（测试计量技术及仪器专业论文）分布式纱线瑕疵在线检测系统的初步研究.pdf

第一章绪论 1 1 背景及意义 第一章绪论 自古以来纺织工业在我国社会经济中就扮演着极为重要的角色，是我国国民 经济的支柱型产业之一。改革开放以来，我国的纺织工业得到较快的发展，逐渐 在国民经济中占据越来越多的份额，同时其生产规模占世界纺织工业生产总量的 四分之一，位居世界首位。如今，纺织工业不仅为人民提供衣着消费、增加社会 就业率、扩大出口创汇，同时也在积累建设资金和提供相关产业配套发挥了非常 重要的作用【i j 。 二十世纪八十年代以后，我国纺织品的出口量占我国商品总出口量的比例大 大增加，并一跃成为世界上最大的纺织品出口国。上世纪九十年代，我国纺织工 业发展曾一度陷入低谷【2 】。由于更换新型纺织设备的速度偏慢，导致纺织企业大 多沿用八十年代甚至更早期的纺织设备。这些设备生产水平落后、自动化程度低， 更有较大比例的设备处于超期服役的状态，使得生产状态难以保证，整体劳动力 水平低下，又因为生产中管理理念和生产技术落后，质量控制跟不上，使得产品 的质量和档次偏低，高品质和高技术含量的产品较少。特别是加入世界经济贸易 组织( w r o ) 后，国际贸易日益频繁，日益激烈。国际市场对出口的纱、布和 服装等纺织产品的要求也越来越严格和苛刻，其质量标准较以前也有了较大的提 高。单就棉纱而言，随着高速整经和高速织造技术的发展，对棉纱质量提出了更 高的要求，出口纱必须是无结的捻接纱，定长、而且条干均匀，棉结杂质等纱疵 较少，有的甚至提出要求无疵纱。这种纱在国际市场上由于其技术含量较高，附 加值也较高，售价一般可提高5 一1 0 以上，具有较大的市场需求量。这就对我 国的纺织工业提出了更高的要求。 进入二十一世纪以后，随着世界经济全球化趋势的进一步增强，第三次科技 革命保持着迅猛的发展势头，新材料和新技术层出不穷，使纺织工业面临更为严 峻和充满活力的外部环境。纺织行业也充分认识到了以质量求生存、以技术求发 展的重要性。各国纺织企业把知识创新和技术进步作为提高自身竞争力主要手 段，纷纷更新、改造生产设备，改进旧的生产技术和生产工艺或者采用新的技术 和工艺。面对新的行业环境和越来越强劲的国际竞争对手，我国纺织工业要想谋 发展，进而提高在世界纺织工业中的地位，必须在继承自身传统优势的同时，积 极地采用新技术、新工艺、新设备；提高工人的知识水平；采用先进的生产管理 理念；在生产质量的控制上提出更高的要求。使纺织工业朝着自动化和智能化的 第一章绪论 方向发展。依靠科技的力量生产出高科技含量和高附加值的产品。 纺织工业生产中，质量控制与检测是保证产品质量的关键技术【3 】。纱线作为 前纺工艺的产品，其质量反应原材料的质量和前纺工艺的合理性；同时它又是后 续织造过程的原料，影响纺织产品的外观和制造的生产效率，纱线在纺织工业生 产中起到承上启下的作用，所以，对纱线的检测、控制和评价又是纺织工业质量 控制的关键 纱线瑕疵在影响纱线质量的众多因素中是最主要的一个，纱线瑕疵的检测一 直都是纺织工业检测的核心环节之一。它是对前纺质量进行评价和质量控制的重 要依据。近年来，随着经济的不断发展和社会的不断进步，人们的生活水平也有 了极大的提高，对纺织品的质量也提出了更高的要求。现有的纱线瑕疵检测手段 越来越难以满足市场需求。所以开发新的纱线检测技术势在必行。 1 2 纱疵的分类 纱疵是纱线生产中产生的纱线有害疵点，它形成的原因较多，所以种类比较 多，大小形态各异。纱疵的形成主要是由于原棉中携带杂质且清棉的开松程度和 清杂效率不够；在加工过程中，由于飞花聚集、短纤维附入、纤维勾结、操作失 误等原因；另外就是由于设备和前纺工艺中罗拉牵伸不良以及工艺不科学造成 的，由于以上种种原因，纱线瑕疵是不可避免的， 目前国际上普遍的纱线瑕疵分类方法是基于瑞士u s t e r 公司的方法【4 】，它 按照纱疵的长度和横截面积把纱疵分为2 3 级，具体如图1 1 所示，其中横轴l 表示纱疵的长度，单位为c m 。纵轴s 为纱疵横截面积的相对增量。其具体分类 如下： 1 ) 短粗节：横截面积在正常纱线的2 0 0 以上，长度小于8 c m 的纱疵。短 粗节在此范围内分为a 1 d 4 共1 6 个级别。 2 ) 长粗节：横截面积在正常纱线的1 4 5 以上，长度大于8 c m 的纱疵。长 粗节在此范围内分为e 、f 、g 共3 个级别。 3 ) 长细节：横截面积在正常纱线的7 0 以下，长度大于8 c m 的纱疵。长细 节在此范围内分为h 1 1 2 共4 个级别。 4 ) 棉结：长度在l m m - 4 m m 的小型纱疵，主要由籽棉碎片形成。 5 ) 竹节：短周期内出现成串的短粗节。 6 ) 异性纱疵：指原棉中混入的异色异质的纤维、杂质等形成的纱疵。由于 物理属性与棉纤维差异大，严重影响后续织造、印染，危害十分严重。 7 ) 特种纱疵：对于特殊品种的纱线，还有一些特有纱疵，如氨纶包芯纱特 有的空芯、露芯、空鞘；花式纱特有的花式异常等等。 2 第一章绪论 图1 1 纱疵分级 1 3 纱疵检测技术的发展及现状 在纺织工业中，纱线瑕疵的检测和清除靠的是络筒机上的清纱器，纱线检测 技术的研究实际上就是清纱器技术的研究。 