（机械电子工程专业论文）基于数字信号处理技术的探纬检测设备研制.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向l ：翻家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理j i _ 二 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密团 。 学位论文作者签名：妖渡 日期：妒p 年 月 l2 , e t 年解密后使用本版权书。 指导教师签名 日期：l b 年岁月i v v 3 - 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 光电式纱线探测器是喷气织机的重要部件，对每纬纱线是否到达指定位置进行实时监 测，有效地保证了织造质量。光电探纬器由红外光信号发送，接收以及处理模块构成。其 中信号处理模块完成对光电信号中由纱线存在引起的变化信息进行提取和判断，它是探纬 器能否快速、准确地进行纱线识别的关键。以模拟电路为主体的光电探纬器具有低成本， 快速识别的特点，但是模拟器件容易受到环境温度、电磁场的干扰，从而影响检测效果的 稳定性和准确性。本课题以基于光电检测的纱线识别技术为研究对象，开发了采用d s p 作 为核心运算单元的硬件系统，设计了纱线信号检测算法，并通过相应实验验证了识别算法。 全文分为六章，具体内容如下： 第一章对喷气式织机探纬器的历史发展和现状进行论述，归纳了探纬器设计的新方法 以及探纬器发展的新趋势，阐述了研制新型探纬器的目的和意义，并在此基础上提出了本 课题所研究的基本内容和需要解决的主要问题。 第二章分析了探纬检测设备原理，提出了一种光电探纬器的框架结构，该框架由红外 发射管驱动电路，光电接收管前置信号放大电路，带通滤波电路以及阀值比较电路构成， 并采用集成电路设计了基于模拟电子技术的光电探纬器。 第三章建立了适合探纬检测设备的数字信号处理硬件平台。依据喷气织机的性能要求 及d s p 处理器的综合指标，数字探纬器采用基于哈佛结构的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 作为处理 核心。该平台由三部分组成：信号采集单元负责获取外部信息并将其转化为数字信号形式 输出。信号处理单元是整个系统的核心，负责对采入的信号进行实时处理。信号传输单元 是d s p 与主控制器进行实时通讯的中介。根据设备需要，对各个部分的控制器件进行选取， 并设计了各部分接口电路。 第四章在前两章工作的基础上，采用d s p 算法对光电接收管初级滤波放大电路输出信 号进行纱线信号的识别。分别采用f f t 及g o e r t z e l 算法对数字纱线信号进行检波处理，将两 种算法处理结果进行比对，分析两种算法的优劣性，并经过数据筛选实现判决功能，以达 到对比效果，实现最优检测，保证探纬检测效果。 第五章介绍了探纬检测实验台的建立，并在其上对织机探纬器在缺纬，短纬，断纬， 长纬等故障状态下的不同信号进行采集分析。并对数字探纬检测设备进行一系列实验，验 证了数字探纬检测设备工作的可靠性。 最后对全文进行总结，并对研究前景作展望，提出进一步的工作方向。 关键词：光电式；t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ；数字探纬器：f f t 算法；g o e r t z e l 算法 i 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nw e f td e t e c t i n ga p p a r a t u sb a s e do nd s p a b s t r a c t w e f td e t e c t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to fa i r - j e tl o o m , w h e r ei nt h ew e f ty a r n sa r e i n s e r t e db yaj e tf l u i di n t ot h ew a r ps h e d ，t h ei n s e r t i o nc o n d i t i o no ft h ew e f ty a r n sm a r k e d i n f l u e n c e st h eq u a l i t yo ft h ew o v e nf a b r i c t h el i g h te m i t t i n g ，l i g h tr e c e i v i n gs e c t i o n sa n d s i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l ec o m p o s ew e f td e t e c t o r , t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ed i s t i l l i n ga n dj u d g i n g t h es i 罂l a lc h a n g ef r o mt h ei n s e r t i o nc o n d i t i o no ft h ew e f ty a m s ，i ti st h ek e yo fd e t e c t i n gy a r n s q u i c k l ya n dt r u l y w e f td e t e c t o rb a s e do na n a l o g yc i r c u i th a sf e a t u r e sw i t l ll o wc o s ta n dr a p i d i d e n t i f i c a t i o n , b u tc o n s i d e r i n ga b o u tt h ed i s a d v a n t a g eo fa n a l o g yc i r c u i t , s u c ha st e m p e r a t u r e ， y a w p ，e l e c t r o m a g e t i s mc o u l da f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fa n a l o g yc i r c u i te a s i l y ，an e wk i n do f s t a b l e ，r e l i a b l ea n dh i g h e f f i c i e n c yd i g i t a lw e f td e t e c t o ri sb r o u g h tf o r w a r d w i t ht h es t u d yo ft h e w e f ty a m si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do np h o t o e l e c t r i ct e s t i n gi nt h i sp a p e r , t h e h a r d w a r es y s t e mw h i c hu s e sd s pa si t sk e r n e lp r o c e s s o ri sd e v e l o p e d ，w e f ts i g n a ld e t e c t i o n a l g o r i t h mi sd e s i g n e d , a n dt h ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mi sa n a l y z e d 、析t hr e l e v a n te x p e r i m e n t s t h i sp a p e ri sm a k eu po ft h ef o l l o w i n gs i xc h a p t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e rs t a r t sw i t ht h eh i s t o r ya n d a c t u a l i t yo fw e rd e t e c t o r , a tt h es a m et i m e ，t h e n e wm e t h o da n dt r e n do ft h ed e s i g no fw e f td e t e c t o ri si n t r o d u c e db f i e f l y ，a n dt h ep u r p o s ea n d m e a n i n go fd e s i g n i n gn e wk i n do f w e f td e t e c t o ri se x p o u n d e d ，t h e nt h et o p i ci sb r o u g h tf o r w a r d i nt h es e c o n dc h a p t e r , l e g i b l ea n dt a n g i b l ew e f td e t e c t o rp r i n c i p l ei s a n a l y z e d ，a n dw e f t d e t e c t o rw h o s ef r a m e w o r ks t r u c t u r ei sp h o t o e l e c t r i ct e s t i n gi sb r o u g h tf o r w a r d t h es t r u c t u r e c o n s i s t so ft h