呂漢明，呂 鑫

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

基于聲音檢測(cè)與分析的環(huán)錠紡細(xì)紗斷頭檢測(cè)

呂漢明，呂 鑫

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

環(huán)錠紡細(xì)紗斷頭的低成本自動(dòng)檢測(cè)一直是紡紗企業(yè)急需解決的一個(gè)問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題利用定向拾音頭做傳感器采集5個(gè)周期的鋼絲圈轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的聲音信號(hào)，根據(jù)正常紡紗與紡紗斷頭時(shí)聲音信號(hào)較高波峰的分布是否均勻判斷紗線是否發(fā)生斷頭。結(jié)果表明，正常紡紗時(shí)采集到的聲音信號(hào)都具有分布均勻的5個(gè)較高波峰，而發(fā)生紡紗斷頭時(shí)采集到的聲音信號(hào)不具有該特點(diǎn)，所采用的檢測(cè)與分析方法能精準(zhǔn)地識(shí)別出發(fā)生斷頭的錠位，是實(shí)現(xiàn)環(huán)錠紡細(xì)紗斷頭檢測(cè)的一種低成本、非接觸檢測(cè)方法。

環(huán)錠紡;斷紗檢測(cè);聲音傳感器;嵌入式

環(huán)錠紡細(xì)紗斷頭降低了生產(chǎn)效率、增加了擋車工勞動(dòng)強(qiáng)度［1］、增加了物料消耗，其斷頭自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)得到了許多公司的關(guān)注，現(xiàn)有的細(xì)紗斷頭檢測(cè)系統(tǒng)主要有光電檢測(cè)及電磁檢測(cè)［2］。

瑞士立達(dá)的ISM系統(tǒng)采用光電傳感器監(jiān)測(cè)鋼絲圈運(yùn)動(dòng);比利時(shí)巴可公司設(shè)計(jì)了導(dǎo)紗鉤紗條運(yùn)動(dòng)光路遮斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［3］;上海紡織研究院研制了基于邏輯計(jì)數(shù)電路的光電式細(xì)紗斷紗檢測(cè)裝置［4］;王賢潔［5］利用光電發(fā)射頭和硅光電池光電檢測(cè)方法檢測(cè)細(xì)紗斷頭;光電式方法檢測(cè)準(zhǔn)確性較高，但安裝精度要求較高，每個(gè)錠位都需安裝1個(gè)傳感器，成本較高。瑞士烏斯特公司的 Ring Expert系統(tǒng)、德國(guó)Zinser公司的Fila Guard系統(tǒng)及印度普美瑞公司的RingI/Ringeye系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)頭中設(shè)置1個(gè)固定的永磁磁場(chǎng)和感應(yīng)線圈，當(dāng)鋼絲圈高速運(yùn)動(dòng)切割該磁場(chǎng)的磁力線時(shí)，感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)獲得鋼絲圈運(yùn)動(dòng)信息;該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壽命長(zhǎng)［6］，但對(duì)傳感器的靈敏度、精度及安裝要求均較高，傳感器的成本較高。

朱惠華［7］將細(xì)紗斷頭檢測(cè)裝置安裝在落紗機(jī)軌道上往復(fù)逐錠檢測(cè)是否發(fā)生了斷頭，該方式可以降低硬件成本。

本文利用定向型聲音傳感器采集鋼絲圈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲音信號(hào)并分析該信號(hào)判斷是否發(fā)生了細(xì)紗斷頭，因?qū)z測(cè)系統(tǒng)安裝在沿鋼領(lǐng)板分布的導(dǎo)軌上往復(fù)檢測(cè)，成本較低，相對(duì)于光電及電磁式傳感器降低了對(duì)傳感器的安裝精度要求。

1 基于聲音斷頭檢測(cè)的原理與方法

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗時(shí)鋼絲圈在鋼領(lǐng)上高速轉(zhuǎn)動(dòng)，如果細(xì)紗發(fā)生斷頭，鋼絲圈則在鋼領(lǐng)上停止或以較低的速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此，可以利用聲音傳感器采集鋼絲圈轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的聲音信號(hào)，并根據(jù)聲音信號(hào)的特征判斷細(xì)紗是否發(fā)生了斷頭。