机械式清纱器是最早使用的清纱器 6 】。它的优点是结构简单，成本低。但相 对于优点它的缺点更明显，因为是接触测量，易损伤纤维，刮毛纱线，增加毛羽， 影响强力。尤其当提高清纱灵敏度时，会产生大量的浮游纤维，且积聚不少的尘埃 和杂质，更因小棉结、叶屑、结头等都会引起不必要的断头，所以清除效率较低， 一般在5 0 以下。而且它对扁平状及弹性好的纱疵很易漏掉，再加上它无法感知 纱疵长度这一极为重要的技术参数，所以它对粗纱、长粗节和细节等纱疵根本无 法感知，更谈不上清除。基于以上原因，机械式清纱器被后来的电子清纱器所取 代。 一九五一年由英国林拉研究协会的斯盼塞尔史密斯博士发明了世界上第一 台光电式电子清纱器【i o 】，自此纱线检测技术进入了电子清纱器时代。因纺织生 产提高产品质量的需要，自上世纪五十年代电子清纱器研制成功以后，它发展很 快，性能不断提高，功能不断完善；六十年代技术成熟且在纺织工业中被大量推 广使用。这个时期的电子清纱器在信号处理上都采取了相对测量的处理方式p j ， 即纱线在检测区运行时，放大器的输出不保存纱线平均值的电信号，而且当管纱 用完或切断纱线后，放大器的输出不保留纱线平均值的电信号。这类电子清纱器 册 如 如 b 如郇乃 枷 娜 啪 啪 朽 专：弗扔 第一章绪论 体设计，并对单个检测装置进行了具体的设计。本文研究的主要内容： 1 ) 根据纺织工业现场的实际情况，提出了纱疵检测的分布式传感器系统， 同时对多路检测通道进行实时监控。 2 ) 在阅读大量论文和材料的基础上，总结出了现有的电容式和光电式电子 清纱器各自的优缺点，提出了集成电容和光电两种传感器的新型纱线瑕疵检测方 式 3 ) 设计了电容传感器以及相应的信号处理电路，同时设计了基于小波变换 理论的信号处理方法。 4 ) 设计了光电传感器以及光源驱动电路、信号的放大电路。设计了基于小 波变换信号处理方法。 5 ) 设计了基于l a b v i e w 的数据采集程序，并利用m a t l a b 对采集的数据进行 相应的处理。 6 ) 搭建实验平台，完成对异性纤维纱线的检测和数据采集，并给出分析结 果。 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 2 1 分布式传感系统的概述 分布式测量的概念最早见于l i l l i a nn c a s s e l 关于网络互联的基础上实现分 布式测量管理的论文中【l 。分布式对象技术、坐标测量接口标准、离散事件动态 系统等理论的出现和发展，为分布式测量技术的实现奠定了方法和理论基础。 分布式测量系统通过工业局域网和i n t e r n e t ，把分布于各制造单元、独立完 成特定功能的本地测量设备和测量计算机连接起来，以达到测量资源共享、协同 工作、分散操作、集中管理、测量过程监控和设备诊断等目的的工业计算机测量 网络系统。它是计算机技术、网络通讯技术、测量技术全面发展并紧密结合的产 物。分布式测量系统的出现必将满足现代制造企业对信息的需求，为“敏捷制造、 “全球制造”、“网络制造提供相应的测量集成技术解决方案。由于机械制造中 的测量过程复杂多样，面向机械制造的分布式测量技术的研究进展缓慢，而在流 程工业和电子信号测量领域关于分布式测量技术发展较快。 传统的集中式测量系统由众多封闭的测量功能单元组成【1 2 1 ，各单元之间几 乎不存在数据上的通讯。每个测量单元往往由一个中央控制器直接管理周边的一 个或多个测量仪器设备。中心控制器用点对点的物理连接监控周边设备，通常采 用r s 2 3 2 、h a r t 协议，或者特定的总线协议i e e e 4 8 8 。中央控制器的功能可 能包括协调周边设备的动作、管理测量数据、控制设备之间的通讯。 集中式结构中所有传感器将原始信息传输到融合中心，由中央处理设施统一 处理。集中式的最大优点是信息损失最小，但数据互联较困难。并且它只有当接 受到来自所有的传感器信息后，才对信息进行融合，所以，通信负担重，融合速 度慢，系统的生存能力也较差。 分布式结构的特点是：每个传感器的信息进入融合以前，先由它自己的数据 处理器进行处理。融合中心依据各局部检测器的决策，并考虑各传感器的置信度， 然后在一定准则下进行分析综合，做出最后的决策。在分布式多传感器信息融合 系统中，每个节点都有自己的处理单元，不必维护较大的集中数据库，都可以对 系统作出自己的决策，融合速度快，通信负担轻，不会因为某个传感器的失效而 影响整个系统正常工作，所以，它的具有较高的可靠性和容错性。 在纺织工业的实际生产中，为实现纱线瑕疵的适时在线检测，每个纱锭都要 相应地安装一个纱线瑕疵检测头，即电子清纱器。这样需要的电子清纱器的数量 是非常庞大的。传统的电子清纱器都是独立工作，很不方便工业化的集中管理， 6 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 很难满足敏捷制造、网络化制造以及产品全面质量控制等方面的要求。本文在考 虑纺织工业实际生产中遇到的问题的基础上，提出了纱线瑕疵检测的分布式传感 系统。它从底层测量设备的自动控制和信息集成等方面着手，通过对产品数据的 自动采集和反馈控制，达到保证或提高产品质量的目的。 