el i g h t i n ge m i t t i n gc i r c u i t , t h el i g h t i n gr e c e i v i n gs e c t i o n s ，t h ep r i m a r ya m p l i f i e r c i r c u i t , t h eb a n a s sf i l t e r , a n dt h ec o m p a r i n gm o d u l e t h e nt h ec o n t r o lb o a r do fw e f td e t e c t o r w h i c h w a sb a s e do ni n t e g r a t e dc i r c u i ti si n t r o d u c e di nd e t a i l d i g i t a lw e f td e t e c t o rp l a t f o r mw h i c hi sa d a p t e df o rd e t e c t i n gw e f ty a r n si ss e tu pi nt h et h i r d c h a p t e r , c o n s i d e r i n g t h ep e r f o r m a n c eo fa i r - j e tl o o m 弱w e l la s t h 毛c o n f i g u r a t i o na n d p e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l e r , 耵s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ai sa d o p t e da st h es y s t e m sc o n t r o l l e r , w h i c hi sa k i n do f h i g h s p e e da n dl o w - p o w e rd s pu s i n gh a r v a r ds t r u c t u r e t h eh a r d w a r ep l a t f o r mc o n t a i n s t h r e ep a r t s ：t h ef i r s tp a r ti st h es i g n a lc o l l e c t i o nm o d u l e ，w e f ts i g n a li sc o l l e c t e db yt h i sm o d u l e ， a n dw e f ts i g n a lc o u l db ec h a n g e df r o ma n a l o g ys i g n a lt od i g i t a ls i g n a l ，t h er e a l - t i m es i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l ei st h es e c o n dp a r to ft h ep l a t f o r m ，d i g i t a lw e f ts i g n a li sp r o c e s s e db yt h e c o n t r o lm o d u l ei nt i m e ；t h el a s tp a r to ft h ep l a t f o r mi st h es i g n a lt r a n s m i t t i n gm o d u l e ，i ti st h e m i d d l e w a r eo fr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n dt h ec o n t r o l l e ro fa i r - j e tl o o m i i 浙江理工大学硕士学位论文 i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ed e s i g no fd e m o d u l a t i o na l g o r i t h mi si n 仃o d u c e d ，t h ed i g i t a lw e f t s i g n a lw h i c hi s d e t e c t e df r o mt h ep r i m a r ya m p l i f i e rc i r c u i ti sc h a n g e df r o mt i m e - d o m a i nt o f r e q u e n c y d o m a i nt h r o u g hf f t a r i t h m e t i cf i r s t l y ；t h e nw et r