張東劍， 甘學(xué)輝， 楊崇倡， 韓阜益， 劉香玉， 談 淵， 廖 壑， 王松林

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2.東華大學(xué) 資產(chǎn)管理處， 上海 201620； 3.浙江恒逸石化有限公司， 浙江 杭州 311215)

纖維材料廣泛應(yīng)用于服裝、家紡、醫(yī)用衛(wèi)生材料等領(lǐng)域，是航空航天、醫(yī)療健康、先進(jìn)制造與智能裝備、安全與防護(hù)、新能源等領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料[1]。但目前我國產(chǎn)業(yè)用纖維，特別是以高速紡絲為代表的聚酯纖維，與美、日、德等傳統(tǒng)纖維強(qiáng)國相比，缺乏對(duì)卷繞成形過程中纖維力學(xué)特征進(jìn)行無損和實(shí)時(shí)檢測(cè)，難以在紡絲過程中調(diào)整工藝流程，控制產(chǎn)品質(zhì)量，特別是軍工用高品質(zhì)纖維的安全性和可靠性，在生產(chǎn)端無法100%保證，進(jìn)一步限制了我國纖維行業(yè)開展與推廣生產(chǎn)全過程數(shù)字化質(zhì)量控制的進(jìn)程，延緩了智能化生產(chǎn)車間的發(fā)展。

紡絲過程中纖維張力是多個(gè)生產(chǎn)工序中都涉及的重要工藝參數(shù)[2]，其數(shù)值的均勻性與染色品質(zhì)密切相關(guān)，是紡絲生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)智能制造的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。纖維張力過大或過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)力受到損失，長(zhǎng)絲的彈性和拉伸強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變特性、表面性能、染色性能以及后續(xù)織物性能都會(huì)受到影響[3]。此外，由于紡絲過程中長(zhǎng)絲是可變形體，纖維張力在實(shí)時(shí)變化，這就要求張力檢測(cè)應(yīng)具有實(shí)時(shí)性。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)纖維張力可以優(yōu)化紡絲工藝過程，提高成品率和纖維服役性能。目前，國內(nèi)外對(duì)高速紡絲成形工藝中纖維張力檢測(cè)停留在隨機(jī)抽檢階段，企業(yè)普遍做法是取筒子最外面約占總長(zhǎng)度0.01%的絲進(jìn)行檢驗(yàn)，或通過染色試驗(yàn)觀察纖維張力是否均勻，該抽檢方式難以判斷筒子內(nèi)部所有絲條的質(zhì)量，且染色試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力和物力，效率低，成本大，檢測(cè)準(zhǔn)確性不高。另外根據(jù)纖維張力的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，還可以監(jiān)測(cè)纖維的生產(chǎn)狀況，診斷紡織機(jī)械出現(xiàn)故障的原因和部位，實(shí)現(xiàn)紡織機(jī)械故障的智能識(shí)別[4]。

隨著紡速越來越高，對(duì)于纖維張力的實(shí)時(shí)檢測(cè)需要也愈加迫切。本文主要介紹了纖維張力檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，分別對(duì)接觸式和非接觸式檢測(cè)方法的特點(diǎn)，及其在紡絲過程中纖維張力檢測(cè)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并基于激光多普勒測(cè)振技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提出未來高速紡絲工藝條件下，非接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以期為解決目前高速紡絲過程中纖維張力檢測(cè)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題提供新的參考。

1 接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)

接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)原理均是通過導(dǎo)紗輪將纖維張力傳遞給傳感器，傳感器由于受壓產(chǎn)生電信號(hào)，最終利用可被檢測(cè)的電壓或電流信號(hào)，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系即可獲得張力值[5]。根據(jù)敏感元件的不同，典型接觸式纖維張力檢測(cè)方法可分為：電阻式、磁電感應(yīng)式、電容式和電壓式[6]。由于接觸式張力檢測(cè)技術(shù)穩(wěn)定性好、成本低、適用于各種環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，常用在紡絲、絡(luò)筒、整經(jīng)以及織造中的張力檢測(cè)。Zhou等[7]采用三滑輪電阻式張力傳感器對(duì)紗線張力進(jìn)行實(shí)時(shí)多路采集，并對(duì)紡絲張力的影響因素進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。Chattopadhyay等[8]利用電容式紗線張力儀對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗過程中紗線張力進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，研究了動(dòng)態(tài)條件下氣流阻力對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗張力的影響。Podsiedlik等[9]對(duì)比了電阻式、電容式張力檢測(cè)傳感器與磁電感應(yīng)式張力檢測(cè)傳感器的區(qū)別，并在磁電感應(yīng)式張力檢測(cè)傳感器的張緊帶上安裝壓力板，既可減少導(dǎo)向系統(tǒng)由于電磁力變化導(dǎo)致的摩擦損失，又可減少由張力傳感器引起的紗線張力異常變化。