如图2 - 1 所示为纱线瑕疵检测分布式传感系统示意图，该系统由一台计算机 同时监测和控制多路的纱线瑕疵检测装置。系统使用i e e e 4 8 8 ( g p i b ) 总线协 议，g p i b 是一数字的8 位平行通讯界面，传输速率达8 m b y t e s 。总线提供的一 个控制器在2 0 米的排线长度内最多可连结1 4 个仪器。本系统使用g p i b 扩增器 与延长器便可以突破这两个限制，是系统最多可连结6 0 个仪器并可远程对测量 仪器进行适时监控。g p i b 排线与连接器是一种多方面适用并符合工业标准的产 品，可在任何环境内使用，比较适合复杂的工业生产现场。 总 线 图2 - 1 分布式纱疵检测系统 相较于普通的测量设备，本系统有两大优势：( 1 ) 测量设备可以通过网络得 到执行测量所需的标准数据和程序；( 2 ) 测量设备可以将检测结果和自身状态等 信息通过网络直接发送到各个系统和数据库中。同时，系统依靠网络技术实现分 布的测量设备协同工作和系统动态配置，称为测量信息和资源共享的快速、柔性 的自动化测量系统。系统还可适时的监测各仪器的工作状态和提供的信息。 2 2 基于多传感器的纱线瑕疵检测 纱线检测在纺织工业中的地位非常重要，它是生产中质量控制的重要环节， 它检测纱线的质量，发现并清除瑕疵，形成与纱线瑕疵种类、数量等信息有关的 统计数据，供生产管理之用。 目前生产中普及的电子清纱器以电容式和光电式为主。 7 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 1 ) 电容式电子清纱器原理 电容检测是指利用平板电容传感器来获取纱线信息的检测方法。其基本原理 如图2 2 所示。当满足一定的填充条件且忽略极板边缘效应时，电容器的容量与 极板间的纱线材质和质量有一定的对应关系，后续的电桥电路将电容量的变化转 换为电压信号的起伏。若没有纱疵通过时，后续电路输出一个平缓的信号，当有 纱疵通过时，后续电路的输出将会出现对应的起伏，与预先设定好的工艺标准比 对，即可实现对纱疵的检测。目前电容检测仍是纱疵检测领域的主流技术。它克 服了光电检测的一些缺点，使检测精度大大提高。该方法感知的不仅仅是极板间 纱线的平均线密度，还会对极板间介质( 空气和纱线) 的介电系数的变化起反应， 所以可以在一定程度上检测纱线材质的变化。 纱线 图2 2 电容式电子清纱器示意图 2 ) 光电式电子清纱器 光电检测是指利用光电传感器来获取纱线信息的检测方法。光电检测原理如 图2 3 所示。光源发出的光经过测量区，其中的一部分被纱线反射或吸收，剩余 部分到达光接收器。光接收器将接收到的光信号转化为电信号，经后续电路整理 输出。当有粗细变化明显的疵点通过时，输出信号发生相应的幅度变化，将该信 号送交鉴别电路，即可判断该纱疵属于有碍纱疵还是无碍纱疵，若超过预先设定 的工艺标准，则判定为有碍纱疵，鉴别电路发出一个清除信号，驱动电路驱动切 刀将其切除，完成一次清除纱疵的过程。在理想条件下，这种方法感知的是纱线 沿光束方向的投影直径。其优点在于它是纱线外观的直观表达，接近视觉效果。 但由于检测易受环境光线和检测区清洁度的影响，以及早期光电器件价格高、长 周期稳定性差的因素，该方法在早期应用中效果并不理想。 8 里 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 图2 3 光电式电子清纱器示意图 上述两种测量方式都有各自的优缺点，两种测量方式的优缺点比较如表2 1 所示【1 4 】 表2 1 电容式和光电式优缺点比较 随着社会的进步和经济的发展，人们对纺织品质量的要求也越来越高。目前 单一的检测方式在检测效率、测量精度和适用范围上都难以满足新的要求。单一 的传感器不能同时检测纱线的尺寸、形状、色泽、密度等参数。尤其目前尚不能 检测异性纤维纱疵。 异性纤维俗称“三丝 ， 1 5 l 异性纤维包括化学纤维、丝、麻、毛发和塑料绳 等非棉性纤维。混入原棉中的“三丝”，容易被打碎成无数纤维小疵点，在纺织 加工中难以清除，影响棉纱和布的质量，危害很大。纺纱时，纤维小疵点容易使 9 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 棉纱断头，降低生产效率。织布时，影响布面质量。染色时，纤维和布料染色不 均，甚至有些异性纤维无法上色，大大影响织物的视觉效果。目前，异性纤维只 能用人工挑拣的办法清除，成本很高但效率很低。所以异性纤维的检测是当今纺 织工业中亟待解决的问题。 为了解决异性纤维的问题，本文以单传感器纱线检测为基础，引入了多传感 器技术。利用多传感器的优势，实现纱线纱疵检测中对异性纤维检测的突破。 2 2 1 多传感器检测实现 多传感器技术是近年来发展起来的新的测量技术。它是一种多源信息技术， 就是利用多个传感器同时对同一个对象的一个或多个特征量进行测量。通过对来 自不同传感器的信息按照一定的依据进行统一的综合分析，来得到被测对象的特 征。 本文提出了一种由电容传感器和光电传感器联合对纱线瑕疵进行检测的方 案。可实现各种常见纱线瑕疵，特别是对异性纤维的检测。其具体方案如图2 4 所示。 