章鈺娟 彭來(lái)湖 徐郁山 袁嫣紅

摘 要：針對(duì)針織機(jī)械生產(chǎn)中紗線張力波動(dòng)、斷紗、停紗等紗線狀態(tài)變化影響織物質(zhì)量的問(wèn)題，深入分析紗線輸送動(dòng)態(tài)特征，提出了一種基于紅外光投影的光電感應(yīng)檢測(cè)方法，闡述了紗線狀態(tài)檢測(cè)總體方案，詳細(xì)論述了紗線狀態(tài)檢測(cè)器硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。根據(jù)光電感應(yīng)信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙路差分檢測(cè)放大電路，并采用滯回比較電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化。通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，最終得到紗線張力與脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)針織機(jī)械生產(chǎn)編織過(guò)程中紗線狀態(tài)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警。測(cè)試表明：光電感應(yīng)的紗線狀態(tài)檢測(cè)方法可行，設(shè)計(jì)的紗線狀態(tài)檢測(cè)器工作正常，隨著紗線張力的變化，測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)也隨之變化，兩者具有正相關(guān)性。研究成果對(duì)紗線張力的非接觸性檢測(cè)研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：紗線輸送;紗線張力;光電傳感;脈沖信號(hào);硬件電路

中圖分類號(hào)：TS103.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(chǎn)中的一項(xiàng)重要參數(shù)，影響輸紗到織造中的各個(gè)環(huán)節(jié)[1]，紗線張力的大小和穩(wěn)定直接關(guān)系到織物品質(zhì)、生產(chǎn)效率以及后續(xù)加工的順利進(jìn)行[2]，張力增大會(huì)增加斷紗率，重新穿紗需要停機(jī)，且重新尋找接頭并接線需要的時(shí)間較長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率，當(dāng)張力過(guò)大時(shí)會(huì)使紗線產(chǎn)生永久變形，影響織物的強(qiáng)度、表面性能及織物結(jié)構(gòu);張力過(guò)小會(huì)影響織物編織成型，造成織物結(jié)構(gòu)松散，缺乏彈性[3]。因此，對(duì)紗線張力的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)提升織物的品質(zhì)和針織生產(chǎn)自動(dòng)化水平具有重要意義。

目前大多數(shù)紡織工藝中使用的是接觸式紗線張力儀，檢測(cè)過(guò)程中傳感器測(cè)試元件與紗線直接接觸，儀器表面長(zhǎng)時(shí)間接觸運(yùn)動(dòng)著的紗線，不但會(huì)產(chǎn)生磨損，縮短儀器的使用壽命，而且會(huì)對(duì)紗線的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響，不能真實(shí)地反應(yīng)紗線的張力及其變化[4-5]。非接觸式紗線張力檢測(cè)可以明顯減少儀器對(duì)紗線輸送狀態(tài)的影響，從而提高張力檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

在對(duì)非接觸式紗線張力檢測(cè)的研究中，繆宇軒等[6]基于紗線自激振動(dòng)頻率及光電傳感器開(kāi)發(fā)出非接觸式紗線張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。蘇澤斌等[7]基于FPGA及光電傳感器開(kāi)發(fā)出非接觸式張力檢測(cè)系統(tǒng)，兩者的研究都是基于紗線振動(dòng)頻率和紗線張力的關(guān)系，本文基于紗線張力和光電傳感器脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系，提出了一種非接觸式紗線張力檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用紅外光電傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)電路和算法，開(kāi)發(fā)出一種便捷迅速和準(zhǔn)確度高的非接觸式紗線張力檢測(cè)系統(tǒng)。

1 紗線狀態(tài)分析及檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1 紗線輸送狀態(tài)

針織機(jī)紗線輸送過(guò)程如圖1所示[8]，針織機(jī)針筒轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)紗線從紗筒上牽引下來(lái)，經(jīng)過(guò)輸紗器上的傳動(dòng)組件和傳感器組件，纏繞到輸紗器的繞紗筒上，通過(guò)輸紗器的斷紗報(bào)警器感應(yīng)桿后，勾在織針的針鉤上[9-10]，所需輸紗器的數(shù)量由針織機(jī)路數(shù)決定。當(dāng)針織機(jī)正常工作時(shí)，紗線在針筒的轉(zhuǎn)動(dòng)下隨著織針的出針動(dòng)作完成相應(yīng)的編織。

