繆宇軒，孟祥益，夏港東，王慶東，張 昊

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)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(shù)之一，張力異常會(huì)導(dǎo)致紗線產(chǎn)生變形，影響紗線的物理性能，繼而影響后續(xù)織物的外觀結(jié)構(gòu)；過(guò)大的張力值還會(huì)造成斷紗，必須停機(jī)接紗，降低了生產(chǎn)效率；張力值過(guò)小則造成卷裝成形受影響、后續(xù)織物結(jié)構(gòu)松散等問(wèn)題[1]。從紡紗到織造各工序，紗線張力大小和穩(wěn)定性直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及后續(xù)加工的順利進(jìn)行[2]。

目前，紗線行進(jìn)的速度越來(lái)越快，對(duì)紗線張力的要求越來(lái)越高，如何準(zhǔn)確快速地檢測(cè)紗線張力顯得尤為重要。現(xiàn)有的張力檢測(cè)大部分為接觸式測(cè)量法，如應(yīng)變式、差動(dòng)電容式、磁電式。德國(guó)PROTECHNA公司開(kāi)發(fā)出一種紗線監(jiān)測(cè)裝置，該裝置通過(guò)接觸式張力檢測(cè)，識(shí)別出張力異常的紗線[3]。但接觸式測(cè)量法測(cè)量裝置與高速運(yùn)行的紗線直接接觸，必然會(huì)因摩擦力給紗線的張力檢測(cè)帶來(lái)誤差，并且裝置長(zhǎng)時(shí)間接觸紗線會(huì)造成儀器接觸部分磨損，降低測(cè)試裝置的精度和壽命。直接接觸的測(cè)量方式還存在接觸狀態(tài)變換、紗線斷頭、信號(hào)采集不穩(wěn)定等問(wèn)題[2]。非接觸式紗線張力檢測(cè)可以明顯減少檢測(cè)裝置對(duì)于紗線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，檢測(cè)精度更高。

根據(jù)紗線振動(dòng)頻率與張力的關(guān)系，張紅冉等[4]基于單片機(jī)及光電鼠標(biāo)傳感器開(kāi)發(fā)出非接觸式紗線張力檢測(cè)系統(tǒng)。蘇澤斌等[5]運(yùn)用FPGA及光電傳感器也設(shè)計(jì)出非接觸式的張力檢測(cè)系統(tǒng)，但是二者皆存在對(duì)弦振動(dòng)理論考慮不周、未對(duì)紗線進(jìn)行激振等問(wèn)題。本文基于弦振動(dòng)理論，運(yùn)用新的傳感器、信號(hào)采集調(diào)理電路、算法，開(kāi)發(fā)出一種能夠有效提高紗線張力測(cè)量效率和準(zhǔn)確度的非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)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(huì)往復(fù)振動(dòng)[6]，紗線激振方式見(jiàn)圖1。振動(dòng)形式屬于自激振動(dòng)[7]。自激振動(dòng)的頻率決定于振動(dòng)系統(tǒng)本身的參數(shù)，可以用該系統(tǒng)自由振蕩的諧振頻率來(lái)估算該自激振動(dòng)系統(tǒng)的頻率[8]。

圖1 紗線激振方式

早在19世紀(jì)，Skutch[9]利用2個(gè)波反向傳播的方法獲得了軸向運(yùn)動(dòng)弦線系統(tǒng)的基頻。Sack[10]通過(guò)研究一端在簡(jiǎn)諧橫向位移激勵(lì)下運(yùn)動(dòng)弦線的橫向振動(dòng)響應(yīng)，從共振關(guān)系中得到了系統(tǒng)的固有頻率。周泰[6]則從理想弦線的前提條件下，理論推導(dǎo)出了運(yùn)動(dòng)紗線張力和頻率的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)弦線振動(dòng)諧振頻率與張力關(guān)系式[11-12]為：

(1)

式中：fn為n次諧振頻率，Hz；L為弦線長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)速度，m/s。