接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)中由于纖維與傳感器長(zhǎng)時(shí)間接觸，對(duì)纖維本身會(huì)產(chǎn)生附加損傷，使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響，傳感器測(cè)量頭也會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的接觸而導(dǎo)致磨損，影響檢測(cè)精度，更難以對(duì)超纖絲或者高性能纖維的絕對(duì)可靠性起到保障作用。同時(shí)，隨著紡織裝備技術(shù)的發(fā)展，紡絲速度逐漸從中低速邁向高速(大于5 000 m/min)，接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)更難以達(dá)到無損和實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。

2 基于圖像處理的檢測(cè)技術(shù)

非接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)不與纖維有任何接觸，通過建立纖維張力檢測(cè)數(shù)學(xué)模型，獲取計(jì)算張力所需的參數(shù)，然后進(jìn)行進(jìn)一步處理。該技術(shù)不損傷纖維，可減少紡絲過程中外部因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，能更準(zhǔn)確地檢測(cè)紡絲過程中的纖維張力。目前，國內(nèi)外研究重點(diǎn)多集中在基于圖像處理的纖維張力檢測(cè)技術(shù)，包括氣圈形態(tài)張力檢測(cè)法和振動(dòng)特性張力檢測(cè)法[10]，該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室條件下得到初步驗(yàn)證。

2.1 氣圈形態(tài)張力檢測(cè)法

氣圈形態(tài)張力檢測(cè)法采用光電轉(zhuǎn)換原理，拍攝光學(xué)圖像并使其轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)，以此采集紡絲過程中的真實(shí)氣圈形態(tài)，總結(jié)氣圈形態(tài)幾何特征參數(shù)與張力的關(guān)系，建立氣圈模型[11-12]，經(jīng)過圖像處理手段計(jì)算氣圈高度、半徑和夾角等參數(shù)即可計(jì)算張力[13]。

Hossain等[14]提出了檢測(cè)氣圈區(qū)域紗線張力的新方法，首先用高速相機(jī)記錄氣圈的形狀，然后通過數(shù)字圖像分析程序測(cè)得的紗線應(yīng)變(發(fā)生在氣圈區(qū))，與所生產(chǎn)紗線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較，計(jì)算出紗線張力。Chen等[15]利用灰度線性變換曲線實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，利用Canny邊緣檢測(cè)算子實(shí)現(xiàn)圖像分割，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和邊界跟蹤算法對(duì)電荷耦合器件(CCD)采集的紗線氣圈進(jìn)行精確邊緣提取(見圖1)，最后提取紗線氣圈的圖案特征參數(shù)，檢測(cè)紗線張力。陳振等[16]提出一種非接觸式紗線氣圈張力檢測(cè)方法，利用MatLab計(jì)算得到紗線張力所需關(guān)鍵參數(shù)—?dú)馊ψ畲蟀霃胶蜌馊斀?，通過圖像處理技術(shù)得到上述關(guān)鍵參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)紗線張力的檢測(cè)。

圖1 圖像邊緣提取過程Fig.1 Process of image edge extraction. (a) Target; (b) Transformed by gray scale; (c) Edge detection by Canny; (d) Transformed by morphology; (e) Edge tracking

氣圈形態(tài)張力檢測(cè)法適用于環(huán)錠紡、倍捻機(jī)、絡(luò)筒機(jī)退繞等工藝，但無法檢測(cè)聚酯紡絲過程的纖維張力，在實(shí)際生產(chǎn)中難以推廣。

