靜電荷感應式斷紗傳感器設計

摘 要：針對基于光電非接觸式及圖像處理式的斷紗檢測方式對車間生產環境、安裝位置、安裝角度要求高且設備昂貴等問題，根據靜電感應式檢測基本原理，設計了靜電荷感應式斷紗傳感器，對其總體結構及關鍵模塊進行理論分析及實驗測試，并搭建了靜電荷感應式斷紗傳感器試驗臺對該傳感器的功能進行測試。結果表明：雖然運動紗線速度及其材料是影響靜電荷感應式斷紗傳感器的主要影響因素，但這兩個因素所導致的電壓波動在靜電荷感應式斷紗傳感器關鍵模塊后端輸出點的數值遠小于運動紗線在斷裂和未斷裂狀態之間切換時所產生的電壓波動。因此，檢測靜電荷感應式斷紗傳感器關鍵模塊后端輸出點的電壓值，可實現對運動紗線斷紗情況的準確判斷。

關鍵詞：運動紗線；斷紗檢測；靜電荷感應；傳感器；電壓波動

中圖分類號：TS103.7

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）03-0014-07

收稿日期：20230728

網絡出版日期：20231102

基金項目：浙江省“尖兵”“領雁”研發攻關計劃（2022C01202）；浙江理工大學科研啟動基金項目（23242083-Y）

作者簡介：呂競則（2002—），浙江紹興人，主要從事紡織自動化設備與傳感器的研究。

通信作者：戴寧， E-mail：990713260@qq.com

紡紗是將動植物纖維加工成紗線的工藝過程，其加工工序主要包括梳棉、并條、粗紗、細紗和絡筒等［1］。在紡紗生產中，對細紗和絡筒環節中的紗線，特別是對細紗線進行斷紗檢測是監測設備運行狀態和提高紡紗生產質量的重要手段［2］。當前，斷紗檢測通常采用傳感器實現，主要有接觸式傳感器和非接觸式傳感器兩種［3］。接觸式傳感器檢測方式通過在紗線走線路線上安裝張力輪，以此控制紗線斷紗觸發裝置，實現對紗線斷裂情況的檢測。然而，不同品種紗線可適應張力程度不同，使用接觸式傳感器的斷紗檢測方式會導致斷紗，且斷紗后生產人員需要對紗線張力輪進行復位，額外增加了紗線生產的人力和時間成本。

考慮到成本及影響紗線張力等各種因素，行業內斷紗檢測方式主要以光電非接觸式斷紗檢測為主［4-5］，即通過紗線對光源的遮擋程度來檢測是否存在斷紗。然而，在實際紡紗車間內棉絮、灰塵較多，光電檢測通道內的漫反射會降低傳感器的靈敏度。同時，車間內光強的變化對光電接收器接收信號也會產生影響；針對這種現象，李效東等［6］提出了一種改變檢測頭安裝角度的改進方案，以解決光強疊加對對面光電接收器接收信號的影響。

近年來，有關圖像處理的斷紗檢測研究成為熱點。陳泰芳［7］對基于視覺的環錠紡斷紗檢測方法展開了研究，提出了細紗圖像平滑和增強方法，解決了高噪聲下細紗圖像中紗線特征弱的特點，為環錠紡細紗斷紗檢測提供一定的理論方法與技術工具。孟立凡等［8］設計了一種基于FPGA的灰度投影算法檢測平臺，經過灰度投影計算、局部極值法、極值點校正等處理后得到特征值，進而實現紗線的斷紗檢測。以上研究雖通過圖像在一定程度上實現了斷紗檢測，但同樣存在光電非接觸式斷紗檢測的缺點，甚至對光照及安裝條件更加苛刻，且價格昂貴，在有成百上千錠數的紡紗工序中較難推廣，因此該方式目前仍處于研究探索階段，在實際紡紗生產線中未見產業化應用。

本文根據靜電感應式檢測基本原理，設計靜電荷感應式斷紗傳感器，并對其總體結構及關鍵模塊進行理論分析及實驗測試。同時，搭建靜電荷感應式斷紗傳感器試驗臺對該傳感器的功能以及影響其檢測性能的因素進行分析，進而為運動紗線斷紗情況的準確判斷提供理論及實驗依據。