針織生產(chǎn)過(guò)程中紗線的狀態(tài)會(huì)隨著編織工藝的改變而不斷變化，換色、添紗、減紗、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)織物密度等工藝的實(shí)現(xiàn)需要調(diào)整紗線用量和排列規(guī)則[11]，這些工藝實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中紗線張力會(huì)不斷地波動(dòng)，從而影響紗線輸送的穩(wěn)定性。

1.2 非接觸式紗線張力檢測(cè)方法

紗線張力主要來(lái)源于輸紗器的輸送力和織針的牽拉力，運(yùn)動(dòng)中的紗線可近似看成一根弦，由弦振動(dòng)理論可知，張力越小，抖動(dòng)頻率越小;張力越大，抖動(dòng)頻率越大[12]。紅外光電傳感器由紅外發(fā)射二極管和光電傳感器組成，紅外發(fā)射二極管通電時(shí)會(huì)發(fā)射出一定波長(zhǎng)的紅外光，當(dāng)紅外光照射到光電傳感器時(shí)，光電傳感器內(nèi)光敏二極管的阻值將大幅度減小，對(duì)應(yīng)分壓也隨之減小。紗線經(jīng)過(guò)感應(yīng)區(qū)時(shí)在光電傳感器中線上方不規(guī)則抖動(dòng)，使得光電傳感器左右兩邊因?yàn)榧喚€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(jīng)過(guò)感應(yīng)區(qū)的示意如圖2所示。

1.3 紗線狀態(tài)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)光電感應(yīng)檢測(cè)原理，選擇ARM為控制器核心[13]，設(shè)計(jì)紗線狀態(tài)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)紗線張力的檢測(cè)。系統(tǒng)框圖如圖3所示，其中微控制單元（MCU）采用STM8S103F3芯片;信號(hào)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(tài)檢測(cè)器和集控器的通訊傳遞數(shù)據(jù);報(bào)警模塊主要顯示紗線輸送中紗線狀態(tài)檢測(cè)器的異常。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jí)別，通過(guò)連接如圖4所示的差分放大電路可以將IN1和IN2進(jìn)行放大，差分放大電路具有放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)的特點(diǎn)，以適應(yīng)紗線狀態(tài)信號(hào)弱信噪比的特征。由放大電路原理可以得出放大倍數(shù)為R0/R1，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的大小可以動(dòng)態(tài)調(diào)整放大倍數(shù)，放大倍數(shù)越大，紗線狀態(tài)檢測(cè)器的靈敏度越高，但是放大倍數(shù)過(guò)大容易導(dǎo)致信號(hào)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(hào)底部失真，加入2.5V的直流電壓與放大信號(hào)進(jìn)行耦合。通過(guò)放大和耦合，得到的電壓信號(hào)OUTA以2.5V為基準(zhǔn)上下浮動(dòng)，且不同狀態(tài)下浮動(dòng)差異明顯。

2.2 低通濾波電路

光電傳感器原始信號(hào)一般為頻率較低的信號(hào)，但外界的電磁、噪聲信號(hào)以及電路中電子元器件的干擾，會(huì)導(dǎo)致輸出的信號(hào)中夾雜高頻信號(hào)，這些高頻信號(hào)會(huì)影響原始信號(hào)的檢測(cè)和測(cè)量精度，因此設(shè)計(jì)如圖5所示的低通濾波電路圖進(jìn)行濾波。

濾波電路的傳遞函數(shù)為：H（jw）=Uo/Ui=1/（1+jwRC），截止頻率f為1/（1+2πRC），實(shí)際測(cè)試中的信號(hào)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(shè)置截止頻率為1500 Hz。通過(guò)低通濾波電路消除高頻噪聲信號(hào)，提高檢測(cè)精度。