非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)紗線振動(dòng)基頻，取n=1，因此可以在其余參數(shù)不變的條件下，由紗線自激振動(dòng)頻率得出紗線張力。但在實(shí)際工況下，紗線的線密度會(huì)隨著紗線張力大小、濕度、溫度等因素變化[13]，因此需要一個(gè)工藝參數(shù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)以得出紗線張力。當(dāng)沒(méi)有工藝參數(shù)時(shí)，由于環(huán)境不會(huì)突變，同根紗線的張力穩(wěn)定性和同種紗線多根張力的一致性仍舊能夠通過(guò)頻率檢測(cè)出來(lái)。

紗線自激振動(dòng)頻率檢測(cè)的快速準(zhǔn)確是系統(tǒng)檢測(cè)的核心。非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的設(shè)備包括機(jī)械支架、空壓機(jī)、微控制器、傳感器電源、傳感器及信號(hào)調(diào)理電路。當(dāng)具有張力的紗線通過(guò)在兩端支撐的機(jī)械支架時(shí)，啟動(dòng)空壓機(jī)，在空氣管道的另一端形成穩(wěn)定氣流柱，從而引發(fā)行進(jìn)紗線的自激振動(dòng)。通過(guò)光電傳感器可感應(yīng)行進(jìn)紗線的自激振動(dòng)，并將自激振動(dòng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路規(guī)整為標(biāo)準(zhǔn)的方波，后送入微控制器，計(jì)算自激振動(dòng)的頻率，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)得出紗線張力，紗線張力異常則會(huì)觸發(fā)報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紗線在行進(jìn)過(guò)程中有效接觸并產(chǎn)生壓力的點(diǎn)為支撐點(diǎn)，支撐距離是2個(gè)相鄰支撐點(diǎn)之間的距離，式(1)中L即為紗線支撐距離。檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(yù)留固定的位置，機(jī)械結(jié)構(gòu)及其局部放大圖見(jiàn)圖3。由于不同種類、不同粗細(xì)紗線的抗彎剛度、線密度不同，紗線在同種風(fēng)壓下的振動(dòng)幅度也不同。為了使紗線振動(dòng)范圍不超過(guò)傳感器檢測(cè)范圍，必須通過(guò)控制支撐距離的方式來(lái)控制紗線振動(dòng)幅度。因此，支撐紗線的支撐端可設(shè)計(jì)成可移動(dòng)式的，以滿足不同紗線的工藝需求。本文試驗(yàn)支撐距離L選擇為0.1 m。

2.2 電路設(shè)計(jì)

搭建信號(hào)采集調(diào)理電路[14-15]，使得信號(hào)是單片機(jī)能夠從中讀取信息的規(guī)整方波。使用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)電路，使用Protues軟件進(jìn)行仿真校驗(yàn)。

根據(jù)紗線不透光以及自激振動(dòng)時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特性，系統(tǒng)使用紅外對(duì)管感應(yīng)紗線的振動(dòng)[16-17]。選擇峰值波長(zhǎng)為940 nm的紅外對(duì)管以減少自然光對(duì)傳感器的影響[18-19]。紅外發(fā)射管選擇LTE-327IT型，具有發(fā)射角小而發(fā)射功率較大的特點(diǎn)[20]；接收管選擇MID56H19型，具有接收響應(yīng)波長(zhǎng)范圍小的特點(diǎn)[21]。圍繞紅外對(duì)管搭建信號(hào)采集電路，信號(hào)采集電路見(jiàn)圖4，圖中：D2為紅外發(fā)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(guò)Q2和D2的電流，防止對(duì)應(yīng)器件損壞；D1為穩(wěn)壓二極管；Q1為三極管；U1A為運(yùn)算放大器；VCC為電路的供電電壓。

圖4 信號(hào)采集電路

D2和Q2形成1個(gè)光路，光路中心光強(qiáng)最強(qiáng)，向周圍漸弱。紗線在D2和Q2之間振動(dòng)時(shí)，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(hào)狀態(tài)調(diào)節(jié)D2的發(fā)射功率，在遮擋程度高時(shí)提高D2發(fā)射功率，在遮擋程度低時(shí)降低D2發(fā)射功率，使得電位變化平滑。隨著紗線的周期振動(dòng)，光敏三極管兩端的電壓呈周期性變化，在穩(wěn)壓二極管D1的穩(wěn)壓以及C1的充放電作用下，U1A的同相輸入端會(huì)形成一個(gè)在D1穩(wěn)壓值附近隨紗線周期變化的電信號(hào)，R4用于控制C1充放電速度以及限制Q1基極電流。

