（信号与信息处理专业论文）基于can总线的纺织小张力智能传感器的研究.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 删 f y 1 7 4 j ；：j i 岩岑 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，同意学校保留并向国家 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。本人授权浙江理工 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，在年解密后使用本版权书。 不保密留 。 学位论文作者签名篙枷乡 日期：- f 。年o 月f r 日 指导教师签名： 分气易 日期：c 叉吖9 年口弓月f r 日 浙江理工人学硕士学位论文 摘要 在纺织工业的加工过程中，络纱的张力是一个十分重要的工艺参数。张力波动过大， 则影响产品的质量和后续工序的顺利进行，因此需要对生产过程中的张力实时监测，以减 小张力的波动。 随着现代纺织工业的不断发展，纺织工业控制系统对现场多点信号的采集、转换、传 输、实时性以及可靠性等方面提出了更高的要求。但当前的张力检测传感器普遍存在着测 点少、随机测量、操作繁杂、不利于测量自动化等问题。基于此，本文将纺织小张力测量 技术和现场总线c a n 总线技术相结合，研究纺织小张力智能传感器，实现纺织小张力的 现场总线测量，与传统的张力传感器相比有明显的优点，具有广泛的应用前景。 本文以传统高精度的电阻应变式传感器和c a n 总线为研究对象，选取新型数字信号 控制器d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 为主控制器，对电阻应变传感器的信号调理和c a n 总线通信进行了 研究。 本文涉及的主要工作包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件上，设计了以m a x l 4 5 2 为核心的前级传感器信号调理电路、以数字信号控制器为核心的信号处理电路和c a n 总 线通信电路。软件上，设计了m a x l 4 5 2 的补偿软件、数字信号控制器的系统软件和c a n 总线通信软件。另外，还利用虚拟仪器l a b w i n d o w s c v i 开发工具和实时数据库f a s t d b ， 开发了纺织小张力智能传感器的上位机管理系统，实现上下位机的友好交互。 最后，通过实验，证明本系统的精度高、响应快、易于实现测量网络化，在纺织小张 力测量领域有明显的使用价值。 关键词：纺织小张力；c a n 总线；电阻应变传感器；智能传感器；m a x l 4 5 2 ；d s p i c 3 0 f 4 0 1l ； f a s t d b ：l a b w i n d o w s c v i 浙江理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e y a mt e n s i o ni sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r i nt e x t i l ep r o c e s s i n gi n d u s t r y i ft h ey a r nt e n s i o n v i b r a t e st o o l a r g e ，i t w i l la f f e c tt h ep r o d u c tq u a l i t ya n dt h e f o l l o w - u pp r o c e s s i n gg o e s s m o o t h l y s ot h ey a r nt e n s i o ni sn e e d e dt ob er e a l - t i m em e a s u r e di nt h et e x t i l ep r o c e s s e st ol i m i t t h ev i b r a t i o no ft h ey a mt e n s i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e mt e x i l ei n d u s t r y , t h et e x t i l ei n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e mh a s s e th i g hr e q u i r e m e n t sf o rt h ec o l l e c t i o n ，c o n v e r s i o n , t a m s m i s s i o n , r e a l - t i m ea n d r e l