yt op r o c e s ss i g n a lt h r o u g hg o e r t z e l a r i t h m e t i c ，w h i c ha l et h e na n a l y z e dr e s p e c t i v e l ya n dc o m p a r e d 晰me a c ho t h e r ，n l er e s u l ts h o w s t h a tt h eg o e r t e z e lm e t h o do u t p e r f o r m st h eo t h e ro n ei nc a l c u l a t i o nl o a da n dt i m e ，i tc a l lg e tt h e b e s td e t e c t i o nw h i l ek e e p i n gt h ea c c u r a c yo ft h ew e f td e t e c t i o n i nt h ef i f t hc h a p t e r , w e rs i g n a li sc o l l e c t e db ye x p e r i m e n t sw h i c ha r eb a s e do ns i g n a l d e t e c t e dp l a t f o r mt h r o u g hd i f f e r e n tt y p e so fm a l f u n c t i o no fa i r - j e tl o o m t h e nt h er e l i a b i l i t yo f d i g i t a lw e f td e t e c t o ri sv a l i d a t e dt h r o u o at h e s er e l e v a n te x p e r i m e n t s i nt h el a s tc h a p t e r , t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d , a n dt h eo r i e n t a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to fw e f td e t e c t o ri sb r o u g h t f o r w a r d k e y w o r d s ：p h o t o e l e c t r i c ；t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ；d i g i t a lw e f td e t e c t o r ；f f ta r i t h m e t i c ；g o e r t z e l a r i t h m e t i c i i i 1 3 探纬器的现状和发展趋势4 1 3 1 国外光电探纬技术的研究现状5 1 3 2 国内探纬器的研究现状一6 1 3 3 光电探纬检测新方法的研究以及趋势7 1 4 本论文研究的基本内容及拟解决的主要问题8 1 4 1 本课题研究内容8 1 4 2 本课题的预期目标及成果8 1 4 3 本课题拟解决的技术关键问题8 1 5 本章小结9 第二章检测原理分析和实现方案一1 0 2 1 探纬器检测原理1 0 2 1 1 红外光电管选型1 1 2 2 模拟探纬器实现一1 2 2 2 1 供电模块设计1 2 2 2 2 方波发生模块1 4 2 2 3 初级滤波放大模块1 7 2 2 4 信号调理模块l8 2 2 5 比较输出模块2 3 2 3 本章小结2 6 i v i i v 1 l 2 2 2 3 t 上t 上 一 一 一 一 一 - 一 一 一 一 浙江理工大学硕士学位论文 第三章数字信号处理的硬件平台实现2 7 3 1d s p 与g p p , m c u 的比较2 7 3 2d s p 硬件平台的实现。2 8 3 2 1 硬件平台的设计要求2 8 3 2 2 硬件设计2 9 3 2 3d s p 处理器的选择3 0 3 2 4 系统供电模块3 1 3 2 5a d 转换模块3 2 3 2 6s d r a m 扩展3 5 3 3t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的开发环境3 7 3 4 本章小结3 8 第四章探纬检测设备的软件实现4 0 4 1 信号采集流程4 0 4 1 1a d 转换时序4 0 4 1 2a d 采样率的选择4 3 4 1 3s d r a m 的部分代码配置4 3 4 2 傅里叶变换一4 4 4 2 1f f t 原理4 5 4 2 2f f t 在t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 上的实现4 7 4 3g o e r t z e l 算法4 9 4 3 1g o e r t z e l 算法原理4 9 4 3 2 参数k 和n 的选择一5 0 4 4 阈值判定5 1 4 5 本章小结5 2 第五章探纬检测设备实验结果5 3 5 1 实验方案的设计及设备仪器的介绍。