紗線張力傳感器的研究進展

陳傳亮，王成群，呂文濤，徐偉強

(浙江理工大學，a.信息學院；b.紡織科學與工程學院，杭州 310018)

紡織工業在國民經濟當中占有重要地位，新型傳感器的創新與應用促進了紡織工業技術的發展。在紡織品實際生產過程中，紗線張力是一個十分重要的控制參數，決定著紡織品的質量等級[1]。如果紗線張力過大，容易造成紗線受損或斷頭；如果紗線張力過小，則容易引起紗線卷曲，影響布匹平滑度、成型等[2]。因此，紗線張力的在線檢測與控制對于紗線的生產過程具有重要的現實意義。此外，紗線張力不是一個恒定值，它隨著紗線的生產流程，因材料、外部環境、控制參數等而發生變化，這些因素均增加了在線紗線測量的難度。因此，如何在線測量紗線張力成為紡織品生產過程中產品質量在線檢測需要亟待解決的任務。

本文闡述了紗線張力檢測的重要性，并根據測量原理、紗線的運行狀態等方面對紗線張力檢測技術進行了分類和歸納總結，最后結合市場需求、測量原理對紗線張力傳感器的未來發展方向進行了展望。

1 張力傳感器原理

隨著紡織行業的蓬勃發展以及傳感器技術的不斷更新，針對不同的紗線類別和紡織品生產工藝需求，各式各樣的紗線張力傳感器相繼被研制出來。雖然這些張力傳感器的基本原理有所差異，但其結構組成的總框架是相似的，如圖1所示。

圖1 紗線傳感器結構Fig.1 The structure block diagram of yarn tension sensor

通過傳感器的敏感元件(采集元件)和轉換電路將張力大小轉換為可檢測的電信號，最后將檢測到的電信號轉換為張力大小。根據檢測過程中敏感元件(采集元件)與紗線是否直接接觸，可以將其分為接觸式傳感器與非接觸式傳感器。根據紗線的運行狀態和檢測結果輸出的及時性，可以分為靜態檢測和動態檢測。靜態檢測是指在張力檢測時，紗線處于靜止狀態或者張力傳感器只能隨機性參與檢測并給予動態值。動態監測是指對運行中的紗線進行實時測量，并同步轉換為實時張力大小的信息。

根據工作原理以及檢測狀態的不同，張力檢測傳感器大致可以分為以下類別[3]，如圖2所示。

圖2 紗線張力傳感器的分類Fig.2 The classification of yarn tension sensor

2 接觸式張力傳感器研究

目前，在紗線生產過程中普遍采用三點彎曲測力結構[4]，如圖3所示。

圖3 三點彎曲測力結構Fig.3 The structure diagram of three-point bending force measurement

該結構中紗線張力傳感器的3個導紗輪與被測量的紗線接觸，導紗輪C是檢測輪，導紗輪A和B是輔助輪，由于紗線在運動的過程中，導紗輪C因受力形變而產生局部變形，敏感元件將形變量轉化為應變、位移等中間信號，并通過測量電路轉換成電信號來進行測量。現在常用的接觸式張力傳感器主要有電阻應變式、差動電容式、光纖Bragg光柵式、聲表面波式。它們的基本原理都是將紗線張力的變化量轉化為特定的中間量，如電阻值、電容值、位移量等，依靠敏感元件良好的靈敏度、一致性和穩定性進行測量[5]。

2.1 電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器主要是由彈性元件、電阻應變片、電信號檢測電路和一些相關的校準、補償電路組成。其基本原理是將彈性元件的形變量轉換成電阻值，通過測量電阻值的變化計算出張力值[6]。近幾年來針對電阻式張力傳感器的研究與設計主要集中在彈性體和應變片的結構和材料的探索，信號處理和電橋電路的創新，以及整體結構的改進。

程寶平[7]提出了S型雙孔彈性體結構的測力傳感器；沈瑜等[8]提出了一種電阻應變式S型單孔紗線力傳感器；錢岳強等[9]提出了一種基于陶瓷薄梁的S型紗線張力傳感器；克服金屬材料的金屬疲勞特點，進一步提高了傳感器的可靠性；郝永健等[10]利用有限元分析法提出了異性彈性片結構的紗線張力傳感器；通過邊緣剪裁、挖孔等方式改變彈性片質量分布，得到最佳的狀態；李耀杰等[11]使用ANSYS拓撲優化算法來提高懸臂梁結構的固有頻率，增加響應過程的穩定性；王武立[12]提出了一種電阻應變片式可調節零位的新型紗線張力傳感器，提高了傳感器的穩定性和測量精度，同時實現了零位可調節。