運(yùn)算放大器U1A、負(fù)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(hào)能夠同相放大(放大倍數(shù)為“1+R5/R2”倍)而直流信號(hào)保持不變。該電路還可以提高對(duì)前級(jí)電路的輸入阻抗，降低對(duì)后級(jí)電路的輸出阻抗，起隔離作用，使信號(hào)采集電路與之后的信號(hào)調(diào)理電路互不影響。添加阻值與信號(hào)源內(nèi)阻相近的反饋電阻R5，可以減少輸出失調(diào)電壓，提高精度。

信號(hào)調(diào)理電路見(jiàn)圖5。能夠?qū)⑿盘?hào)采集電路的初步信號(hào)規(guī)整為單片機(jī)可從中讀取頻率信息的方波，其中U1B為運(yùn)算放大器，R11為電位器。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路

R11經(jīng)調(diào)整后加入電路阻值不再變動(dòng)。R6阻值較大，所以電壓信號(hào)經(jīng)C3到R6的一端后，對(duì)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(hào)經(jīng)過(guò)該電路處理，可以有效消除前級(jí)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(yùn)算放大器U1B的反相輸入端，為信號(hào)離散化做準(zhǔn)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(dāng)直流成分為VCC×R7/(R7+R11+R8)的周期信號(hào)輸入U(xiǎn)1B的反相輸入端時(shí)，每當(dāng)U1B的反相輸入端電位高于U1B的同相輸入端電位時(shí)，便會(huì)輸出一次運(yùn)算放大器的負(fù)電源電壓，即低電平；反之輸出高電平。然后在U1B輸出端通過(guò)R9和R10的電阻分壓，控制輸出電壓范圍以滿足后級(jí)電路的電壓輸入條件，并通過(guò)輸出端輸出。

2.3 微控制器軟件設(shè)計(jì)

將信號(hào)調(diào)理電路輸出的方波經(jīng)過(guò)分壓處理后送入具有計(jì)數(shù)功能的微控制器進(jìn)行處理，軟件設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖6。

圖6 軟件設(shè)計(jì)框圖

微控制器定時(shí)一段時(shí)間，用在這段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)到的方波個(gè)數(shù)除以定時(shí)的這段時(shí)間就是頻率。為縮小誤差但又不影響效率，測(cè)量1根紗線的時(shí)間應(yīng)在10 s左右。微控制器的存儲(chǔ)模塊可以存放工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)里保存有不同環(huán)境、不同種類紗線的頻率張力對(duì)照表，微控制器將計(jì)算的頻率與工藝參數(shù)比對(duì)得出，然后紗線顯示張力，當(dāng)紗線張力偏離設(shè)定的正常范圍值時(shí)報(bào)警模塊報(bào)警。同種紗線、同樣環(huán)境下的頻率信息可有效反映紗線張力的穩(wěn)定性或一批紗線張力的一致性，如果沒(méi)有工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，則可以記錄下頻率信息然后顯示頻率。頻率信息會(huì)不斷與前幾次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)頻率值超出設(shè)定的正常范圍，也會(huì)報(bào)警。

3 試驗(yàn)部分

3.1 波形采集試驗(yàn)

傳感器運(yùn)用于振動(dòng)紗線檢測(cè)之前，先利用示波器提取紅外光電傳感器的采集電路對(duì)規(guī)則振動(dòng)物體感應(yīng)的波形，以測(cè)評(píng)該紅外對(duì)管及采集電路的實(shí)際效用。使用撥針作為規(guī)則振動(dòng)物體，分別進(jìn)行周期振動(dòng)和衰減振動(dòng)。采用UPO2102CS示波器直流耦合，采集電路對(duì)撥針振動(dòng)的感應(yīng)波形見(jiàn)圖7。