2.2 振動(dòng)特性張力檢測(cè)法

紡絲過程中2輥之間的纖維可以視作1根軸向移動(dòng)的弦，在牽伸作用下弦的橫向振動(dòng)引起2端張力的不斷波動(dòng)，因此，采用CCD圖像傳感器采集2輥之間纖維的波動(dòng)狀況，經(jīng)圖像處理技術(shù)提取纖維振動(dòng)波長(zhǎng)[17]，即可通過弦振動(dòng)理論計(jì)算2輥之間纖維的張力，檢測(cè)原理如圖2所示。Wang 等[18]使用激光照射運(yùn)動(dòng)紗線，利用線陣CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，在圖像處理上采用局部邊界差分算法搜索運(yùn)動(dòng)紗線的邊緣作為特征線，根據(jù)特征線的平均值，將采集到的圖像分為下垂圖像和振動(dòng)圖像，通過變點(diǎn)檢測(cè)得到振動(dòng)的峰值和波谷坐標(biāo)，最后根據(jù)弦振動(dòng)理論得到運(yùn)動(dòng)紗線的張力。

注：p為線密度，g/km；A為截面積，m2；T為張力，cN；v為牽伸速度，m/s。圖2 振動(dòng)特性張力檢測(cè)法原理圖Fig.2 Schematic diagram of tension detection method based on vibration characteristics

從目前的研究現(xiàn)狀來看，基于振動(dòng)特性的纖維張力檢測(cè)法可檢測(cè)低紡速纖維張力，但由于CCD相機(jī)需垂直于纖維運(yùn)動(dòng)方向，人工安裝易引入誤差，同時(shí)CCD光電陣列和圖像處理算法需要大量計(jì)算時(shí)間，降低了纖維張力的實(shí)時(shí)輸出頻率，在實(shí)際高速紡絲工藝應(yīng)用上存在一定的局限性。

3 基于激光多普勒測(cè)振的檢測(cè)技術(shù)

激光多普勒測(cè)振技術(shù)是將頻率為f的激光照射到纖維上，從纖維表面反射回來的光會(huì)附加一個(gè)多普勒頻率fD，該頻率滿足

(1)

式中：λ為激光的波長(zhǎng)，nm；V為待測(cè)物體速度，m/s；C為光速，m/s。結(jié)合紡絲過程中長(zhǎng)絲振動(dòng)特性，檢測(cè)纖維表面微小區(qū)域反射回的多普勒頻率fD[19-20]，通過弦振動(dòng)理論即可計(jì)算紡絲過程中纖維張力。

3.1 激光多普勒在檢測(cè)振動(dòng)方面的應(yīng)用

國內(nèi)外研究人員對(duì)激光多普勒測(cè)振方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究并取得了一定的成果[21-22]。目前，激光多普勒測(cè)振儀在各種振動(dòng)分析上己得到廣泛應(yīng)用。主要包括表面粗糙度測(cè)量[23]、材料損傷探測(cè)[24]、偽裝目標(biāo)識(shí)別[25]和激光語音偵聽[26]等。

文獻(xiàn)[27-28]搭建了一種基于激光多普勒測(cè)振的光學(xué)干涉測(cè)量表面粗糙度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過檢測(cè)粗糙表面高度差引起的回波光相位變化量，即可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度檢測(cè)。Pieczonka等[29]基于三維激光多普勒測(cè)振的損傷識(shí)別方法，對(duì)應(yīng)用于空間探索的可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭箱體進(jìn)行損傷識(shí)別。Yekutiel等[30]研制的激光多普勒語音偵聽試驗(yàn)裝置，有效偵聽范圍為1～5 m，且為增強(qiáng)偵聽效果，研究人員將語音增強(qiáng)算法應(yīng)用于信號(hào)處理過程中，不僅提高了語音偵聽裝置的探測(cè)距離，還可提升語音信號(hào)的辨識(shí)度。

目前，商用的激光多普勒測(cè)振儀產(chǎn)品，如德國的OptoMet和Polytec公司等[31-33]，可提供適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域的激光多普勒測(cè)振儀，如航空航天、生物醫(yī)療、汽車、軌道交通以及聲波檢測(cè)等[34-36]，包括單點(diǎn)式、面陣多點(diǎn)式、全場(chǎng)掃描式、顯微式等不同類型的激光測(cè)振儀。