綜上所述，電阻式應變張力傳感器的技術是比較成熟的，通過使用石墨打滑傳感器接觸頭減小接觸摩擦[13]；采用合適的電橋電路可以提高傳感器的靈敏度，并且可以減少非線性誤差和溫度誤差，其中全橋式電路的性能優于半橋式電路，半橋式電路的性能優于單臂電橋電路[14]；采用合適的激勵源頻率可以提高傳感器的靈敏度；采用合適的彈性體結構和材料可以減小傳感器自身的共振影響，需要注意的是電阻應變片粘貼的位置容易造成測量的不一致性[15]。在適當的量程范圍內該類傳感器具有靈敏度高、穩定性好、成本低等優點，因此被廣泛使用。

2.2 差動電容式張力傳感器

電容式紗線張力傳感器的核心是差動電容式傳感器，主要包括定極片、動極片及導紗輪。電容式紗線張力傳感器近年來的相關研究主要集中在電容介質、彈性體結構以及系統結構創新的研究。

2008年，Carvalho等[16]研究了用于測定紗線質量特性的自動系統。此系統基于差動電容式傳感器，允許紗線生產廠家對紗線的疵點和統計值進行量化，可以直接檢測直徑1 mm范圍內的紗線張力，并可以消除測量直徑1 mm紗線樣品時毛羽的影響。但是由于采樣頻率較低，無法滿足高速紡紗流程的要求。

2001年，劉樺等[17]通過增加固體介質設計了一款新型的雙相介質差動式電容傳感器，提高了傳感器的線性度和靈敏度。2014年，Tong[18]提出采用變介質電容式傳感器進行紗線疵點檢測來提高紗線的織造性能和紡織產品的質量。由于兩極板之間的介質與電荷量存在一定的線性關系，因此通過變介質來影響電容量變化。該傳感器靈敏度高、滯后性小、動態性能好。

2016年，Karnoub等[19]利用傳統的手持式差動電容紗線張力傳感器，并結合遺傳算法和基于梯度的優化方法，提出了一種適用于織機織物生產過程中的紗線張力檢測技術及其仿真模型。仿真實驗證明，通過該方法計算得到的最佳織機設置參數，可以進一步提高織物的生產效率和產品質量。

2020年，Chattopadhyay等[20]驗證了紗線張力的變化是由于紗線生產過程中的轉子真空引起的。實驗證明隨著轉子內部真空空氣的減少，紗線張力增大。并且隨著卷繞輥速度的變化，卷繞輥速度周圍的氣流也隨之變化，從而改變轉子旋轉所產生的離心力。轉子產生的離心力和紗線張力同時受到轉子相對真空和卷繞輥速度的影響。

電容式張力傳感器與電阻式張力傳感器的原理相似，都是采用懸臂梁式導紗，然后根據懸臂梁的變形來檢測紗線的張力變化。由于在測量過程中，需要長時間和導紗輪、檢測輪接觸，引入了3個新的摩擦點，對產品質量帶來一定的影響。

2.3 基于聲表面波技術的張力傳感器

聲表面波主要集中在彈性體的表面，當物體受到外力作用時，彈性體會引起波動，并且會沿彈性體平滑表面傳播下去[21]。基于該特性研究設計了聲表面波器件，聲表面波式傳感器具有高精度、高靈敏度的特點。另外聲表面波器件體積小、重量輕、功耗低、穩定性高、重復性及可靠性好，便于大規模批量生產。有關聲表面波的紗線張力傳感器的研究匯總如表1所示。

表1 聲表面波傳感器研究匯總Tab.1 Research progress of surface acoustic wave sensors

研究表明，壓電基片材料的方面，石英晶體優于LiNbO3。同等恒定張力情況下，選用石英晶體，可以更大限度地提升壓電基片的應變能力，應變率越高，其靈敏度越高；石英晶體的機電耦合系數K2較小，聲電再生效應可以得到有效的抑制；石英晶體溫度系數為零，無需考慮溫度補償[23]。在壓電基片的結構設計方面，壓電基片的尺寸影響著壓電基片的應變率，叉指換能器的位置影響著傳感器的靈敏度，采用多元線性回歸分析、改進二分法以及余弦平方函數計算等方法建立數學模型進行結構優化，并通過增加壓電基片的應變率來提高傳感器的靈敏度，得到最優的結構模型。雙端固支梁比單懸臂梁式結構更加穩固[27]。在實驗數據的處理方面，采用最小二乘法、曲線擬合以及二次規劃求解等確定傳感器輸出信號變化量與張力之間的關系，計算出紗線的張力。