圖7 采集電路對(duì)撥針振動(dòng)的感應(yīng)波形

從圖7可以看出該傳感器的采集電路能準(zhǔn)確反映振動(dòng)物體的振動(dòng)規(guī)律。然后再測(cè)試調(diào)理電路，調(diào)理電路測(cè)試波形見(jiàn)圖8。輸入圖8(a)所示的信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路處理后，未經(jīng)分壓處理的波形如圖8(b)所示，可以看出調(diào)理電路能夠?qū)⒁?guī)律的信號(hào)轉(zhuǎn)化成同頻率的方波。

圖8 調(diào)理電路測(cè)試波形

3.2 紗線張力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

紗線張力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)在整經(jīng)機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)給紗線施加固定的張力，觀察系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的紗線振動(dòng)頻率是否符合規(guī)律。紗線線密度為9.7 tex，空壓機(jī)公稱容積流量為90 L/min，測(cè)試時(shí)空壓機(jī)壓力表讀數(shù)為0.4 mPa，吹風(fēng)管規(guī)格為4.0 mm×2.5 mm(外徑×內(nèi)徑)，支撐距離為0.1 m，紗線行進(jìn)速度為300 m/min。計(jì)算頻率時(shí)，紗線振動(dòng)1次穿越傳感器2次，即計(jì)頻數(shù)為紗線振動(dòng)頻率的2倍。使用ZD2-100張力計(jì)(德國(guó)施密特公司)標(biāo)定運(yùn)行時(shí)紗線的張力，該張力計(jì)精度可達(dá)到±1 cN。紗線張力未達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，通過(guò)張力調(diào)節(jié)單元調(diào)整紗線張力至條件值并保持張力恒定。每種紗線張力對(duì)應(yīng)的頻率分別測(cè)10次。取平均值，并與理論計(jì)算值作比較，在不同環(huán)境下進(jìn)行4次試驗(yàn)以校核可重復(fù)性。紗線張力理論值P計(jì)算式為：

P=f2×9.84×10-6

式中：f為被檢到的紗線振動(dòng)頻率，Hz;P為紗線張力，cN。

在試驗(yàn)環(huán)境溫度32 ℃,相對(duì)濕度60%條件下，紗線張力計(jì)算理論值見(jiàn)表1。測(cè)量4次后，紗線自激振動(dòng)頻率與張力關(guān)系見(jiàn)圖9。

圖9 紗線自激振動(dòng)頻率與紗線張力關(guān)系

表1 紗線張力計(jì)算理論值

由表1和圖9可以看出,非接觸式紗線張力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出的紗線頻率與紗線張力呈正相關(guān)，紗線振動(dòng)頻率的平方與紗線張力呈線性關(guān)系，擬合優(yōu)度達(dá)到0.99，符合式(1)的描述。圖9(a)中，在15～60 cN的張力區(qū)間內(nèi)，通過(guò)理論公式計(jì)算出的張力值與實(shí)際值相對(duì)誤差不超過(guò)±10%。但是70 cN下檢測(cè)到的計(jì)算理論值與實(shí)際值的相對(duì)誤差達(dá)到了14%，這是因?yàn)榇髲埩ο?，試?yàn)時(shí)紗線受到過(guò)大張力拉扯變形，其本身物理屬性如線密度等發(fā)生劇烈變化。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境變化，紗線線密度也發(fā)生變化，各種環(huán)境下計(jì)算值與實(shí)際值的偏差也不同?？傮w來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)在同種紗線、同樣環(huán)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(wěn)定性或一批紗線張力的一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于弦振動(dòng)理論和光電傳感器，通過(guò)機(jī)械、電子、軟件設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一種非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在同種紗線、同樣環(huán)境的條件下，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)單根紗線張力的穩(wěn)定性或一批紗線張力的一致性，不會(huì)對(duì)紗線本身及其行進(jìn)產(chǎn)生影響，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在實(shí)際使用中，也可將該系統(tǒng)用于張力閉環(huán)控制的反饋，調(diào)節(jié)紗線振動(dòng)頻率一致進(jìn)而達(dá)到紗線張力一致。后期將完善不同環(huán)境下的頻率張力關(guān)系的工藝參數(shù)庫(kù)，使得該系統(tǒng)在環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，由檢測(cè)到的頻率結(jié)合工藝參數(shù)庫(kù)得出紗線張力值。