触? 飞m 爱感嚣 ：乏六身瑟透射接收端 信号处理 。一 j 纱纱 ，纱线 l 疵疵 信号处理 信号处理l 长密 乏 出 一一一 申窜申申i 特征融合 l 模态判别 图2 _ 4 多传感器联合检测工作框图 本方案采用一个平行板电容传感器和一组光电传感器进行联合检测。其中， 电容传感器感知纱线瑕疵的截面上的平均密度和纱疵的长度；光电传感器分透射 接收端和反射接收端，透射接收端的信号经过处理得到纱疵的直径和长度，反射 1 0 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 接收端的信号得到纱疵的色彩值和长度。将上述得到的特征量进行融合，经过建 立的各个纱疵的模态对纱疵进行判别和分类。本方案既能对异性纤维进行检测又 可对传统的纱疵进行检测，如：条干、毛羽、长、短粗节等。 2 2 2 传感器的选择及特征量获取 本方案由一个平行板电容器和一个光电传感器联合对纱线瑕疵进行检测。具 体选用原因如下： 1 ) 电容传感器。平行板电容传感器应用在纱线瑕疵检测上，从上世纪八十 年代至今已有二十多年。其技术发展的已经相当成熟，又由于它检测方式有一定 的局限性，不是本文重点研究的对象，所以本文继承了以前的电容检测方案。 2 ) 光电传感器。本文采用一个l e d 点光源和两个p i n 型光电二极管以一定 结构组成的一个光电测量回路。 目前，纱线纱疵的光电检测方式中的光电器件以c c d 为主，因为c c d 有 其他图像传感器不可比拟的优点，如：分辨率和灵敏度较高、动态范围广、信噪 比较高等。但是它的缺点也比较明显，比如：体积较大，后续处理电路复杂，不 利用高度的集成化；它的采集速率较慢，不适合实时在线的检测；成本较高，不 利于节约成本。而光电二极管正好弥补了c c d 的这些缺点，它体积小、成本低、 响应速度快、结构简单。这些特点决定了光电二极管适合高速的在线检测。 本方案采取的是两种传感器从不同方位分别测量不同纱线的特征量，在考虑 多传感器的信息融合时应选择“特征级融合。本课题研究的重点是如何从两种 传感器中分别提取被测对象的各种特征量，将各种特征量信息融合后，再提取出 最能反映被测对象特征的特征量。 1 ) 电容传感器部分。电容传感器获取的是纱线的线密度信号【l o 】。理想的纱 线的线密度是均匀的，因此其输出信号是一个直流电平。但实际生产中，纱线的 条干是不可能均匀的，且纱线的表面随机分布着细小的毛羽，所以，传感器的输 出信号会有一定的起伏。纱线高速运动时的抖动，也会使得纱线信号出现不规则 的变化。当纱线的线密度发生异常时，传感器的输出信号就会产生一定程度上的 变形。我们要从异常的纱线信号中提取出和纱疵相关的特征量，比如异常信号的 起点、终点和波形等，最终提取两个特征量：纱疵平均线密度和纱疵长度。 2 ) 光电传感器部分。光电信号主要是获取纱线瑕疵的色度、直径和长度信 息。光电传感器的投射接收端利用纱线对光线的遮挡作用，来获得变化的光强。 理想的纱线时均匀的，得到的光强是恒定的，当纱线的直径变化时，透射端接收 的光强会相应的变化，输出信号会有突变；光电传感器的反射接收端利用纱线对 光线的反射作用，来获得变化的光强。当纱线的直径变化或纱线表面有颜色的改 第二章纱线瑕疵检测的分布式传感系统 变时，反射光强就会发生相应的变化，进而输出信号会有相应的起伏。信号处理 的目的是从两个光电接收端的输出信号中提取出，纱线瑕疵的长度信息、色度信 息和直径信息。 2 3 本章小结 本章提出了一种建立纱线瑕疵的分布式测量系统的方案。并在对现有纱疵检 测传感器工作原理和优缺点分析的基础上，提出了一种集成电容传感器和光电传 感器的多传感器纱线瑕疵检测方案。该方案综合了两种传感器的优点，对纱线的 不同特征分别测量，最后将测得的特征量进行综合分析，得到被测纱线的特征。 1 2 第三章电容传感器设计及信号处理 第三章电容传感器设计及信号处理 虽然电容式电子清纱器出现晚于光电式电子清纱器，但是发展速度较快，目 前，电容式电子清纱器的技术已经比较成熟，是应用最广的电子清纱器。本文在 分析电容式电子清纱器原理的基础上，设计了电容传感器，分析了传感器的测量 原理，并提出了信号处理方法。 3 1 电容检测原理 电容式电子清纱器利用平板电容作为检测传感器【1 6 1 。平板电容由两个平行 的金属极板以及两极板中间的电介质构成，其电容量大小与金属极板的正对面 积、金属极板之间距离和电介质的介电常数有关。具体表示如式( 3 1 ) 所示 c ：堕；竖竺 ( 3 一1 ) d d 式中：c 平行板电容器的电容量 s 电介质的介电常数 s 两极板间的正对面积 万圆周率 岛真空介电常数，其值5 瓦赤( f c m ) 2 i 茜( p f c m ) 电介质的相对介电常数 当电容传感器两极板之间没有纱线时，极板间只有空气，可以将空气的相对 介电常数看做是1 。当两极板之间放入纱线后，引起两极板间介质的介电常数发 生变化。引起传感器电容量的变化。当极板间纱线发生运动时，纱线的材质和体 积的变化，都会引起电介质的介质常数的变化，进而引起电容量的变化，测量该 变化的电容量，即可检测纱线材质和体积的变化。这就是电容式传感器检测纱线 瑕疵的基本原理。 