聲表面波紗線張力傳感器輸出頻率信號，相比輸出模擬信號的傳統紗線張力傳感器抗干擾特性更好，并且輸出信號容易檢測、響應時間快以及外圍檢測電路簡單[29]。但是從結構上來看依然采取了三輪接觸式張力檢測，并且實驗中僅實現了對其靜態特性指標的測試。在工業環境下，傳感器動態工作特性也需要全面測試，比如振蕩器頻率的跳變、振蕩平衡條件的相位零點、動態誤差等。

2.4 光纖Bragg光柵式張力傳感器

光纖Bragg光柵是利用光線的光敏特性制作而成，在光纖纖芯內形成了空間相位光柵，相當于在內部形成了一個窄帶的濾波器或者反射鏡，使得折射率沿光纖軸向呈周期性分布[30]。當光纖應變時光纖Bragg光柵周期由于彈光效應發生有效折射率的變化導致其中心波長偏移。由于光纖Bragg光柵抗干擾能力強，但是在應變的變化情況下能夠導致光纖Bragg光柵中心反射波的波長發生漂移，對應的關系式為：

Δλ=2TΔneff+2ΔTneff

(1)

式中：λ為光纖Bragg光柵的波長，nm；neff為光纖Bragg光柵的有效折射率，T為光纖Bragg光柵的周期，μm。在恒溫條件下，通過檢測光纖Bragg光柵中心波長的變化來推導出張力引起的應變量變化。

2010年，任泉等[31]提出了基于光纖Bragg光柵應變傳感器的紗線張力傳感器，通過ANSYS軟件仿真設計了具有良好線性的新型懸臂梁彈性體結構。基本結構如圖4所示，將光纖Bragg光柵傳感器一端固定，另一端和導紗輪C相連接。當紗線張力作用在導紗輪C上時，會引起光纖Bragg光柵傳感器發生應變，從而造成光纖Bragg光柵中心反射波波長發生變化如此根據光波波長變化計算出紗線張力大小。通過對大量的實驗數據擬合分析證明了光纖Bragg光柵波長變化和紗線張力值有很好的線性關系。

圖4 光纖Bragg光柵式紗線張力傳感器結構Fig.4 The structure diagram of fiber Bragg grating yarn tension sensor

2020年，De Pauw等[32]利用光纖傳感器開發了應用于劍桿織機中的紗線張力的檢測系統。通過采用直徑為195 有機改性陶瓷涂層光纖，可以將實驗控制偏差控制在1%之內，并利用光纖傳感器的多路復用功能可以獲得在紗線方向上從紡織筘到織物卷之間紗線物寬度的張力分布。

光纖Bragg光柵式紗線傳感器具有良好的線性、重復性，測量靈敏度高[31]，但依然屬于三輪接觸式張力傳感器，不適合運行速度較快的紗線張力檢測。并且在不同溫度場景下，中心反射波也會發生變化，對應的數據擬合狀況也會發生變化，因此需要大量的數據驗證。

以上幾種紗線張力傳感器均為直接接觸式張力檢測，存在導紗輪磨損、附加摩擦力誤差、紗線摩擦斷頭、信號采集不穩定，采樣頻率較低等問題。

3 非接觸式張力傳感器研究

隨著紡織技術的高速發展，紡織產品的加工速度越來越高，因此傳統的紗線張力傳感器已經無法滿足現代高速紡織工藝的需求。非接觸式紗線張力傳感器的檢測元件不與紗線有直接接觸，減少了紗線生產過程的影響，因此更加適合在線檢測紗線張力的場景。加上各類學科知識的交叉結合以及新技術的日益成熟，非接觸式紗線張力檢測技術也在不斷的更新和發展。當下非接觸式紗線張力傳感器主要集中在CCD技術和光電傳感兩個方面的研究。

3.1 基于CCD技術的張力檢測

CCD(Charge coupled device)圖像式紗線張力傳感器是結合了圖像傳感器和圖像處理技術。CCD圖像傳感器是一種具有光電轉換、電荷儲存以及電荷轉移功能的傳感器件[33]。CCD技術可以應用在紗線張力檢測的理論最早是由英國的利茲大學提出的，并逐漸成熟，目前CCD技術在紡織行業有較廣泛的應用[34]。

CCD圖像式紗線張力傳感器的結構如上圖5所示，將卷繞機部分建立模型圖，并在弦的x軸方向上進行力學分析，紗線張力與紗線實際傳播速度的關系為:

圖5 CCD圖像傳感器式紗線張力傳感器結構Fig.5 The structure diagram of yarn tension sensors based on CCD image sensor

(2)

式中：v表示紗線運行速度，m/s；F表示紗線張力，N；c表示紗線彈性波沿弦長度方向的傳播速度，m/s；ρ表示紗線的線密度，kg/m。當張力傳感器正常工作時，紗線一側用平行光源照射，利用CCD圖像傳感器在間隔點很短的情況下連續拍攝圖像，在卷繞模型上建立坐標系并確定相鄰時間間隔內圖像的最大彎折點，即相鄰兩幅圖像最大彎折點處對應t1時刻A點狀態到t2時刻B點狀態橫波的位移。相鄰兩幅圖像的時間間隔與CCD圖像傳感器的采集頻率的關系是t=1/f。即可根據式(2)計算出紗線的張力[35]。

基于CCD技術的張力傳感器主要包括圖像采集模塊、運算處理模塊、通信控制模塊等[36]。圖像采集模塊主要采集紗線經過時的圖像；運算處理模塊主要對采集到的紗線圖像進行運算處理，然后獲取需要的信息，通信控制模塊主要完成系統運行中的數據傳輸。相關的研究也是集中在圖像采集的方式以及圖像處理方法的不同展開的。近年來，基于CCD技術的紗線張力檢測技術不斷地更新，相關的研究內容如表2所示。

表2 相關CCD技術的張力檢測研究匯總Tab.2 Progress of tension detection based on CCD technology

基于CCD技術的張力檢測，利用圖像處理獲取紗線氣圈的特征參數計算出紗線的張力大小。在圖像獲取的過程中，可以采用小波、傅立葉描述濾除、灰度線性變換等方法對圖像進行壓縮、去噪和增強處理，也可以使用ANSYS模擬紗線氣圈形態，以達到更好的效果。在圖像的邊界處理方面，可以采用比較法提取邊界特征的二值化方法對圖像進行處理；利用Canny算子自動選擇閾值可以盡可能多地標識出圖像中的實際邊緣，使其更接近實際圖像中的實際邊緣；采取浮動閾值法，減小由于光源強度變化引起圖像處理的誤差。最后提取紗線氣圈的相關特征，完成紗線張力的檢測。

基于CCD技術的非接觸式紗線檢測，能夠有效消除外界環境對傳感器的干擾。但是，由于其安裝時CCD圖像傳感器的安放位置是人工確定的，易引入誤差。同時，CCD圖像傳感器的掃描時間和圖像處理算法耗費的時間會降低傳感器的響應速度，也進一步限制了此類傳感器的應用場景。

3.2 基于光電傳感器技術的張力檢測

光電傳感器式非接觸式紗線張力傳感器的核心器件是光電傳感器。光電傳感器具有高頻率和高分辨率的掃描、拍攝、處理的功能。光電傳感器中的發光二極管發出激光，經過運動的紗線會有一部分反射到光電傳感器內并記錄成像，而這些相對移動軌跡會被記錄為一組連續高速的圖像，經過內部數字信號處理提取出圖像參數并通過相應的算法分析與處理，完成運動物體相對移動的精確定位[47]，最后通過相對移動位置信息確定紗線的振動頻率完成紗線張力的計算，其結構如圖6所示。

圖6 光電式紗線張力傳感器結構Fig.6 The structure diagram of photoelectric yarn tension sensor

近年來，基于光電技術的紗線張力檢測技術的研究狀況如表3所示。

表3 基于光電技術的張力檢測研究匯總Tab.3 Research progress of tension detection based on photoelectric technology

2009年，張紅冉等[48]提出基于單片機和光學鼠標的紗線非接觸測量的方法，核心是ADNS-2051芯片，光學鼠標傳感器拍攝移動的紗線，獲得紗線的振蕩頻率，再利用紗線的張力與其自然振動頻率的平方成正比的關系，計算紗線的張力。由于紗線的運動速度越大，其誤差也會有所增大，因此該張力傳感器不適用于高速紗線的生產。

2017年，以蘇澤斌等[49]研究為代表，其結構和原理與張冉紅等大致相同，在控制和處理模塊，選擇圖像處理性能更好的FPGA芯片。光電傳感器將運動的紗線記錄為一組連貫圖像，專用圖像分析芯片對圖像進行分析處理并轉化為紗線的振動頻率，最后FPGA控制器根據振動頻率的相關參數計算出紗線的張力值。張紅冉和蘇澤斌等都可以實時檢測運行中的紗線張力值，提高了紡織的生產效率，但是二者皆未考慮紗線的自激振動。由于紗線運行過程中絡筒機振動影響到紗線本身的振動頻率，最終影響張力值的準確性。