3.2 激光多普勒在張力檢測(cè)中的應(yīng)用

為研究激光多普勒測(cè)振技術(shù)在張力檢測(cè)中的應(yīng)用可行性，科學(xué)家們利用該技術(shù)在纜繩張力、卷筒紙張力和基板張力等檢測(cè)中進(jìn)行了有益的嘗試。Kroneberger等[37]利用激光測(cè)振原理設(shè)計(jì)了纜繩張力檢測(cè)裝置，通過檢測(cè)纜繩振動(dòng)的瞬時(shí)橫向位置，然后根據(jù)位置測(cè)量序列確定電纜的振動(dòng)頻率，并以此研究張力的變化情況。Vedrines等[38]提出了一種基于激光測(cè)振計(jì)算卷筒紙張力的試驗(yàn)方法，其通過測(cè)量移動(dòng)過程中卷筒位移變化，利用快速傅里葉變換(FFT)，可將這些振動(dòng)分為受迫振動(dòng)和自由振動(dòng)，通過自由振動(dòng)頻率與張力關(guān)系計(jì)算卷筒紙張力。湯奧斐等[39]建立了固結(jié)磨粒線鋸(FAW)加工過程中的橫向振動(dòng)模型，采用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量線鋸的振動(dòng)頻率，對(duì)影響線鋸橫向振動(dòng)最重要的影響因素—線鋸張力進(jìn)行了分析和標(biāo)定。文獻(xiàn)[40-42]提出了一種基于激光測(cè)振檢測(cè)橫向振動(dòng)頻率的基板張力估計(jì)方法，首先建立基板張力、運(yùn)動(dòng)速度及橫向振動(dòng)頻率之間的關(guān)系，基于該關(guān)系，利用測(cè)量得到的基板橫向振動(dòng)頻率及運(yùn)動(dòng)速度，即可快速估計(jì)基板張力。

總結(jié)上述文獻(xiàn)并結(jié)合紡絲過程中長(zhǎng)絲振動(dòng)特性，探索了一種基于激光多普勒測(cè)振原理的高速紡絲工藝下纖維張力檢測(cè)技術(shù)的可行性。根據(jù)紡絲過程中長(zhǎng)絲振動(dòng)特性，取輥1與輥2之間長(zhǎng)度為dx的微元進(jìn)行分析。設(shè)長(zhǎng)絲截面積為A(m2)，密度μ(kg/m3)，初始張力為T(N)，軸向速度為V(m/s)，輥距為L(zhǎng)(m)，如圖3所示?；谖⒄駝?dòng)理論[43]BC段移動(dòng)到B’C’段，X、Y分別代表在x、y上的位移，分別為軸向位移和橫向位移。

圖3 長(zhǎng)絲受力圖Fig.3 Forces acting on chemical filament in spinning process

X=X(x,t)，Y=Y(x,t)

(2)

忽略長(zhǎng)絲本身重力的影響，根據(jù)長(zhǎng)絲在x和y方向的受力平衡，其橫向和軸向運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

研究發(fā)現(xiàn)，橫向振動(dòng)的振幅遠(yuǎn)大于軸向振動(dòng)，對(duì)纖維質(zhì)量的影響更為明顯[44]，因此，本文只考慮長(zhǎng)絲的橫向振動(dòng)。采用Kelvin本構(gòu)模型描述化纖長(zhǎng)絲蠕變現(xiàn)象及應(yīng)力松弛特性，并利用三角函數(shù)二階泰勒級(jí)數(shù)展開式(3)的橫向振動(dòng)部分，即可得到長(zhǎng)絲的橫向振動(dòng)動(dòng)力學(xué)微分方程：

(4)

假設(shè)化纖長(zhǎng)絲在初始張力T的作用下發(fā)生自由橫向振動(dòng)，則長(zhǎng)絲的橫向振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型為

(5)

根據(jù)自由振動(dòng)方程，可推導(dǎo)長(zhǎng)絲振動(dòng)基頻f為

(6)