电容检测的具体原理如图3 1 所示【5 】，设检测电容的极板长度为a ，高度为b ， 极板有效面积a = a b ；极板间距离为三；纱线厚度为( 为了便于计算，可理 解成把纱线压扁为与极板面积相等，并排除空气后所形成的一条纱带) 。v 为纱 线在极板间( 检测区内) 的体积，v = 4 = a b 。取沿电容极板长度方向为 第三章电容传感器设计及信号处理 横坐标x ，高度方向为纵坐标】，由物理学可知，在电容极板上取一微分单元 出咖的小面积，当忽略电场边缘效应时，对于在电极板中有两种介质( 空气和 纱线) 的情况，电容器的电容为： c = rr 蒜 4 万l ( 三一“) + 1 ( 3 - 2 ) 式中： = ( x ，y ) ，表示电力线穿过纱线的实际距离，占一纱线的介电常数。 取p = 1 - 1 8 ，对( 3 - 2 ) 式进行简化，得： c = 啬+ 面p v i 1 万) ( 3 _ 3 ) 因为纱线在电容极板中的填充系数为五= , u l ，所以将彳代入式( 3 - 3 ) ，得： 图3 1 电容检测原理 因为co = a 4 , , l ，所以 躲篆c 而， ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 式( 3 0 ) 的物理意义为：检测电容的电容量等于没有放入纱线时空气电容量和 放入纱线后所引起的电容增量之和。 1 4 第三章电容传感器设计及信号处理 经计算，电容的相对变化量为： c占一l 一= = 一 c o 1 + 占( 1 2 - 1 ) ( 3 - 6 ) 根据式( 3 6 ) ，如果以纱线的介电常数占为横坐标，电容的相对变化量( a c c o ) 为纵坐标，以填充系数元作参变量，可给出这三者之间的关系曲线，如图3 2 所 示。可见，检测电容的相对变化量不仅与占( 表征纱线材料) 有关，还与五( 表 征纱线体积) 有关。当旯足够小时，尽管占变化，但曲线已趋于饱和，见图3 2 中阴影区域。这说明，即使纱线回潮率很高，占很大，但只要设计合理，并使五在 5 1 0 的范围内，a c c o 的影响并不大。实验表明，组成纱线的纤维材料其 介电常数的含水率对介电常数影响程度同测试电场的频率有密切关系。在直流和 低频时，不仅各种纤维的介电常数较大，而且因水的介电常数为8 l ，空气为1 ， 以致含水纤维的介电常数较大。进一步实验表明，随着测试频率的不断提高，纤 维含水量的影响将显著减小。事实上，随着电场测试频率的提高，含水纤维的介 电常数区域其折射率的平方。且它们之间的差异也不断缩小。所以，我们设计电 容检测头时，除了应考虑名外，还应考虑激励信号的频率，实验证明，当激励信 号的频率为f o = 3 0 m h z 时，介电常数的变化对电容量的影响可以忽略，而只与兄 有关。 。 设名1 ，则有： 图3 2 介电常数与电容相对变化关系 第三章电容传感器设计及信号处理 c 生+ j ；矿( 3 7 ) a 嚣l4 死c 式( 3 7 ) 的物理意义为：等式右边的第一项表示不放纱线时检测电容中的空气 电容量，第二项表示放入纱线后引起的电容增量，而这增量的大小与纱线在极板 中的体积成正比，而与电容极板之间的距离的平方成反比，与纱线横截面积的变 化量成正比。 由以上分析可知，a c 与纱线的在极板中的体积成正比，体积与密度的乘积 为质量，对于均匀的纱线，a c 与纱线的质量成正比。由于质量等于长度与平均 线密度的乘积，在传感器中的纱线长度是一定的，故a c 与纱线的平均线密度成 正比。 3 2 电容传感器设计及电容信号检测方式 本方案采用的是平行板电容传感器，其结构如图3 3 所示， a 广 + a - a 电容极板 图3 - 3 电容探测头 该传感器有两个平行板电容c 0 和e ，其中，c 0 为检测电容器，e 为平衡补 偿电容。并有c o = e 。 传感器中平行板电容的本体电容非常小，约为1 0 。1 5 f 。由纱线瑕疵引起的电 容变化更小，很难被直接测量。需要将电容变化量转化为其它容易被测量的物理 量进行测量。本文采用的方法是采用电容一电压转换电路，将电容的变化量转化 为电压的变化量进行测量，同时电压量也便于后续电路的处理。本方案中采用交 流电桥的方法实现电容一电压的转换。原理如图3 4 所示。 图3 4 中，电桥两臂厶、厶是变压器的次级线圈，c n 、e 分别是检测电容和 平衡补偿电容器。当纱线在检测区中运动时，如果纱线均匀，则g 得电容量不 变，如果纱线不均匀，c 0 的电容量发生变化。图3 4 中u 。为耦合到变压器次级 的电压，以为电桥输出电压。 1 6 第三章电容传感嚣设计及信号处理 由图3 4 可得： 图3 _ 4 电桥转换电路 = 丽c o 一丧) 令c o = c o = c ，厶= l2 = 三则有 ( 3 - 8 ) 昕( * 2 ) - - o ( 3 - 9 ) 式( 3 9 ) 表示无纱线的情况。当有纱线通过检测区时，c o 的值发生变化，设此时 c o = c + a c ，则有 哪篇一圭，= 警羔( 3 - 1 0 ) 因为c a c ，所以式( 3 1 0 ) 可写为 = 笆4 c ( 3 - 1 1 ) 由于纱线瑕疵的电容检测技术已经发展相当成熟，所以本文将初步研究的重 点放在光电传感器上，在分析清楚电容传感器结构、检测原理和信号的微小电容 的榆测方法后。