i a b i l i t yo ft h em u l t i p o i n tf i e l ds i g n a l s h o w e v e r , t h ec u r r e n ty a mt e n s i o ns e n s o rg e n e r a l l yh a v e d i s a d v a n t a g eo ff e we x a m i n ep o i n t s ，r a n d o mm e a s u r e ，m i s c e l l a n e o u s l yo p e r a t i n g ，u n f a v o r a b l et o t e s ta u t o m a t i v ea n de t c w i t ht h es m a l lt e x t i l et e n s i o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n dt h ec a n f i e l d b u st e c h n o l o g yi n t e g r a t i n ga n dt h ei n t e l l i g e n ts e n s o ro fs m a l lt e x t i l et e n s i o nr e s e a r c h ，s m a l l t e x t i l et e n s i o nf i e l d b u sm e a s u r ec o m ei n t ow o r k c o m p a r e d 、析mt h et r a d i t i o n a lt e n s i o ns e n s o ri t h a so b v i o u sa d v a n t a g e s ，i tw i l lh a v et a k ea nb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sp a p e r , t h eh i g h - p r e c i s i o no ft r a d i t i o n a lr e s i s t a n c es t r a i ns e n s o ra n dc a na r et h e r e s e a r c ho b j e c t t h es i g n a lc o n d i t i o n i n go fr e s i s t a n c es t r a i ns e n s o ra n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o n h a v e b e e ns t u d i e di nt h es y s t e mi nw h i c hd s p i c 3 0 f 4 0 11i st h em a i nc o n t r o l l e r t h em a i nw o r kc o n t a i n st h eh a r d w a r e d e s i g n a n dt h es o f t w a r e d e s i g n i n t h e f o r m e r , p r e l e v e ls e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i tt om a x l 4 5 2a st h ec o r e ，s i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i tt o d i g i t a ls i g n a l c o n t r o l l e ra st h ec o r ea n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta r e d e s i g n e d i nt h el 甜e r ，c o m p e n s a t i o ns o f t w a r eo fm a x l 4 5 2 ，s y s t e ms o f t w a r eo fm a i nc o n t r o l l e r a n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea r ed e s i g n e d i na d d i t i o n ，i m p l e m e n tt h ed a t am a n a g e m e n t s o t l w a r es y s t e mf o rt h ei n t e l l i g e n ts e n s o ro fs m a l lt e x t i l