2.3 滯回比較電路

經(jīng)過(guò)放大電路和濾波電路后輸出信號(hào)仍然是模擬信號(hào)，一般經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后單片機(jī)計(jì)算處理的方法需要單片機(jī)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，而且無(wú)法直觀地體現(xiàn)紗線張力和電壓信號(hào)的關(guān)系，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一個(gè)滯回比較電路[14]，可將其變成單片機(jī)可以處理的脈沖信號(hào)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(diào)節(jié)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(hào)，此信號(hào)直接輸入單片機(jī)，所以高電平設(shè)為為5.0 V，參考電壓Vz設(shè)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(gè)滯回區(qū)間，調(diào)節(jié)電阻和電阻可以改變滯回區(qū)間的大小。不同張力的紗線經(jīng)過(guò)放大電路和滯回比較電路，就能得到不同的脈沖個(gè)數(shù)，對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即可得到兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 紗線狀態(tài)檢測(cè)器軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)接收到脈沖信號(hào)后的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。針織機(jī)上一般會(huì)掛載8～16個(gè)紗線狀態(tài)檢測(cè)器，為了統(tǒng)一管理，需要先編號(hào)。不同的織物編織工藝不同，需要根據(jù)不同的工藝設(shè)定合理的參數(shù)。采樣階段主要是記錄一件織物完整編織后的采樣數(shù)據(jù)，檢測(cè)階段主要將當(dāng)前數(shù)據(jù)和采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而判斷紗線張力是否正常。

集控器處于檢測(cè)階段時(shí)，根據(jù)零位信號(hào)和同步信號(hào)特性，下發(fā)相應(yīng)的零位信號(hào)及同步信號(hào)給各個(gè)已編號(hào)的紗線狀態(tài)檢測(cè)器，各路紗線狀態(tài)檢測(cè)器根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的編織。在檢測(cè)階段，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前采集的脈沖和采樣值存在差值[15]，且差值超過(guò)預(yù)設(shè)的誤差值，紗線狀態(tài)檢測(cè)器就會(huì)報(bào)警閃燈，并向針織機(jī)主控制系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警指令，相應(yīng)針織機(jī)接收到報(bào)警指令后就會(huì)進(jìn)行停機(jī)操作。

3.2 采樣調(diào)試

紗線狀態(tài)檢測(cè)器處于采樣階段時(shí)，接收來(lái)自集控器的采樣指令及零位信號(hào)。紗線狀態(tài)檢測(cè)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(tài)檢測(cè)器等待針織機(jī)零位信號(hào)來(lái)啟動(dòng)正式的

編織，零位信號(hào)到來(lái)時(shí)開(kāi)始采樣。采樣過(guò)程中，紗線狀態(tài)檢測(cè)器對(duì)不同時(shí)刻的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并儲(chǔ)存到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址。接收到集控器發(fā)來(lái)的第二個(gè)零位信號(hào)時(shí)，表示當(dāng)前織物編織完成，采樣階段也隨之完成。

3.3 RS485總線通訊設(shè)計(jì)

RS485總線驅(qū)動(dòng)程序分為UART初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個(gè)部分。UART初始化模塊主要設(shè)置時(shí)鐘、波特率、串口工作模式和中斷工作方式等，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛯?shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)接收采用中斷方式。集控器和紗線狀態(tài)檢測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用半雙工的模式，通過(guò)判斷傳輸數(shù)據(jù)中的功能代碼進(jìn)行相應(yīng)操作，RS485通訊協(xié)議如表1所示[16]，傳輸中會(huì)根據(jù)CRC校驗(yàn)碼判斷數(shù)據(jù)傳輸是否正確;如果錯(cuò)誤則舍棄所有數(shù)據(jù)，正確則將數(shù)據(jù)存入并清空接收寄存器等待下次接收。RS485通訊以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，降低了軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性，整體通訊方式比較簡(jiǎn)便，減少了數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤率，提高了通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性。

4 實(shí)驗(yàn)功能測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了測(cè)試紗線狀態(tài)檢測(cè)器工作情況，搭建了如圖9所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)紗線張力大小來(lái)改變紗線的輸送狀態(tài)，利用示波器來(lái)觀察脈沖信號(hào)

OUTB的變化。紗線通過(guò)伺服電機(jī)和導(dǎo)向輪進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，紗線張力可以通過(guò)調(diào)節(jié)張力夾線器松緊來(lái)改變。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中安裝有紗線狀態(tài)檢測(cè)器，紗線狀態(tài)檢測(cè)器如圖10所示，紗線經(jīng)過(guò)紗線狀態(tài)檢測(cè)器的感應(yīng)區(qū)，紗線正常工作時(shí)將紗線狀態(tài)檢測(cè)器與示波器連接，可對(duì)脈沖信號(hào)OUTB進(jìn)行采集。