我们将工作重点放在电容检测信号的处理e 。 3 3 基于小波变换的纱线信号分析方法 对于正常纱线，其线密度信号是平稳的，如果有纱疵的出现，其线密度信号 表现为局部幅度剧烈的起伏。相当于给一个平稳的随机过程加入了一个瞬态的非 平稳随机信号。对这个瞬态信号的检测属于对信号奇异点的检测，由于小波变换 在时域和频域的同时分析上有独特的优势，使它可以分析信号的奇异点位置和奇 异性。所以小波变换被广泛的用于信号奇异点的检测【1 7 1 。 1 7 第三章电容传感器设计及信号处理 近2 0 年来发展起来的小波( w a v e l e t ) 分析正是这样一种时频分析方法，具 有多分辨分析功能，被誉为数学显微镜。它是一百多年前发明傅里叶分析之后的 有一个重大突破，对许多古来的自然学科和新兴的新技术应用学科都产生了强烈 的冲击，并迅速应用到图像处理和语音分析等诸多领域。 3 3 1 连续小波变换 对任意的一维信号厂( 工) r ( r ) 的小波变换如式( 3 1 2 ) 所示口0 1 口1 1 ，对于实数 口和6 ： 其中 m ，6 ) = ( m ) ，甲咖( 工) ) = e 似) 丽 ( 3 一1 2 ) 甲咖( 工) ： 甲( 型) 口 口 ( 3 1 3 ) 通常，y 础( 工) 称为小波基函数，其中口称为尺度因子或伸缩因子且a o ；6 称为平移因子，表示x 轴上的平移。它们都是连续变化的量。因此、王，舶( 工) 称为 连续小波基函数，它对所有的尺度因子口和平移因子6 ，式( 3 一1 4 ) 都成立 i i 甲啪1 1 2 = 工i 甲咖( x ) 1 2 出= 工i 、壬，( x ) 1 2 出 ( 3 1 4 ) 通常取f i 、王，( x ) 1 2 出= l ，表示、王，( x ) 具有单位能量。 由小波变换的定义我们可以发现，小波变换的思想来自于函数的伸缩和平移 方法。由于小波基函数在时间、频率上都具有有限的定义域，经过伸缩平移后的 函数在时域、频域上还是局部性的。当伸缩尺度逐渐增大，基函数的时间窗口逐 渐变大，与之对应的频域窗口相应减小，中心频率逐渐变低。相反，随着尺度因 子的减小，基函数的时间窗口逐渐减小，而频域窗口相应增大，中心频率逐渐增 加。 3 3 2 离散小波变换 连续小波变换中的伸缩因子和平移因子都是连续变化的实数，在应用中需要 计算连续积分，在处理数字信号时很不方便，主要用于理论分析及论证。在世纪 问题的数值计算中长采用离散形式，及离散小波变换。离散小波变换可以通过离 散化连续小波变换中的伸缩因子口和平移因子6 得到。通常取 第三章电容传感器设计及信号处理 a = 霹 b = n b o 簖 ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) 其中m ，玎z ，将式( 3 1 5 ) 、( 3 1 6 ) 代入式( 3 1 3 ) n - - 以得到 甲。，。( x ) = 川您w ( a o ”x n b o ) ( 3 17 ) 其中m ，n z 。 这时的小波函数就是离散小波。相应的离散小波变换为 w v f - - ( f ( x ) ，甲删( 砷) = k r 州2e f ( x ) w ( a o ”x - n b o ) d x ( 3 1 8 ) 在实际应用中，为了使小波变换的计算更加有效，通常构造的小波函数都具有正 交性，即 ” ( 、玉，。甲肼) = e 、壬，。，。o ) 币渺= 吒，j 4 七 ( 3 1 9 ) 从理论上可以证明，将连续小波变换离散成离散小波变换信号的基本信息并 不会丢失，相反，由于小波基函数的正交性。使得小波空间中亮点之间因冗余度 造成的关联得以消除；同时因为正交性，使得计算的误差更小，变换结果时频函 数更能反映信号本身的性质。 3 3 3 二进小波变换 在实际应用中，为了使小波变换能够适应待分析信号中的突变信号，必须使 小波变换具有可变化得时间和频率分辨率。通过改变尺度因子a 和平移因子b 可 以做到这一点。在前面对连续信号进行离散化时，式( 3 1 7 ) 给出了一种离散方案， 它将尺度因子和平移因子同时离散化。如果只对尺度因子进行离散而保持位移连 续，即口o - 2 ，b o - - 1 ，那么得到的离散小波称为二进小波【2 l 】，表示为、l ，：( x ) ，对 应的小波变换为 厂= ( m ) ，甲2 ( x ) ) = 2 - m 2e m ) w ( 2 x - n ) d x ( 3 - 2 0 ) 其中m ，l z 。式( 3 - 2 0 ) 称为二进小波变换。 1 9 第三章电容传感器设计及信号处理 二进小波由于只离散了尺度，因此，可以认为它是界于连续小波变换和离散 小波变换之间的一种“半离散的小波。二进小波同时具有连续小波变换和离散 小波变换的很多性质。正因为如此，二进小波在奇异性检测、图像处理等方面有 着广泛的应用。 二进小波有以下几个性质： 1 ) - - 进小波一定满足小波允许条件，且有 仙2 广盥也彩胁2 ( 3 - 2 1 ) 2 ) 二进制小波变换结果般是冗余的。