et e n s i o nb yu s i n gl a b w i n d o w s c v l d e v e l o p m e n tt o o l sa n dr e a l - t i m ed a t a b a s ef a s t d b t h i ss o f t w a r es y s t e mc a na c h i v et h eu p p e ra n d l o w e rc o m p u t e rf r i e n d l yi n t e r a c t i o n f i n a l l y , t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，i tc a np r o v et h i ss y s t e mm o r ea c c u r a t e ，f a s t e ro n s p e e d ，e a s i l ym e a s u r e m e n ta u t o m a t i o n , a n dh a se v i d e n ta n du s e f u lv a l u ei ns m a l lt e x t i l et e n s i o n m e a s u r e m e n t k e yw o r d s ： s m a l lt e x t i l et e n s i o n ；c a nb u s ；r e s i s t a n c es t r a i ns e n s o r ；i n t e l l i g e n ts e n s o r ； m a x l 4 5 2 ；d s p i c 3 0 f 4 0 11 ；f a s t d b ；l a b w i n d o w s c v i i i 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i f ；l 录i i i 第一章绪论l 1 1 课题的背景及意义l 1 2 国内外研究现状1 1 3 论文的研究内容：3 第二章基于c a n 总线的纺织小张力智能传感器的总体设计5 ，2 1 系统的总体结构5 2 2 张力传感器的选用6 2 2 1 纱线张力传感器的种类6 2 2 2 纱线张力传感器的选择一9 2 3 张力传感器的数学模型1 1 2 4 系统硬件电路设计1 3 2 5 系统软件设计15 第三章信号调理模块和信号处理模块的设计1 7 3 1m a x l 4 5 2 信号调理芯片的编程原理1 7 3 1 1m a x l4 5 2 的概述17 3 1 2 可编程激励电流源1 9 3 1 3 可编程增益放大器2 0 3 1 4m a x l 4 5 2 的补偿原理。2 0 3 2 信号调理模块的电路设计。2 1 3 3 信号处理模块的电路设计2 2 第四章c a n 总线通信模块设计2 4 4 1c a n 总线概述2 4 4 2c a n 通信协议2 5 4 3c a n 器件介绍2 6 4 3 1 数字信号控制器内置的c a n 控制器2 7 4 3 2 高速c a n 收发器m c p 2 5 51 2 8 4 4c a n 总线通信模块电路设计3 0 第五章c a n 总线智能传感器节点的软件设计3 1 5 1 系统软件部分的功能概述3 l 5 2 以m a x l 4 5 2 为核心的传感器信号调理软件设计。3 1 5 2 1m a x l 4 5 2 通信协议的简介3 2 5 2 2m a x l 4 5 2 的软件补偿过程设计3 6 5 2 2 1 前级补偿软件的设计3 7 5 2 2 2 精确补偿软件的设计一3 9 5 - 3 以数字信号控制器d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 为核心的传感器信号处理软件设计4 3 5 3 1 传感器状态的简介4 3 5 3 2 后台控制决策流程4 4 5 3 3a 巾采集模块程序设计4 5 5 3 4 定时模块和e e p r o m 模块程序设计4 7 i 浙江理t 大学硕士学位论文 5 3 5 中断处理模块程序设计4 7 5 3 6 张力标定模块程序设计4 8 5 3 7 张力测量模块程序设计5 0 5 3 8 数字滤波模块程序设计51 5 4c a n 总线通信软件设计5 2 5 4 1c a n 节点的初始化。