1 靜電荷感應式斷紗傳感器檢測原理及總體結構設計

靜電荷感應式斷紗傳感器的工作原理如圖1所示。當紗線在U型導紗氧化鋁內以某一速度運動時，根據靜電感應式檢測基本原理，探測電極表面感應出動態的感應電荷［9-10］；而當紗線出現斷裂時，動態感應電荷量為"0。

考慮到探測電極表面的感應電荷較為微弱，因此需要對其進行放大處理。靜電荷感應式斷紗傳感器總體結構如圖2所示，主要由探測電級、一級信號放大模塊、整形與二級放大模塊、輸出及顯示模塊組成。其中一級信號放大模塊實現感應電荷的信號增強，整形及二級放大模塊實現信號的電平轉換，輸出模塊將運動紗線是否斷紗的情況進行外部輸出，顯示模塊中的LED單元實現斷紗情況的實時顯示。LM324［11］作為通用的帶有真差動輸入的四運算放大器，可實現同相、反相及差分放大，可滿足靜電荷感應式斷紗傳感器所需的信號放大及整形輸出等功能。

2 靜電荷感應式斷紗傳感器關鍵模塊電路設計

2.1 一級信號放大模塊設計

考慮到探測電極表面的感應電荷較為微弱，因此需要對其進行放大處理。本文設計一級信號放大模塊，實現感應電荷的信號增強，一級信號放大模塊如圖3所示。圖3中，V1為上拉電源，其值為5.6 V；R1、R2、R3、R4均為電阻，其值分別為10、0.1、5.6、10 MΩ；C1、C2均為反饋電容，其值分別為0.022 μF、6.2 pF；U1為LM324第一路運算放大器；IN1為探測電極輸入的電信號；OUT1為一級信號放大模塊輸出的電信號。

由圖3可知，探測電極輸入電信號IN1經過一級信號放大模塊后輸出放大后的電信號OUT1。其中C2是反饋電容，具有相位補償、防振蕩等作用。R4與R3組成反饋回路。R1是探測器偏置電阻，考慮到C2上電荷的積累作用，R3阻值一般為兆歐量級，用于釋放C2上電荷，實現電荷平衡，并產生直流負反饋，進而實現電信號的放大。C1、R2串聯并接在R4與R3組成的反饋回路上，用于穩定帶內增益。

通過測量一級信號放大模塊的OUT1端，得到圖4所示輸出波形。如圖4所示，斷紗狀態下，OUT1輸出端輸出約5.6 V直流電壓，運動紗線未斷紗狀態下，OUT1輸出類正弦波形，波峰值電壓約66 V。

2.2 整形與二級放大模塊設計

經一級信號放大模塊實現感應電荷的信號增強后，需設計整形及二級放大模塊實現信號的電平轉換，圖5為整形與二級放大模塊。圖5中，V2、V3為電源標識，其值分別為12、7 V；GND為V1、V2、V3電源地標識；R5、R6、R7、R8、R9、R10均為電阻標識，其值分別為0.001、5.6 、0.051、10、1、1 MΩ；C3、C4、C5均為電容標識，其值分別為220 nF、22 nF、30 pF；U3為LM324第三路運算放大器；D1、D2為二極管標識；T1為三極管標識；IN3為二級放大電路輸入電信號；OUT3為二級放大模塊輸出的電信號。

如圖5所示，當斷線時，由于C3的隔直作用，以及D1及R6組成的分壓電路，T1處于截止狀態，由于R7、D2、R8組成的分壓電路，且R7的阻值相對R8的阻值可忽略不計，因此，此時IN3處電壓幅值接近為0 V。當運動紗線未斷線時，類正弦信號通過C3，在T1基極處放大，并控制T1管分時導通及截止，此時，分別對整形單元中T1基電極、集電極以及IN3處信號進行檢測，得到圖6所示輸出波形。