鋼絲圈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度在紡紗過(guò)程中隨著細(xì)紗卷繞半徑的變化僅產(chǎn)生微小的變化，因此，鋼絲圈的運(yùn)動(dòng)呈近似周期性的變化。如果采用安裝在鋼領(lǐng)附近的聲音傳感器檢測(cè)鋼絲圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的聲音，聲音傳感器采集到的聲音信號(hào)會(huì)周期性地出現(xiàn)短時(shí)的波峰，該波峰對(duì)應(yīng)于鋼絲圈每轉(zhuǎn)先接近、然后遠(yuǎn)離聲音傳感器的過(guò)程。測(cè)量錠子轉(zhuǎn)動(dòng)若干轉(zhuǎn)內(nèi)鋼絲圈的聲音信號(hào)，如果采集到的聲音信號(hào)中存在相應(yīng)數(shù)量及分布情況的波峰，則認(rèn)為該錠位細(xì)紗紡紗沒(méi)有斷頭，否則發(fā)生了斷頭。

2 硬件系統(tǒng)架構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方法

本文提出的基于聲音信號(hào)檢測(cè)的斷紗檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要包括聲音傳感器、控制器、采樣模塊及觸摸屏，其中聲音傳感器為電容式PK-01D定向型數(shù)字拾音器，電容傳感器具有測(cè)量范圍大，精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［8］，采用定向型聲音傳感器可以減小與被測(cè)錠位相鄰錠位的聲音對(duì)被測(cè)錠位聲音信號(hào)檢測(cè)產(chǎn)生的影響?？刂破鞑捎糜?chuàng)em9170工控板構(gòu)建嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)，選用eta108采樣模塊進(jìn)行聲音信號(hào)采集，該采集模塊單極性輸入量程為0～4 V，AD轉(zhuǎn)換精度為12 bit，AD最高采樣速度為100 ksps，與傳統(tǒng)的基于PCI卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，可以滿足嵌入式應(yīng)用需求，現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單［9］。觸摸屏用于輸入紡紗時(shí)的設(shè)計(jì)錠速等參數(shù)，簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)輸入方式［10］。

聲音傳感器在采集某錠位聲音信號(hào)時(shí)，其傳聲孔應(yīng)位于該錠位相對(duì)應(yīng)的鋼領(lǐng)外側(cè)、且與鋼領(lǐng)保持水平的位置;在垂直于鋼領(lǐng)板長(zhǎng)度的水平方向，定向拾音頭的拾音孔安裝在距離鋼絲圈最大外徑約5mm的位置;在鋼領(lǐng)板長(zhǎng)度方向上，采集聲音信號(hào)時(shí)拾音孔正對(duì)鋼領(lǐng)軸心。

3 自適應(yīng)細(xì)紗斷頭檢測(cè)算法

3.1 聲音信號(hào)測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理原理

在錠速為9000 r/min的細(xì)紗機(jī)紡紗過(guò)程中利用前述采集裝置采集到的聲音信號(hào)如圖1所示。圖中橫坐標(biāo)為按時(shí)間序列排列的采樣點(diǎn)序號(hào)，縱坐標(biāo)為聲音傳感器輸出的模擬量電壓。其中圖1(a)～(c)示出正常紡紗時(shí)采集到的聲音信號(hào)，圖1(d)～(e)為紡紗過(guò)程中發(fā)生了細(xì)紗斷頭時(shí)采集到的聲音信號(hào)。由圖可見，正常紡紗時(shí)聲音傳感器采集到的聲音信號(hào)具有5個(gè)近似均勻分布的較高波峰。對(duì)于這種特征的信號(hào)，為了提取正常紡紗時(shí)聲音信號(hào)的特征，一般情況下可以用1個(gè)閾值截取5個(gè)較高波峰，計(jì)算波峰間距的均勻性，如果分布均勻，就是正常紡紗時(shí)的聲音信號(hào);不均勻就是紡紗斷頭時(shí)的聲音信號(hào)。