5 3 5 1 1 实验方案5 3 5 1 2 实验台的搭建5 3 5 1 3p c i 1 7 1 1 数据采集卡的特点5 4 5 1 4 数字存储示波器t d s1012 b s c 的使用5 5 v 致谢6 9 攻读硕士学位期间的研究成果7 0 v 1 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 喷气织机探纬器 第一章绪论 纺织工业在我国国民经济中占有很高的比重。改革开放以来，中国的无梭织机产业步 入新的发展阶段，特别是2 0 世纪9 0 年代以来，根据纺织工业发展的需要，采取技贸结合 的方式，用大量的资金，从国外引进喷气织机设计制造技术，合作生产，自主研发，形成 了一定规模的无梭织机产业。虽然近年来我国喷气织机的需求量以平均每年1 5 万台的速 度递增，但由于目前国产喷气织机在市场所占的份额还很低，故尽快提升国产喷气织机的 技术水平和产业化成为行业的重点目标之一。 喷气织机的发展已经有几十年的历史，新型喷气织机是集机、电、光、气为一体的自 动化机织设备，从上世纪8 0 年代开始进入我国，由于其织物品种的适应性不断被拓展，探 纬设备、筘幅、转速、入纬率、运行效率、自动化及智能化程度不断提高而得以迅速发展。 目前，国际著名的喷气织机生产厂家有日本丰田公司和津田驹公司，比利时的p i c a n o l 公司，意大利p r o m a t e c h 公司，德国d o r n i e r 公司，瑞士的s t a u b i t 公司和s u l t e x 公司。这些公司的产品以良好的性能、丰富的配置和较高的可靠性占据了中国喷气织机9 0 以上的市场份额。 喷气织机光电探纬器作为一种红外光电检测器件，在织机运行过程中需要长时间地承 受冲击震动，因而属于一种易耗件，消耗量较大。由于我国机电技术水平相对有限，而探 纬器的结构又极精巧，复杂，技术要求高，长期以来主要依赖进口，但国外备件造价非常 高，给使用的企业带来很大负担，而且引进的探纬器在国内的使用情况并不理想。现在国 内虽然已有单位研制开发喷气织机探纬器，市场上也有公司销售自主开发的织机探纬器， 但不够成熟稳定，与使用厂家的要求有较大差距。因此开发稳定可靠高效，且具有自主知 识产权的喷气织机探纬器迫在眉睫。 探纬器是喷气织机的“眼睛 ，是喷气织机上的核心部件之一，在每引入一纬的过程 中，由它探测纬纱是否被正常地引入梭口。由于探头上的发光元器件易损耗，致使探纬检 测设备漏检率较高，造成双纬或百脚疵布。故探纬器的性能好坏直接关系到织机的运转正 常与否，织物质量的高低和物料消耗的多少。本课题以基于光电检测的纱线识别技术为研 究对象，开发了采用d s p 作为核心运算单元的硬件系统，设计了纱线信号检测算法，并通 过相应实验验证了识别算法u 1 。 浙江理r 丁大学硕士学位论文 1 2 探纬器的分类 1 2 1 不同织机的不同探纬方式 不同织机由于引纬方式的不同探测纬线的方式也不同，喷气织机主要采用装在异形筘 上的光电对射或反射信号来探测纱线信号，剑杆织机则通过压电陶瓷传感器检测纬线信 号，喷水织机则经过机械探针式探纬后，发展成高压式探纬，即在两金属探针间加上直流 3 0 0 一1 0 0 0 v 的高压电，当带着水的纬线同时碰到两金属探针时会产生一定的电信号，并用 一定的电路来区分水信号和纬纱信号，从而完成探纬任务。由于在喷水织机的使用过程中， 用户普遍感到高压放电探纬装置对水质有相当高的要求，需投资一套水源净化减低导电率 设备，探针容易腐蚀，维护费用高，在制造加捻织物时调整困难，使得喷水织机在织物品 种多样性上严重不足。为了解决这些问题，国外广泛使用光电探纬装置，取得了较理想的 成果。由于光电探纬检测设备的高精度，高效率，非接触在线检测等优良特性，光电探纬 检测设备已成为织机检测行业的发展方向 2 - 3 1 。 1 2 2 喷气织机探纬器的分类 目前喷气织机探纬器在探纬检测形式上都采用光电式，但在光电检测原理，安装位 置，安装方式等方面各有所长。根据探纬器安装位置的不同可分为筘前式安装，插筘式安 装和断筘式安装；而根据探纬器光电检测原理的不同又可分为反射式和对射式。筘前式安 装探纬器根据接收光电管的个数分为单接收管式和双接收管式；插筘式根据探纬器固定方 式的不同又可以分为筘面固定式和筘座固定式。图1 1 中分别为筘前式，插筘式及断筘式 探纬器安装形式示意图。 图1 1 主要喷气织机探纬器形式 筘面固定式及筘座固定式的探纬器各有优劣，其中筘面固定的插筘式探纬器，因其固 2 浙江理工大学硕士学位论文 定探纬器的螺丝对钢筘的筘面损伤较大，所以国内外喷气织机多采用筘座式探纬器。