如圖6所示，運動紗線在IN3處產生交流小信號，經圖5中二級放大單元進行放大及平滑處理后在OUT3處輸出電壓，其值約為10.6 V。

2.3 輸出及顯示模塊設計

結合運動紗線斷紗及未斷紗狀態下整形與二級放大模塊OUT3處輸出的不同電壓可知，只需設計比較電路，并根據兩個比較電壓輸出值，即可實現運動紗線未斷、斷情況的判定。此模塊采用LM324中的第二路運算放大器U2實現，同時為了報警提醒，斷紗狀態下，U2輸出端OUT2連接LED指示燈，當運動紗線運行時，LED燈熄滅，指示運動紗線未斷且功能正常。當運動紗線斷紗時，LED燈亮起，指示運動紗線斷裂。

3 靜電荷感應式斷紗傳感器性能影響因素分析

3.1 試驗臺架結構

靜電荷感應式斷紗傳感器主體由金屬殼體、控制電路PCB板（嵌于金屬殼體內，主要由一級信號放大模塊、整形與二級放大模塊、輸出及顯示模塊等部分組成）、U形導紗氧化鋁及電源引線等組成。整體組成結構如圖7所示，其中金屬殼體與控制電路PCB板為檢測裝置的主要組成部分。金屬殼體由鐵制材料經加工直接成型并電鍍，將控制電路PCB板與U型導紗氧化鋁連接后插入殼體。此外，電源引線用于給控制電路PCB板供電，輸出信號引線給出運動紗線未斷及斷時的信號輸出。

結合紗線運動特性，本文搭建的運動紗線模擬檢測平臺如圖8所示。

如圖8所示，運動紗線模擬檢測平臺主要由靜電荷感應式斷紗傳感器、穩壓源、前羅拉、鐵架臺、導紗鉤、紗筒、示波器等部分組成。測試過程中，紗線經前羅拉作用，從紗筒上退繞，并經導紗鉤裝置，向上穿過U形導紗氧化鋁，測試信號引線接入示波器，通過靜電荷感應式斷紗傳感器上LED燈亮滅情況以及示波器內存儲數據實現對當前運動紗線斷紗情況的準確檢測。

3.2 試驗數據分析

靜電荷感應式斷紗傳感器性能基于靜電荷感應的強弱，結合靜電荷感應機理，可以得出紗線運動速度和紗線材料［12］是影響靜電荷感應式斷紗傳感器輸出端電壓信號幅值的主要影響因素，取相同線密度的兩類紗線（均為18.2 tex），并以當前市場上細紗機工作錠速（約為10000～20000 rmin）［3］為測試依據，對紗線在13600 rmin與15000 rmin的細紗機模擬工作錠速下以及斷紗狀態下（0 rmin）靜電荷感應式斷紗傳感器關鍵模塊輸出點電壓值進行統計分析，其中OUT1、OUT3、OUT2處信號輸出電壓值如表1所示。

由表1可知，相比于導電混紡紗，純棉棉紗運動未斷裂時，靜電荷感應式斷紗傳感器關鍵模塊輸出點OUT1、OUT3、OUT2端電壓值相對較低；同類型紗線隨著運行速度的增加，關鍵模塊輸出點電壓值也隨之增加，且相較于純棉棉紗，導電混紡紗引起的關鍵模塊輸出點電壓值增幅較大。此外，OUT1、OUT3、OUT2端電壓值在運動紗線斷裂及未斷兩種狀態下偏差較大，特別是靜電荷感應式斷紗傳感器關鍵模塊后端輸出點OUT3、OUT2處，兩種狀態下電壓值偏差明顯，該特性可有效用于對運動紗線斷紗情況的準確判斷。

4 結 語

本文根據靜電感應式檢測基本原理，構建了靜電荷感應式斷紗傳感器，并對其總體結構及關鍵模塊設計進行了理論分析及實驗測試，最后，搭建了可模擬細紗機工作中紗線運動方式的靜電荷感應式斷紗傳感器試驗臺，對其性能及影響因素進行了反復測試，可得到如下結論：

a）運動紗線速度及其材料是影響靜電荷感應式斷紗傳感器的主要影響因素。

b）同類型紗線隨著運行速度的增加，靜電荷感應式斷紗傳感器二級放大單元以及輸出模塊點處電壓值也逐步增加。不同類型運動紗線由于其單位線長內帶電荷量存在差異，最終導致在相同速度下，不同類型的運動紗線引起靜電荷感應式斷紗傳感器二級放大單元以及輸出模塊處電壓值也存在差別。

c）雖然運動紗線速度及其材料是影響靜電荷感應式斷紗傳感器的主要影響因素，但該影響遠小于運動紗線斷裂及未斷裂兩種狀態時，靜電荷感應式斷紗傳感器二級放大單元以及輸出模塊處電壓偏差值，因此，該特性可用于對運動紗線斷紗情況的準確判斷。