3.2 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值計(jì)算與有效波峰提取

由于環(huán)境噪音、細(xì)紗機(jī)不同錠位差異等因素的影響，造成采集到的聲音信號(hào)電壓幅值產(chǎn)生差異，因此，應(yīng)該采用能夠自適應(yīng)聲音信號(hào)幅值變化的動(dòng)態(tài)閾值截取波峰。

設(shè)xk(k=1～2 000)為2 000個(gè)采樣點(diǎn)的值序列，設(shè) xk的最大值為 vmax，令初始閾值 v0=0，x'1(k=1～2 000)為二值化序列，遞歸閾值vi+1=vi+(i=0，1，2……)，對(duì)每個(gè) vi，將 xk中的所有數(shù)據(jù)依次與閾值 vi比較，如果 xk＜vi，令 x'k=0，反之，則令x'k=1;對(duì)將二值化處理后序列x'k依次計(jì)計(jì)算dk=x'k+1－x'k(k=1～1999)，dk中元素的值大于0即為上升沿，統(tǒng)計(jì)上升沿的數(shù)量ni并將其作為較高波峰的數(shù)量。

圖1 聲音信號(hào)測(cè)量結(jié)果Fig.1 Measurement results of sound signals.(a)Sound signal 1;(b)Sound signal 2;(c)Sound signal 3;(d)Sound signal 4;(e)Sound signal 5

1個(gè)vi對(duì)應(yīng)1個(gè)上升沿(較高波峰)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)值ni，隨著i的增加，vi逐漸遞增，因此ni逐漸減小。由于聲音信號(hào)是錠子轉(zhuǎn)動(dòng)5圈采集到的，理論上講，應(yīng)當(dāng)在上升沿?cái)?shù)量ni=5時(shí)停止遞歸，此時(shí)得到的vi即是所求動(dòng)態(tài)閾值，但是，采集到的聲音信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)如圖1(c)中的第2個(gè)較高波峰中間“斷開”的情況，“斷開”處的局部圖如圖2所示。這種情況將導(dǎo)致計(jì)算的上升沿?cái)?shù)量偏多;另一方面，也會(huì)出現(xiàn)如圖1(b)所示的干擾信號(hào)波峰偏高的情況，導(dǎo)致計(jì)算上升沿?cái)?shù)量時(shí)保留了干擾信號(hào)的上升沿，而丟失了有效波峰的上升沿，因此上述遞歸過(guò)程在上升沿?cái)?shù)量不大于10時(shí)停止遞歸，此時(shí)vi的即為所求動(dòng)態(tài)閾值，用vi截取該聲音信號(hào)即可得到用1表示該聲音信號(hào)較高波峰起始位置的二值序列x'k，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中合并和剔除干擾波峰后再保留5個(gè)有效波峰。

圖2 波峰“斷開”圖Fig.2 Breakage of peak

3.3 波峰合并與波峰剔除

由于前述處理過(guò)程得到的二值序列中包含10個(gè)波峰，其中含有噪音及干擾造成的波峰，需要將它們?nèi)コ?。PK-01D拾音器拾音范圍為30°，假定鋼領(lǐng)直徑為45mm，聲音傳感器的拾音頭直徑為10mm，拾音頭前端距離鋼絲圈運(yùn)動(dòng)軌跡的最大外徑為5mm，因此鋼領(lǐng)圓周上34°角范圍內(nèi)被采集到的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為波峰。由于錠子轉(zhuǎn)動(dòng)1周采樣400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以1個(gè)完整波峰大約有38個(gè)(400×34°/360°)數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)2個(gè)上升沿間距小于38時(shí)，說(shuō)明是一個(gè)完整的波峰中間出現(xiàn)了“斷開”的情況，由于在二值化序列x'k中用1表示波峰的起始上升沿，因此將相鄰上升沿之間間隔數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量小于38的2個(gè)上升沿之間的數(shù)據(jù)都置1來(lái)實(shí)現(xiàn)“斷開”波峰的合并。