針對于以上研究的不足，2019年，繆宇軒等[50]在結構和原理上做了進一步的改進，主動提供紗線的振蕩，提出了基于弦線振動理論和光電傳感器的研究。其基本原理是：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，振動形式屬于自激振動。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驗結果顯示有高達99%的擬合度。該傳感器應用場所單一，對于不同的紗線和不同的環境均需要重新設定參考值，因此對不同規格的紗線在不同的環境需要進行大量的測試。同時該張力傳感器系統起初只是靜態測量，最后要實現在線測量，需要進行大量的實驗數據分析，通過算法優化構建最優頻率與張力關系。

2021年，章鈺娟等[51]基于紗線張力和光電傳感器脈沖個數的相關，運用紅外光電傳感器、信號調節電路和算法，提出了一種非接觸式紗線張力檢測系統。將光電傳感器輸出的模擬信號經過電路處理得到數字脈沖信號，并對脈沖信號進行統計歸納與分析，最終得到紗線的張力信息，實現對紗線狀態的動態監測和實時報警。

非接觸式張力傳感器不會對紗線本身產生影響，可以較好地避免檢測過程中對紗線的影響，提高了產品質量和檢測精度。但是非接觸式傳感器對自身的檢測靈敏度要求很高，并且技術還不是很成熟，因此需要進一步的研究。

4 總結與展望

紗線生產過程中的張力控制是保證紗線產品質量的重要控制參數，本文從傳感器的結構和測量原理等方面對紗線張力傳感器進行了分類綜述，根據紗線檢測過程中是否與紗線直接接觸將其分為接觸式和非接觸式兩大類。各類張力傳感器均有其特點，其適用環境、靈敏度、穩定性等各有不同，通過分析各類紗線張力傳感器在張力檢測中的優缺點，得到了以下結論：

a)接觸式張力傳感器由于結構簡單、技術成熟、檢測精確、并且價格偏低，是當下比較常用的紗線張力檢測裝置。但由于接觸式張力傳感器普遍采用三點彎曲測力結構，引入了額外的導紗輪摩擦環節，導致存在導紗輪磨損、有附加摩擦力誤差、直接接觸測量容易造成紗線斷頭、信號采集不穩定等問題，長時間在線測量會對紗線的品質造成一定的影響，因此接觸式張力傳感器適用于紗線生產的離線巡檢環節，并且其采樣頻率較低，不能應用于高速在線檢測的場景。

b)非接觸式張力傳感器因其測量元件不需要接觸紗線，可以較好地避免檢測設備對紗線的影響，提高檢測精度。但是由于其采用的技術容易受到檢測環境的影響，還存在一定的缺陷，同樣不能適用于高速在線檢測場景。并且非接觸式檢測對檢測設備的靈敏度要求很高，對測量環境有一定的要求，目前還未見廣泛的應用。

基于本文對各類別紗線張力傳感器的對比、歸納與分析，未來紗線張力傳感器應該在以下幾個方面加快發展：

a)在接觸式張力傳感器方面，應該通過改進新原理，探索新材料、結合新學科來提高精確度和靈敏度。比如通過有限元分析法得到結構更優的彈性片；通過不同結構模型的受力分析得到更好的結構體；通過不同材料的對比選取應變率更高，溫度系數更好的基片材料。

b)在非接觸式張力傳感器方面，應該創造更加精密的采集單元，提高數據采集頻率，創新更高效的算法，也可以結合硬件提高處理速度等。比如基于圖像處理的非接觸紗線張力檢測設備，在圖像處理時結合FPGA等硬件的處理速度要高于純軟件的處理速度，并且這種基于圖像處理的非接觸式張力傳感器也將是未來研究的重點。

c)在整個控制系統的優化方面，要想充分地發揮出各種張力傳感器的性能，需要結合更優的算法和合理的控制方案實現整個檢測系統的控制。

隨著紡織行業個性化、數字化、智能化的發展，對紗線的生產環節提出了更高的要求，為了提高紗線產品的質量，基于產品質量的紗線生產過程中的在線大閉環控制勢在必行，而紗線張力的在線檢測是實現該閉環的重要反饋量。因此，在未來研究非接觸式的、能滿足高速紗線生產的在線張力傳感器對于紡織行業的發展具有重要的現實意義和市場應用前景。