本文設計的靜電荷感應式斷紗傳感器體積較小，不受密閉空間的限制。傳感器通過密閉鋁殼封住電路與探測電極，減少了空氣中的灰塵與電荷干擾，便于電荷信號的采集，且對于具有微小電荷量變化的不同種類紗線，可獲得變化較大的輸出電壓用于辨識。因此，對于細紗工序中攜帶靜電的紗線，該裝置具有更好的狀態檢測效果。

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國之棟梁不可無，生命之水不可枯

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Design of electrostatic charge-induced yarn breakage sensors

L"Jingze1， DAI Ning2， HU Xudong2， XU Kaixin2， XU Yushan3

（1.College of Computer and Information Science （School of Software）， Southwest University， Chongqing 400715， China;

2.Key Laboratory of Modern Textile Machinery amp; Technology of Zhejiang Province， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

3.Zhejiang Kangli Automation Technology Co.， Ltd.， Shaoxing 312500， China）

Abstract：

In the spinning process， yarn breakage detection， especially for fine yarns， is an essential means to improve the performance of spinning equipment. Considering the cost and factors affecting yarn tension， yarn breakage detection in the industry is mainly based on photoelectric non-contact yarn breakage detection. The actual spinning workshop has much cotton wool and dust， which is easy to cause diffuse reflection in the photoelectric detection channel and reduce the sensor's accuracy. At the same time， changes in light intensity in the workshop will also impact the signal received by the opposite photoelectric receiver. In recent years， the spinning industry's image processing related to yarn breakage detection research is also emerging. Still， with the above-mentioned photoelectric detection principle of the same shortcomings， the approach is even more demanding on the light and installation conditions and expensive， with hundreds of spindles in the spinning process being more challenging to promote.

To promote the yarn breakage detection technology for yarns， especially fine yarns， in the spinning link，it is necessary to reduce the dependence of the existing yarn breakage detection methods on the working link and installation conditions， and reduce the cost of yarn breakage detection. Based on the basic principle of electrostatic inductive detection， the electrostatic charge-induced yarn breakage sensor was constructed， and its overall structure， as well as the design of critical components such as primary signal amplification module， shaping and secondary amplification module， output and display module， were theoretically analyzed and experimentally tested. Finally， the test bench of the electrostatic charge induction yarn breakage sensor was construct to test the degree of influence of the moving yarn speed and its material on the electrostatic charge induction yarn breakage sensor in combination with the mechanism of electrostatic charge induction yarn breakage sensor performance based on the electrostatic charge induction strength.

On this basis，we statistically analyzed the output point voltage values of the critical module of the electrostatic charge-induced yarn breakage sensor under the simulated working spindle speeds of the spinning machine at 13，600 rmin and 15，000 rmin， as well as under the yarn breakage condition.

The research found that the speed of the moving yarn and its material are the main influencing factors of the electrostatic charge-induced yarn breakage sensor. Still， the influence is much smaller than the value of the voltage deviation at the output points OUT3 and OUT2 of the back end of the key module of the electrostatic charge-induced yarn breakage sensor when the two states of the moving yarn are broken and unbroken so that this characteristic can be used for the accurate judgment of the broken connection of the yarn.

The sensor seals the circuit and detection electrodes utilizing a closed aluminium case， which reduces dust and charge interference in the air， facilitates the collection of charge signals， and obtains output voltages with significant variations for identifying different types of yarns with minor charge variations. Therefore， the device has a better state detection effect for the yarn carrying static electricity in the spinning process.

Keywords：

moving yarn; yarn break detection; electrostatic charge induction; sensor; voltage fluctuation