針對(duì)圖1(b)中存在的干擾波峰，需要將其剔除。計(jì)算去除“斷開”影響后每個(gè)波峰中所含采樣點(diǎn)數(shù)量，取采樣點(diǎn)數(shù)量較多的前5個(gè)波峰進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，其余波峰為干擾數(shù)據(jù)將其中的數(shù)據(jù)賦值為0。

如果某個(gè)采集到的聲音信號(hào)在波峰合并后波峰的數(shù)量小于5，可以判斷該聲音信號(hào)即是紡紗斷頭時(shí)的聲音信號(hào)，不再需要繼續(xù)進(jìn)行波峰剔除及后續(xù)處理，如圖3所示信號(hào)。

圖3 處理結(jié)果圖Fig.3 Results figure

3.4 較高波峰分布的均勻性判斷

用經(jīng)波峰合并與剔除后的二值化序列再次計(jì)算dk=x'k+1－x'k(k=1～1999)，dk大于0處為上升沿位置，令Qi為波峰間距，yi為上升沿坐標(biāo)位置，則

正常紡紗時(shí)的聲音信號(hào)波峰間距的標(biāo)準(zhǔn)差通常在5以內(nèi)，但由于鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫的不勻速現(xiàn)象，使波峰間距發(fā)生微小變化，導(dǎo)致波峰間距的標(biāo)準(zhǔn)差略超過(guò)5，但是這種現(xiàn)象引起的差異很小;而紡紗斷頭時(shí)的聲音信號(hào)波峰間距的標(biāo)準(zhǔn)差都在100以上，因此標(biāo)準(zhǔn)差以20為閾值，當(dāng)上升沿間距的標(biāo)準(zhǔn)差小于20時(shí)，判斷為正常紡紗時(shí)的聲音信號(hào)，否則為紡紗斷頭時(shí)的聲音信號(hào)。

3.5 處理結(jié)果

采用3.2、3.3、3.4所述的方法處理圖2中的聲音信號(hào)數(shù)據(jù)得到的上升沿分布圖及其標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算值分別如圖3所示。由圖中可見，應(yīng)用本文的算法分析聲音信號(hào)可以正確地判斷細(xì)紗是否斷頭。

4 結(jié)論

本文利用定向型聲音傳感器檢測(cè)鋼絲圈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲音信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行了分析，根據(jù)在正常紡紗時(shí)鋼絲圈聲音信號(hào)的近似周期性特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所選的聲音傳感器能夠在極大的環(huán)境噪音下，有效地采集到判斷細(xì)紗是否斷頭的鋼絲圈聲音信號(hào)。本文采用的算法可以利用采集到的聲音信號(hào)判斷細(xì)紗在紡紗過(guò)程中是否發(fā)生了斷頭，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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Detection of ring spun yarn breakage based on detecting and analyzing sound signal

Lü Hanming，Lü Xin
(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Low-cost automatic detection of ring spinning yarn breakage has been an urgent problem of spinning.In view of the problem，use directional pick up head is used as a sensor to collect 5 cycles'sound signal produced by friction of a traveler and a ring.According to the distribution of five peaks of sound signals，which produced by normal spinning and spinning breakage，whether the yarn is broken ends is judged.The results show that the sound signals collected by normal spinning has 5 higher uniform distributed main peaks，whereas the sound signals collected by spinning breakage does not have the characteristics.The detection and analysis method in this paper can precisely identify the spindle which has broken ends，and it's a low-cost non-contact detection method for breakage detection of ring spun yarn.

ring spinning;broken yarn detecting;sound sensor;embedded

TS 103.7

A

10.13475/j.fzxb.20140502305

2014－05－14

2015－03－23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51003075)

呂漢明(1970—)，男，副教授，博士。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化紡織。E-mail:lvhanming@tjpu.edu.cn。