而筘 座固定的插筘式探纬器虽然对钢筘筘面没有影响，但是因为探纬器安装位置的高低、插入 筘齿的深浅较难准确把握，从而会影响到探纬器检测的准确性。 插筘式探纬器的宽度比较窄，跟筘前式探纬器相比较：探纬器w f 。占用废边和布边之 间的纬向距离小，每纬纬纱回丝量少。而断筘式探纬器因其红外发射管发射的红外线不经 过导光片，直接射向红外接收管，光路宽敞；通光量大，在提高探纬器探测灵敏度和可靠 性方面是有利的。但断筘式探纬器的问题在于安装时必须断筘或锯筘齿以适应布幅，这样 可能会损伤钢筘的使用寿命，企业需要增加钢筘的储备量，对翻改品种不利，尤其某些喷 气织机的异形筘价格昂贵，不适宜经常更换。综上，筘前式安装，插筘式安装和断筘式安 装的探纬器各有优缺点，使用时需根据具体生产厂家实际条件及生产品种来挑选合适的探 纬器安装方式。本课题里探纬器的实验平台是建立在日发的r f j a l 0 型喷气织机的基础上， 生产布匹的种类需要经常更换，故选择的是筘前式安装探纬器h 1 。 1 2 3 探纬器探头结构 探纬器探头的结构并不复杂，探头顶端安装一只红外发射管和一只接收管。探头的结 构如下图1 2 所示： 图1 2 探纬器探头结构 红外发射管的主要作用是发射近红外光，近红外光州i r ) 是介于可见区和中红外区间的 电磁波，美国试验和材料协会( a s t m ) 规定近红外光的波长范围为7 0 0 2 5 0 0 n m 。近红外光 又被划分为短波近红外( s w 悄i r ) 和长波近g l 夕 , ( l w - n i r ) ，其波段范围分别为7 0 0 - 1 1 0 0 n m 和1 1 0 0 2 5 0 0 n m 。红外发射管做为红外控制系统的发射源时，它的发射波长主要有9 4 0 n m 浙江理工大学硕士学位论文 和8 5 0 n m 两种，材料都是g a a l a s ，工作电流一般在5 0 m a ，有些大功率红外发射管的驱动 电流可达至m o o m a 以上，红外发射信号经频率调制后般接收距离可超过1 0 米，无干扰时 可超过3 0 米。 用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光电转 换元件，如红外接收二极管，光电三极管等。探纬器探头上与红外发射管匹配的光电接收 管选用的是红外接收二极管，发射管及接收管的型号选择及它们的特性将在下一章详细论 述。 为了提高红外探测的作用距离，而又不使红外发射管过载，一般不采用恒定直流驱动 方式，而采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。采用脉冲发射方式或调制载波脉冲 发射方式可使红外发射管的平均功率减小，提高系统的有效作用距离，而且还可以大大提 高红外探测系统的抗干扰能力。 常见的红外发光二极管功率可分为小功率( 1 m w - 1 0 m w ) 、中功率( 2 0 m w - 5 0 m w ) 和大 功率( 5 0 m w - 1 0 0 m w 以上) 三大类。要使红外发光二极管产生调制光，只需在发射管上加上 一定频率的脉冲电压去驱动它，就可使红外发光二极管工作于脉冲状态；又因为调制光的 有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值i p ，就能增加红外光的发射距 离。提高i p 的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度t ，一些彩电红外遥控器，其 红外发光管的工作脉冲占空比约为1 3 1 4 ；而另外一些电器产品红外遥控器由于受控距离 较远，故占空比选用1 1 0 。 红外线发射与接收的方式有两种，其一是对射式，其二是反射式。对射式指发光管和 接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管与接收管并 列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到 反射回来的红外光线才工作。因对射式红外检测所需的安装空间较大，可适应的织机品种 较窄，故本课题中光电探纬器的探头检测部分采用的反射式红外发射与接收方式呻1 。 1 3 探纬器的现状和发展趋势 目前世界主要制造商生产的每台织布机都采用两个光电式探纬器。其中第一探纬器 ( 岍1 ) 安装在布边与废边纱之间，它是用来检测是否缺纬，短纬等故障的。它在纬纱设定 到达时间内探测到纬纱视为正常，否则则视为不正常。另外一个探纬器( w f 9 安装在正常 引纬时，纬纱头端到达范围以外的地方，距离w f ! 约1 0 0 1 2 5 t u r n ，用来检测纬纱是否过长 或断纬，它对在纬纱设定到达时间内探测不到纬纱视为正常，否则为不正常。双探纬器在 4 浙江理工大学硕士学位论文 纬向安装位置如图1 3 所示： 1 3 1 国外光电探纬技术的研究现状 图1 3 探纬器纬向安装位置 探纬器是保证坯布质量的最重要部件。