考慮到紡絲過程中輥溫度、側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速、上油率等因素對(duì)張力的影響，構(gòu)建非接觸式張力檢測(cè)數(shù)學(xué)模型：

式中：系數(shù)ki、kj、kij以及常數(shù)R與纖維的幾何結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和材料屬性有關(guān)；i、j、m、n為變量。利用激光多普勒測(cè)振原理，測(cè)量從纖維反射回的多普勒頻率，經(jīng)信號(hào)處理獲取振動(dòng)基頻，利用式(7)即可計(jì)算紡絲過程中纖維張力?；诩す舛嗥绽諟y(cè)振的纖維張力檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。由于激光頻率遠(yuǎn)超紡絲過程中纖維的振動(dòng)頻率，因此，基于激光多普勒測(cè)振的張力檢測(cè)法更適合高速紡絲過程中纖維張力檢測(cè)。

圖4 基于激光多普勒測(cè)振的纖維張力檢測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Fiber tension detection system based on laser Doppler Vibrometer

4 結(jié)束語

本文結(jié)合紡織工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和高速紡絲工藝(大于5 000 m/min)對(duì)纖維張力檢測(cè)所提出的在線、實(shí)時(shí)和非接觸的需求，論述了接觸式纖維張力檢測(cè)的特點(diǎn)和局限性，分析了基于圖像處理的非接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)在高速紡絲過程的不適性，展望了激光多普勒測(cè)振技術(shù)在纖維張力檢測(cè)中的應(yīng)用可行性。

1)紡絲過程中接觸式纖維張力檢測(cè)手段仍是行業(yè)主流，其檢測(cè)方法也比較成熟。但隨著高速紡絲工藝發(fā)展趨勢(shì)和更嚴(yán)苛的檢測(cè)要求，接觸式纖維張力檢測(cè)方法難以對(duì)超纖絲或者高性能纖維的絕對(duì)可靠性起到保障作用。

2)基于圖像處理的非接觸式纖維張力檢測(cè)技術(shù)尚屬研發(fā)階段，僅在實(shí)驗(yàn)室理想條件下得到驗(yàn)證，但實(shí)際生產(chǎn)車間嘈雜，外部環(huán)境無法保證，且對(duì)于更高紡速的聚酯，紡絲過程中纖維抖動(dòng)嚴(yán)重，具有高頻、非線性的特點(diǎn)，采集的圖像數(shù)據(jù)量極為龐大，因此，在實(shí)際高速紡絲工藝應(yīng)用上會(huì)存在一定局限性。

3)基于激光多普勒測(cè)振的纖維張力檢測(cè)技術(shù)具有高頻響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，精度高的優(yōu)點(diǎn)，已有學(xué)者利用該技術(shù)在纜繩、卷筒紙和基板等張力檢測(cè)中進(jìn)行了有益的嘗試，可借鑒和參考作為研究的基礎(chǔ)。結(jié)合紡絲過程中長(zhǎng)絲振動(dòng)特性，基于激光多普勒測(cè)振技術(shù)檢測(cè)高速紡絲工藝下纖維張力具有可行性。

未來可開展的研究工作主要有：1)提高纖維張力檢測(cè)的普適性，研究聚酯纖維、碳纖維、對(duì)位芳綸和超高分子量聚乙烯纖維紡絲過程中纖維振動(dòng)基頻與張力的內(nèi)在機(jī)制，完善紡絲工藝數(shù)據(jù)庫以減少不同批次產(chǎn)品工藝差異對(duì)張力檢測(cè)精度的影響；2)優(yōu)化纖維振動(dòng)基頻提取技術(shù)，針對(duì)激光噪聲問題，研究數(shù)據(jù)采集過程中的噪聲干擾機(jī)制，開發(fā)最優(yōu)基頻提取算法，保證不同噪聲狀況下張力檢測(cè)的準(zhǔn)確度；3)完善產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫，利用深度學(xué)習(xí)模型結(jié)合有效的特征提取機(jī)制和成熟的機(jī)器學(xué)習(xí)算法(包括分類算法和回歸算法)，對(duì)紡絲過程纖維張力與產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行端對(duì)端學(xué)習(xí)的可行性，為纖維生產(chǎn)提供決策依據(jù)。