因为二进小波是一种“半离散的小 波，平移因子b 仍然是连续变化的，因此，存在冗余。根据框架理论，只有非常 理想化的条件彳= 曰= 1 时，变换结果才没有冗余。通常情况下，二进小波变换系 数之间仍具有一定的相关性，系数吁( 2 ”，f ) 和吁( 2 ”，d ) 之间相关性的大小可 以通过重建核来描述，即 岛( 2 ” 2 ”= 2 t m + n 亡甲( 等尸争胁 ( 3 2 2 ) 3 ) - - 进小波具有时移不变性。即f ( x ) 平移的二进小波变换等于它的二进小波 的平移。 3 3 4 信号的突变性与小波变换 长期以来，傅里叶变换时研究信号奇异性的主要工具，其方法是研究信号在 傅里叶变换域的衰减以推断信号是否具有奇异性及奇异性大小。但傅里叶变换缺 乏空间局域性，它只能确定一个信号突变性的整体性质，而难以确定突变点在空 间位置及分布情况。由于小波具有空间局部性，它能“聚焦 于信号的局部结构， 因此利用小波变换来确定信号的突变性位置更有效 2 3 1 。 小波变换用于信号的突变点检测，无论采用小波变换系数的模极大点还是过 零方法，都应在尺度上做综合分析和判断，才能够准确地确定突变点的位置。通 常，较小尺度下的小波变换能够减小频率混叠现象，判断突变点位置准确度较高。 如何选择小波函数目前还没有一个理论标准，但是小波变换的小波系数为如何选 择小波函数提供了依据。小波变换后的小波系数表明了小波与被处理信号之间的 相似程度，如果小波变换后的小波系数比较大，就表明小波和信号的波形相似程 度较大；反之则比较小。另外还要根据信号处理的目的来决定尺度的大小。如果 第三章电容传感器设计及信号处理 小波变换仅仅要反映信号整体的近似特性，往往选用尺度较大的小波；反映信号 细节上的变换则选用尺度较小的小波。 通常，用李普西兹指数( l i p s c h i t z ) 来描述函数的局部奇异性。描述信号奇异 度的一般定义如下： 设n 是一非负整数，n 0 ) ，及，1 次多项式只( j 1 1 ) ，使得对任意的h h o ，均有： i 厂( + ) 一只( 矗) i 彳l i 口 ( 3 - 2 3 ) 则称f ( x ) 在点的l i p s c h i t z 指数为口。如果上式对所有x oe ( a ，6 ) 均成立， 且而+ l ( 口，b ) ，称厂( x ) 在( n ，6 ) 上的l i p s c h i t z 指数为一致的倪。 信号的突变性检测是先对原信号在不同尺度上进行“磨光”【2 4 】嘲，再对磨 光后信号的一阶或二阶导数检测其极值点或过零点。对信号进行磨光处理，主要 是为了消除噪声而不是边缘，因此磨光函数应是局部化的。常用的磨光函数( 也 称为平滑函数) 8 ( 0 可选取g a u s s 函数或b - 一样条函数。磨光函数满足 r ) 如：i l i m o ( t ) = 0 a ( 3 2 4 ) 表示秒( 0 ) = 1 ，即p ( f ) 可理解为低通滤波器。 由卷积的性质，有 厂畔( x ) = 。丝d t ) = s 磊du e ( x ) ) 畔( 加川s 2 争问2 嘉( 厂嘣砌 ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) ( 3 - 2 7 ) 式( 3 2 6 ) 和式( 3 2 7 ) 中的卷积厂木绣( x ) 也称为磨光( 或平滑) 算子，表f f - 孓f ( x ) 经 算子作用后的一个信号。直观的意思是f ( x ) 的“角点 被磨光成光滑弧，从而 使厂( x ) 变成一个光滑函数厂绣( 曲。式( 3 2 6 ) 和式( 3 - 2 7 ) 表示，f ( x ) 的小波变 换甲! ( x ) - - e j f * 0 s ( x ) 的一阶导数成正比。f w 7 ( x ) 与簟瞑( x ) 的二阶导数 2 l 第三章电容传感器设计及信号处理 成正比。这样就可以用来说明小波变换用于突变点检测的基本原理，即选取光滑 函数口( x ) 以后，信号厂( x ) 的突变点可以通过检测小波变换f , 、：i j o ( x ) 和 f 幸k i 一( 2 ( x ) 的模极大值而得到。 纱疵信号的小波分析结果 5 0 广广t 一广1 _ r 1 1 _ r t 一l 笔胡b ：型= 2 二二二二= 工= j 一02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 5 0r 1 _ 1 1 ：广t 1 _ f _ f 产_ 笔盘e 二型迓二型竺i ii 一02 1 3 04 1 3 1 36 0 08 0 01 1 3 1 3 01 2 1 3 01 4 0 01 6 0 01 8 0 1 32 0 0 0 葛盏e 三三三三互卫三亚三三三三 葛 d 卜蚺一b 付川p 一 - | f ；r 1l j j j l j 3 ：1 ：l j l j l j _ j 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 5 0 广r 1 r t 1 r _ r 广1 _ o 卜如静伊弘 # ：、几l - j 1 j l j l i j l j l j _ j 02 0 04 8 0印08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 咖1 8 0 02 0 0 0 g 萎e 三三三三e 至三圈三三国g 名8 匕二二二= 二二二主= ! 