以前欧洲喷气织机上的探纬器都是插入式的， 它的优点是灵敏度高，织造长丝也能胜任，但它的缺点是价格太高且易损坏钢筘，这使得 运行成本大大提高。为了提高织机的竞争力，现在m y t h o s - t e c 和o m n i - - p l u s 的探纬器 都改为筘前式，和j a t 、z a x 的一样。z a x 系列的织机除了一般的双眼探纬器，还有三眼 探纬器可供选择，便于色纱探测，特别适用于黑色纱。表1 1 列出了当前国外主要喷气织 机生产厂商采用的探纬器形式。 表1 1 当前国外探纬器主要采用的形式 生产厂商型号 红外光电管探测安装形式固定方式 方式 丰田 1 6 、o 巧硼、o 反射式 筘前式筘座固定 津田驹 z a 2 0 0 ，z | a x 910 0 反射式筘前式筘座固定 必佳乐 o m n i 反射式筘前式筘座固定 o 【n i p l u s 必佳乐 尉7 铂 对射式插筘式筘面固定 必佳乐 p a t - w 对射式断筘式筘座固定 舒美特 m y t h o s t e c 对射式插筘式 筘面固定 喷气织机的光电探测装置是用来探测纬纱是否已经准确的嵌入了经纱的梭口中。由 于纬纱嵌入遮挡了部分红外发射管发射的信号，使得红外接收管接收到的光强会产生不同 程度的变化，光电探纬器就是依据接收管接收的光强变化的信息来判断纬纱是否已经恰当 的嵌入了经纱的梭口中。如果大量的漂浮废弃物积聚在红外发射管或接收管的光传导的反 5 浙江理工大学硕士学位论文 射透镜上，那么检测装置的检测灵敏性会降低，灵敏性降低的程度取决于积聚在透镜上的 粉尘等杂质的数量。国外的喷气织机探纬器研究专家曾采用一种提前增加探测装置的灵敏 度以补偿灵敏度的降低量的解决方法，但由于探头的工作环境较为复杂，影响探头检测灵 敏度的因素较多，提前增加的灵敏度补偿量很难实时精准的满足探头灵敏度的降低量。故 此方案没有得到大规模应用。综上，要保持光电探纬器的探测灵敏度一直比较困难。通过 调整光电探纬器控制板中放大器模块的增益来调整探头检测灵敏度的方案在国外的一项 专利中被提出，当探头的检测灵敏度降低，误探，漏探等故障情况出现较多时，通过增加 探纬器控制板上放大器的增益可以保持探头的检测灵敏度。即探头的检测灵敏度的改变由 一个增益自动控制电路来检测，当探头的灵敏度降低时，该电路产生一个增益自动控制信 号。增益自动控制信号将被反馈到放大器从而改变其增益。增益变化受到其增益装置中控 制晶体管的影响，同时也受到另外一个装置中的若干增益调节电阻的影响m 1 羽。 1 3 2 国内探纬器的研究现状 国内纺织厂大部分有梭织机多采用机械式探纬装置。此装置结构复杂、零件多、调整 困难，对投梭时间与投梭力度的相互配合以及梭子定位的要求非常严格，另外对车间温、 湿度等环境因素的要求也高。在织高支高密织物时，若交叉锭弹簧弹力太弱，探针不能及 时伸出，容易形成空管；若交叉锭弹簧弹力太强，探针回退的动程小，容易刺伤纬纱或早 换梭，易形成大纡脚，造成浪费。用红外反射式光电探纬装置取代机械式探纬，不仅探纬 动作灵敏、准确可靠，而且保证了换梭时纡脚大小一致，节约纬纱。 国内近期推出了双接收管反射式的探纬器，这种类型的探纬器将反射光的接收范围扩 大，同时还将灵敏度根据纬纱颜色、粗细和探纬器使用时间进行了分档设置操作，从而使 反射式探纬器的探测灵敏度和工作时的可靠性得到了一定的改善。改进后的光电探纬装置 有以下特点： ( 1 ) 探纬准确。梭子进入梭箱，由于纬管探纬槽正对探纬器的红外线光眼，在曲轴从 前心略偏上转到前止点再到前心的过程中，探纬器的红外光眼始终正对着梭芯上的反光装 置，从而延长了探纬时问，即使织机在运转过程中梭子的定位不是太稳定也能确保探纬的 准确性。 ( 2 ) 减少了反光装置的数量。每台织机的梭子数量是有限的，将反光装置( 膜) 固定在 梭芯上，既减少了反光装置的数量，又减少了反光装置的流动性，避免了不必要的损失。 ( 3 ) 减少了纡脚回丝。用光电探纬装置取代机械式探纬，既避免了纬纱的碰断与磨毛， 6 浙江理工大学硕士学位论文 又保证了换梭时纬管上纡脚的大小，节约了纬纱。 ( 4 ) 简化了系统装置，减轻了工人劳动强度。采用光电探纬装置可淘汰原有的诱导装 置，其中包括纬纱锤、传动杆、敏觉杆及整个探纬部分，共计二十多个零部件。特别是淘 汰了传动杆部分，既可降低保全工、上轴工在上轴时穿引布面的难度，又可避免上轴时机 油污染布面n 3 1 。 光电探纬 图1 4 改进后的探纬系统 近年西北工业大学的沈丹峰教授提出了另一种改进探纬器漏检的方法，它的工作原理 简图如图1 5 ： + 1 5 v 探 纬 扳 r l 口 r 2 o r 3 l 3l z 图1 5 改进后的电路图 将探纬器的接收管由通用的一只改为两只，并且垂直成一线紧密排列，增加一块控制 板将两路接收信号引入并做逻辑或，将逻辑运算后的真值送入探纬板，同时将两路信号作 逻辑异或，若真值为高，则主控器记录无检测信号的管子漏检测一次。可以编程将漏检测 率判定阈值为0 5 ( 也可以是其他数值，由用户自行设定) ，当漏检测率 0 5 时，报警提 示更换探纬器。