART初始化模塊主要設置時鐘、波特率、串口工作模式和中斷工作方式等，為了提高數據傳輸的效率和實時性，數據接收采用中斷方式。集控器和紗線狀態檢測器進行數據傳輸時，采用半雙工的模式，通過判斷傳輸數據中的功能代碼進行相應操作，RS485通訊協議如表1所示[16]，傳輸中會根據CRC校驗碼判斷數據傳輸是否正確;如果錯誤則舍棄所有數據，正確則將數據存入并清空接收寄存器等待下次接收。RS485通訊以數據包的形式進行數據傳輸，降低了軟件開發的復雜性，整體通訊方式比較簡便，減少了數據接收錯誤率，提高了通訊的可靠性和實時性。

4 實驗功能測試

4.1 實驗平臺搭建

為了測試紗線狀態檢測器工作情況，搭建了如圖9所示的實驗平臺，通過調節紗線張力大小來改變紗線的輸送狀態，利用示波器來觀察脈沖信號

OUTB的變化。紗線通過伺服電機和導向輪進行勻速運動，紗線張力可以通過調節張力夾線器松緊來改變。實驗平臺中安裝有紗線狀態檢測器，紗線狀態檢測器如圖10所示，紗線經過紗線狀態檢測器的感應區，紗線正常工作時將紗線狀態檢測器與示波器連接，可對脈沖信號OUTB進行采集。

4.2 模擬信號特性實驗

當紗線正常工作時，設置紗線張力為10 cN和30 cN，利用示波器采集紗線經過紗線狀態檢測器后的電壓信號OUTA波形圖如圖11所示。由圖11（a）可知，紗線在經過光電傳感器時產生的電壓在不斷變化，且整體電壓在1～4V之間波動，這是由于紗線在運動過程中不規則地抖動;增大紗線張力后得到圖11（b）所示的波形圖，此時電壓也在不斷變化，但電壓整體比紗線張力為10 cN時更集中，電壓幅值波動減小，主要集中在1.5～3.0 V之間，同時由于弦效應，張力增大后紗線抖動頻率增大，單位時間內電壓幅值跳變次數增多。

4.3 模數轉換實驗

經過濾波放大后得到的電壓信號OUTA通過滯回比較電路可以轉化為脈沖信號OUTB，利用示波器采集滯回比較后的脈沖信號OUTB如圖12所示。

由滯回比較器的工作特性可知，當信號電壓的電壓值大于上閾值電壓時，信號OUTB的電壓由5 V跳變為0 V，反之，當信號電壓的電壓值小于下閾值電壓時，信號OUTB的電壓由0 V跳變為5 V，當電路正常工作時即可正常輸出脈沖，對不同張力下的脈沖數進行統計即可得到紗線張力和脈沖數的對應關系。

4.4 不同張力下的脈沖信號統計

實驗平臺中運動的紗線張力范圍為10～26 cN，控制紗線勻速運動，將紗線張力以3 cN為一

檔進行脈沖調試，分別得到以下6組不同紗線張力下脈沖信號OUTB的個數，統計前2000個數據的脈沖個數，計算這6組數據的平均值，得到表2和圖13的統計結果。

由表2和圖13可以看出，隨著紗線張力逐漸增大，紗線狀態檢測器產生的脈沖信號OUTB的個數也在逐漸增多，兩者具有正相關性，因此可以進一步利用單片機對脈沖信號進行統計處理，從而實現對紗線張力大小的檢測與判斷。

5 現場試用

通過前期采樣及后續上機調試可以得出結論：紗線張力大小和脈沖個數呈正相關的關系，利用紗線狀態檢測器進行整件織物脈沖個數的統計，通過多次實驗得到一件織物完整的采樣值，然后將后續織物的實時脈沖數據與采樣值進行比對，即可對張力大小進行判斷。現場試機過程中集控器界面如圖14所示[17]，人為地改變紗線張力大小，集控器可以根據實際改變的張力大小進行檢測，如果紗線張力在正常范圍以內，紗線狀態檢測器將正常工作，紗線狀態檢測器工作狀態如圖15所示。

從上述結果可以看出，利用光電感應的原理，通過對不同紗線張力下的紗線狀態信號進行采集處理，可以很好地對紗線張力的大小進行判斷并報警，有很廣闊的工程應用前景。

6 結 語

通過對針織生產中紗線輸送動態特征進行研究，提出了一種基于紗線紅外光投影的光電感應檢測方法，根據光電感應信號特點，設計了雙路差分檢測放大電路，并采用滯回比較電路實現模擬信號到數字信號的轉化，從而對脈沖信號進行統計歸納。經測試，光電感應的紗線狀態檢測方法可行，設計的紗線狀態檢測器工作正常，通過對脈沖信號進行統計歸納，最終得到紗線張力與脈沖個數之間的關系，實現針織機械生產編織過程中紗線狀態的動態檢測和實時報警，研究成果對紗線張力的非接觸性檢測研究具有重要意義。

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