5 2 5 4 2c a n 节点报文的发送一5 4 5 4 3c a n 节点报文的接收5 4 第六章上位机管理系统的设计5 6 6 1 上位机管理系统的开发环境一5 6 6 2c a n 总线与上位机通信的具体实现一5 6 6 2 1c a n 适配卡的选择和简介一5 6 6 2 2c a n 适配卡a p i 的使用方法一5 7 6 2 3c a n 应用层协议的设计5 8 6 3 上位机管理系统的总体规划一6 2 6 4 上位机管理系统的各功能模块设计一6 3 6 4 1c a n 通信模块设计6 3 6 4 2m a x l 4 5 2 校准模块设计“ 6 4 3 张力标定模块设计6 5 6 4 4 管理和数字显示模块设计6 8 6 4 5 数据管理模块设计6 8 6 4 5 1 实时数据库f a s t d b 6 8 6 4 5 2l a b w i n d o w s c v i 环境下应用实时数据库f a s t d b 一6 9 6 4 5 3 张力数据库的设计7 0 6 4 5 4 数据管理界面的设计- 7 2 第七章实验分析7 4 7 1 纺织小张力测试实验装置7 4 7 2m a x l 4 5 2 校准实验7 4 7 2 1 实验过程7 4 7 2 2 实验结果7 8 7 3 纺织小张力标定实验8 0 7 4 纺织小张力检测实验8 l 第八章总结与展望8 2 参考文献8 3 致谢8 6 攻读硕士期间发表论文情况8 7 i v 浙江理工人学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 纺织工业是我国国民经济的传统支柱产业和民生产业，也是国际竞争优势比较明显的 重要产业之一，在提供就业岗位、解决“三农”问题、支撑国家和区域经济发展等方面发 挥了重要作用。2 0 0 7 年，纺织业实现工业增加值8 1 2 6 亿元，占我国全部工业增加值的6 9 ， 占全国g d p 的3 3 。纺织工业约3 0 的产品销往国际市场，国际市场占有率连续十余年 位居全球首位。然而，纺织工业在快速发展的过程中，长期积累的矛盾和问题也日益突出， 面对国民经济和社会发展的新形势以及国际纺织品贸易体制的新变化，全面落实科学发展 观，坚持自主创新，切实转变经济增长方式，是纺织工业“十一五 发展的迫切任务【l 】。 我国纺织行业与世界先进水平的差距很大程度上取决于检测技术的差距。由于检测技 术落后，在生产和产品质量管理与控制上，很多都是经验性、粗放型的。随着电子信息技 术和计算机技术的快速发展，纺织行业向高速、高效化发展，传统的人工检测模式的滞后 性，容易造成大量原材料和能源的浪费，产品的质量难以保证。因此在线检测技术的发展 对于提高我国纺织品的质量，实现纺织生产现代化和提高纺织技术的进步有着重要的意 义。 在纺织工业生产过程中，处在纺织工序前端的络筒的纱线张力是一个十分重要的工艺 参数，它的大小和均匀，不仅影响筒纱能否获得一定的卷绕密度和良好的成形，而且还将 关系到能否有效清除纱线中的薄弱环节，提高纱线的条干均匀度，并直接影响下游工序的 生产和织物质量t 2 1 1 3 4 。但由于纱线张力的数值微小，难以测量，因此纺织小张力的在线 检测一直是纺织行业的难题之一。随着现代纺织行业的快速发展，自动络筒机得到了广泛 的应用，而每个络筒机都装有很多锭子，要实时的检测每个锭子上的络纱张力，为此，本 课题以当今最流行的现场总线c a n 总线为基础，将现场总线技术和传感器技术相结合， 研究适用于网络测量的纺织小张力智能传感器。 1 2 国内外研究现状 纺织小张力的测量已经走过了很长的一段时间，从最初的机械式张力仪到如今的非接 触式张力仪，测量速度和精度都有了很大的提耐5 】【6 1 1 7 。 浙江理工大学硕+ 学位论文 最早出现的机械式张力测量仪，主要用来测量静止或者运动时纱线的张力，通常为表 盘指针式，如图1 1 、1 2 所示。由于机械式张力仪只能近似读出张力值，且不能向张力控 制设备传送数据，使它难以适应现代纺织行业的需求。 图1 1 手持机械式张力仪图1 2 固定机械式张力仪 随后又出现了电子式张力测量仪，这类张力仪利用传感技术和电子器件，将变化的张 力信息转换为电信号，然后对信号进行调理，得到被测的张力值。测量结果也可以向计算 机传递，然后在计算机上分析处理数据。这种电子式张力测量仪比机械式测量仪在测量精 度和速度方面都有了很大的提高，适合用于现代的高速纺织设备上。 图1 3 手持式b o l l d t m x - 2 0 0 型电子张力仪图1 4 同定式e t 2 p 型电子张力仪 机械式和电子式张力测量仪生产商较多。国内的有北京中西远大科技有限公司生产的 b o l l d t m x 一2 0 0 型手持电子式张力仪，如图1 3 所示，同时该公司也生产手持机械式张 力仪：上海拓精工业测定仪器有限公司的e t 2 p 型固定式电子式张力仪，如图1 4 所示， 它本身提供r s 2 3 2 接口用于和计算机通信。国外的张力仪的生产商比较多，其中最富盛名 的莫过于德国施密特公司，其7 0 的产品出口世界各地，提供张力仪品种多，精度高，有 的高达o 5 。目前市场上几种主要张力仪的技术参数如表1 1 所示。 2 浙江理t 大学硕士学位论文 表l - 1 几种主要纱线张力仪的技术参数 在络筒过程中纱线的张力由于是一个十分重要的参数，需要实时的监控，而机械式或 者电子式张力仪只能随机的检测，不能满足现代纺织工业的测量要求，因此纱线张力在线 检测系统应运而生1 8 。