二= 虹= 二二二= j 7 、。02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 5 0 广广r _ 广_ 1 _ t - _ t t _ r _ r 1 写。卜卜卜+ _ ，叫- 1 。l 0 2 0 0加06 0 0印01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 萋蠲 = = = 二乙五二函= 盈 匣 。02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 样本序号n 图3 5 基于小波分析的纱线奇异点检测 根据以上分析，只要选用合适的磨光函数和尺度，就可以通过检测信号局部 模极大值点来确定纱疵的位置。在对m a t l a b 工具箱中八个小波的主要特征进行 分析比较后，我们选用d b 5 小波基作为磨光函到2 7 】，并对信号进行6 层分解。 如图3 5 所示为电容检测出纱线瑕疵的原始信号和重构后的6 层细节信号。 其中，原始信号为真实的纱线检测信号，取自江苏圣蓝科技有限公司生产的电子 清纱器的电容传感器输出端。本文仅选用了其中一段有纱疵的一段信号，用来检 验本文编写算法的有效性。由图3 5 可以看出，小波变换法基本上可以准确地确 定纱线瑕疵的起始位置和终止位置。只是对于采用的不同的尺度，结果有所差异。 随着尺度变大，小波变换的模极大值点逐渐被尺度滤波器所平滑，尺度6 对应的 结果已经无法表示模极大值的起始和终止位置。所以要准确确定纱线纱疵的位置 就要确定合适的尺度。由图3 5 可知，尺度4 比较适合本文选取的这段数据。 第三章电容传感器设计及信号处理 3 4 本章小结 本章介绍了电容传感器的工作原理，分析了电容传感器检出纱线瑕疵的基本 原理。针对电容传感器的检出信号，本章采用了小波变换的方法来对信号中的奇 异点进行检测。在选用了合适的小波基函数和尺度因子后，可以准确地对信号中 突变信号的起止位置进行定位，实现对纱线瑕疵的检测。 镕口章光电# 礴罂信号址g 自镕设计 第四章光电传感器及信号处理电路设计 光电式电子清纱器是最早出现的电子清纱器，但是后来由于光学元件的发展 以及测量技术的落后，使光电式无法更好地满足生产的要求。逐渐被电容式电子 清纱器所取代。但是由于光电检测有良好的视觉符合度，所以在有色纱疵的测量 中必不可少。 4 1 光电传感器设计 本文针对纱线中异性纤维瑕疵无法被检测的难题，设计了一种光电检授4 模 块。如图4 - 1 所示 白色调 制光源 纱线垂直通 过检测区 图4 1 光电传感器原理图 一一透射光 接收管 圈4 0 光电传感器实物图 第四章光电传感器及信号处理电路设计 光电传感器由光源、反射路光电接收端和透射路光电接收端组成。当光源发 出的光线照射在纱线上时，有一部分会被纱线吸收和反射，经纱线反射的光不仅 包含纱线的颜色( 灰度) 信息，也包含着纱线的直径信息。反射光被反射路接收 端接收。当纱线的颜色或直径发生变化时，反射光光强都会发生变化。为了要得 到单纯的颜色信息，必须把其中包含的直径信息去除，所以我们在传感器中加入 了透射光接收端。透射路接收的信号变化反映了纱线的直径信息。光源发出的光 被纱线遮挡一部分，剩余部分被透射接收管接收。纱线直径越大，透射管接收的 光强越弱。透射光的接收，是为了得到纱线直径，从而解除反射光与纱线直径的 相关性。 以下将详细介绍元器件选择和光路设计。 4 1 1 光源 由于应用于生产的电子清纱器有严格的体积限制，要求光源体积尽可能的 小，同时还要求亮度要高。同时，测得的纱线瑕疵的颜色信息除了与纱疵本身的 反射特性有关外，还与光源所包含的光谱信息有关。本文的目的是检测纱线中可 见光范围的有色纱疵，所以要求光源发出的光要包含整个可见光波段。综上所述， 本文选择高亮度的白光l e d 作为光电传感器的光源。 发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导 体芯片组成，这些半导体材料会预先通过注入或掺杂等工艺以产生p n 结结构。 与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p 极( 阳极) 流向n 极( 负 极) ，而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作 用下从电极流向p n 结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能 阶，同时以光子的方式释放出能量【2 6 j 。 发光二极管是照明和测量时光源的重要选择对象，- 目前已经广泛应用于众多 领域。自从1 9 9 8 年白光l e d 研发成功后，其性能不断地被改进，现在也已在工 业测量和照明