由于采用了双路检测，其可靠性可提高许多，而其成本增加不大1 4 1 。 1 3 3 光电探纬检测新方法的研究以及趋势 目前光电探纬检测发展的新趋势是用数字探纬检测设备来代替传统的模拟探纬检测 器。利用数字信号处理技术对检测信号进行算法处理，以实现更精准的纱线检测。 数字化探纬检测设备包括：数字电位器，可编程控制系统，通信处理器件，交互式人 机界面。用数字电位器替代传统的手动调节旋转式电位器，由此通过定量的数据设定来实 7 犁 浙江理工大学硕士学位论文 现探纬板参数的调整，并且能够根据用户的要求记忆相关的参数。这样可以避免由于机械 上的振动等因素对探纬板参数造成的影响。同时探纬板上的控制芯片，通过串口等通讯方 式和织机的主控系统进行通信。交互式人机界面以一定方式与通信处理芯片相连接，通信 处理芯片再与可编程控制系统相连接，这样就可以实现通过人机界面对探纬参数进行设 定，进而实现智能的数字化设定。利用这种新型数字化探纬电路可以显著提高控制精度， 提高效率，降低生产成本。 1 4 本论文研究的基本内容及拟解决的主要问题 1 4 1 本课题研究内容 ( 1 ) 分析出清晰明确的探纬检测设备原理，明确导致探纬检测设备性能不佳的原因。 通过缺纬，短纬，断纬，长纬等故障状态下检测的不同信号来分析探纬检测设备的工作原 理，并根据实验获得探纬检测的精确状态。 ( 2 ) 建立适合探纬检测设备的数字信号处理平台。该平台由三部分组成：信号采集 单元负责获取外部信息并将其转化为数字信号形式输出。信号处理单元是整个系统的核 心，负责对采入的信号进行实时处理。信号传输单元d s p 与主控制器或其它系统实时通讯 的中介。 ( 3 ) 设计相应的滤波检波算法，保证检测效果。信号处理算法由d s p 处理器实现， 将依据样机实验的测试结果设计并优化算法。 1 4 2 本课题的预期目标及成果 ( 1 ) 提出完整的纱线检测原理方案。 ( 2 ) 设计成熟的基于数字信号处理技术的探纬设备。 ( 3 ) 分析不同因素对探纬效果的影响。 1 4 3 本课题拟解决的技术关键问题 ( 1 ) 数字滤波、算法的设计。选用正确的算法处理探纬器所检测的信号，是本课题 的一个技术关键问题，拟采用d s p 来处理信号，使织机能实时的处理探纬器的检测状态及 信号波形。得到稳定可靠的信号波形使得探纬检测设备能更高效、更稳定的工作。 ( 2 ) 确认各个因素对探纬检测效果的影响。环境光、室内湿度、空气中粉尘等杂质、 8 浙江理工大学硕士学位论文 发光元件的寿命等因素对探纬检测效果的影响不可忽视，但这些因素带来的干扰不能精确 的计算并被克服。故分析确认这些因素在探纬检测效果中的影响也是本课题要解决的另一 个关键问题。 1 5 本章小结 本章对喷气式织机探纬器的历史发展和现状进行论述，归纳了探纬器设计的新方法以 及探纬器发展的新趋势，阐述了研制新型探纬器的目的和意义，并在此基础上提出了本课 题所研究的基本内容和需要解决的主要问题。 9 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 探纬器检测原理 第二章检测原理分析和实现方案 喷气织机的纬线依靠气源的喷射将其从经线的左端传送到经线右端的适当位置。在打 纬的过程中，由于主辅喷嘴喷射气压的波动或其它干扰因素的影响，容易造成纬线传送断 线，不到位或传送过量而超限等现象。无论哪种情况发生，都将导致布匹瑕疵。为此，必 须对纱线信息进行精确检测，以使故障得到及时控制和处理。 喷气织机光电探纬器安装在织机的钢筘筘座的t 行槽中，异形筘的筘槽后面贴有黑色 的遮光膜，用于隔离射向光电元件的外界光线。探纬器的安装位置可以随织物穿筘幅度进 行调整。探纬器由柱状透镜、投光器、受光器、遮光板和壳体等组成。柱状透镜将投光器 的光聚合成带状，称为一定长、宽的探照光带。投光器是半导体发光二级管，它在规定时 间内( h l 为2 0 0 0 - 2 9 0 0 ，h 2 为2 0 0 0 - 3 1 0 0 ，角度是指织机的主轴转动一圈，指示织机工作角 度为0 0 - 3 6 0 0 ，为使计量方便，织机工作时间用织机主轴工作角度计量。这里的h 1 和上一 章中的w f l 是相互对应的，h 2 和w f 2 是对应的) 发射出照射光，由光电晶体管构成的受光 器，把接收的光量转换成电量。投光器和受光器同装在探纬器头端，中间用遮光板隔开【l 5 1 。 探纬器的安装位置如图2 1 所示： h i 探 筘座 图2 1 探纬器位置示意图 喷气织机光电探纬器的基本工作原理是：在钢筘内的纬线，随辅助喷嘴喷出气流的带 动而前进。探纬器探头的红外发射管受方波产生模块驱动发光时，在纬线有( 无) 抖动变 化的不同情况下，反射光返回的光强度将有( 无) 明显的差异，而探头内的红外接收管则 会依据光强程度的不同而受到不同程度的激励，所输出信号的幅度将会有( 无) 明显的变 化；即将光电探纬器的输出信息体现在输出信号幅值的变化上，信号处理模块将检测出此 l o 浙江理工大学硕士学位