4.2 模擬信號(hào)特性實(shí)驗(yàn)

當(dāng)紗線正常工作時(shí)，設(shè)置紗線張力為10 cN和30 cN，利用示波器采集紗線經(jīng)過(guò)紗線狀態(tài)檢測(cè)器后的電壓信號(hào)OUTA波形圖如圖11所示。由圖11（a）可知，紗線在經(jīng)過(guò)光電傳感器時(shí)產(chǎn)生的電壓在不斷變化，且整體電壓在1～4V之間波動(dòng)，這是由于紗線在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不規(guī)則地抖動(dòng);增大紗線張力后得到圖11（b）所示的波形圖，此時(shí)電壓也在不斷變化，但電壓整體比紗線張力為10 cN時(shí)更集中，電壓幅值波動(dòng)減小，主要集中在1.5～3.0 V之間，同時(shí)由于弦效應(yīng)，張力增大后紗線抖動(dòng)頻率增大，單位時(shí)間內(nèi)電壓幅值跳變次數(shù)增多。

4.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)濾波放大后得到的電壓信號(hào)OUTA通過(guò)滯回比較電路可以轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)OUTB，利用示波器采集滯回比較后的脈沖信號(hào)OUTB如圖12所示。

由滯回比較器的工作特性可知，當(dāng)信號(hào)電壓的電壓值大于上閾值電壓時(shí)，信號(hào)OUTB的電壓由5 V跳變?yōu)? V，反之，當(dāng)信號(hào)電壓的電壓值小于下閾值電壓時(shí)，信號(hào)OUTB的電壓由0 V跳變?yōu)? V，當(dāng)電路正常工作時(shí)即可正常輸出脈沖，對(duì)不同張力下的脈沖數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)即可得到紗線張力和脈沖數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.4 不同張力下的脈沖信號(hào)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中運(yùn)動(dòng)的紗線張力范圍為10～26 cN，控制紗線勻速運(yùn)動(dòng)，將紗線張力以3 cN為一

檔進(jìn)行脈沖調(diào)試，分別得到以下6組不同紗線張力下脈沖信號(hào)OUTB的個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)前2000個(gè)數(shù)據(jù)的脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算這6組數(shù)據(jù)的平均值，得到表2和圖13的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(tài)檢測(cè)器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)OUTB的個(gè)數(shù)也在逐漸增多，兩者具有正相關(guān)性，因此可以進(jìn)一步利用單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線張力大小的檢測(cè)與判斷。

5 現(xiàn)場(chǎng)試用

通過(guò)前期采樣及后續(xù)上機(jī)調(diào)試可以得出結(jié)論：紗線張力大小和脈沖個(gè)數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系，利用紗線狀態(tài)檢測(cè)器進(jìn)行整件織物脈沖個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到一件織物完整的采樣值，然后將后續(xù)織物的實(shí)時(shí)脈沖數(shù)據(jù)與采樣值進(jìn)行比對(duì)，即可對(duì)張力大小進(jìn)行判斷。現(xiàn)場(chǎng)試機(jī)過(guò)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(jù)實(shí)際改變的張力大小進(jìn)行檢測(cè)，如果紗線張力在正常范圍以內(nèi)，紗線狀態(tài)檢測(cè)器將正常工作，紗線狀態(tài)檢測(cè)器工作狀態(tài)如圖15所示。

從上述結(jié)果可以看出，利用光電感應(yīng)的原理，通過(guò)對(duì)不同紗線張力下的紗線狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集處理，可以很好地對(duì)紗線張力的大小進(jìn)行判斷并報(bào)警，有很廣闊的工程應(yīng)用前景。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)針織生產(chǎn)中紗線輸送動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行研究，提出了一種基于紗線紅外光投影的光電感應(yīng)檢測(cè)方法，根據(jù)光電感應(yīng)信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙路差分檢測(cè)放大電路，并采用滯回比較電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，從而對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納。經(jīng)測(cè)試，光電感應(yīng)的紗線狀態(tài)檢測(cè)方法可行，設(shè)計(jì)的紗線狀態(tài)檢測(cè)器工作正常，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，最終得到紗線張力與脈沖個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)針織機(jī)械生產(chǎn)編織過(guò)程中紗線狀態(tài)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警，研究成果對(duì)紗線張力的非接觸性檢測(cè)研究具有重要意義。

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