纱线张力在线检测系统能够同时检测多个锭位的络纱张力，并且能 够在计算机上实时显示张力的值和张力的变化情况，为纱线张力的网络化测量提供了极大 的帮助。国内，目前还处于刚刚起步阶段，有一些科研单位和企业致力于这方面的开发， 如天津工业大学、长岭纺电公司、无锡华明公司、陕西元丰公司等，但产业化程度不高， 用户也不多，只有少数的几个，如无锡经纬纺织实验有限公司率先应用的m e s 系统。国 外这方面也主要作为纺织机械的配套应用，并不单独出售。典型的张力监测系统有普瑞美 ( p r e m i e r ) 公司的r i n gi 监测系统和洛菲( l o e p f e ) 公司的m i l l m a s t e r 系统。 由于接触式纱线张力的检测一方面容易引起张力仪测量头的磨损，另一方面容易引起 纱线品质的改变，对此，国外学者提出了非接触式张力测量，它是目前最先进的张力测量 仪器，如英国利兹大学利用光学传感器件实现了纱线张力的非接触式测量，只是这种测量 对环境条件要求极为苛刻而且价格不菲，相关资料不多。 1 3 论文的研究内容 本文以络简过程中纱线张力的多点测量为切入点，旨在设计一个带有c a n 总线接口 的纺织小张力智能传感器，实现对纺织工业现场多点纱线张力的网络化测量。为此，进行 了以下几方面的工作： ( 1 ) 分析和比较各种类型张力传感器的测量原理及其优缺点，选定了电阻应变式传感 器作为本系统的张力传感器并建立其系统模型。 ( 2 ) 以新型低价位的精密传感器信号调理器m a x l 4 5 2 为核心设计前级信号调理电路， 并开发m a x l 4 5 2 的补偿程序，实时的对电阻应变传感器进行调理。 3 浙江理工人学硕士学位论文 ( 3 ) 以集成单片机( m c u ) 的控制功能和数字信号处理器( d s p ) 的计算能力于一体 的新型数字信号控制器d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 为核心设计信号处理电路，并开发纺织小张力智能传 感器的系统程序。 ( 4 ) 以当前最流行的现场总线c a n 总线技术为基础设计c a n 总线通信电路，开发 c a n 应用层协议，实现纺织工业现场纺织小张力智能传感器节点的多点网络测量。 ( 5 ) 以虚拟仪器l a b w i n d o w s c v i 和实时数据库f a s t d b 为工具开发上位机管理平台， 实现上下位机的友好交互。 4 浙江理工大学硕士学位论文 第二章基于c a n 总线的纺织小张力智能传感器的总体设计 智能传感器( i n t e l l i g e n ts e n s o r ) 就是由传感器和微处理器及相关的电路组成的传感器。 传感器将被测量转换成相应的电信号，然后送到信号调理电路中进行滤波、放大、模数转 换后，送到微处理器中。微处理器是智能传感器的核心，它可以对传感器测量的数据进行 计算、存储、处理，由于微处理器充分发挥了各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的 任务，从而降低了传感器的制造难度，提高了传感器的性能，降低了成本【9 】【l o 】。纺织小张 力智能传感器也顺应了这一趋势，在纺织工业现场得到了越来越多的应用。 2 1 系统的总体结构 对于纺织小张力智能传感器的大型多节点测量系统，为了能让纺织小张力检测系统快 速、精确的获得张力信息，纺织小张力传感器的控制系统的作用尤为重要。本课题采用c a n 总线作为系统的串行控制总线。图2 1 给出了c a n 总线网络测控系统的框图。 实时数据库 n 工控机( p c 机) - l 数据管理 i 现场管理 c a n 接口卡 - i 数字显水 i c a n b u s l 智能节点l 智能节点2智能节点n 图2 1c a n 总线测控系统框图 纺织小张力智能传感器系统主要有传感器、信号调理电路、微控制器的外围电路和 c a n 通信电路组成。传感器采用电阻应变传感器，信号调理电路采用m a x i m 公司的精密 传感器信号调理器m a x l 4 5 2 ，微控制器采用美国m i c r o e h i p 公司推出的内置c a n 控制器， 本身又集成了单片机( m c u ) 的控制功能以及数字信号处理器( d s p ) 的计算能力于一体 的数字信号控制器d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 ，总线收发器也采用了m i c r o c h i p 的高速c a n 收发器 m c p 2 5 5 1 。其系统框图如图2 2 所示，其中信号调理电路用来调理传感器的输出信号( 即 5 浙江理工大学硕士学位论文 将传感器的输出信号放大、校准、温度补偿等) ，然后将电信号送入微控制器( 自带a d 转换) ，然后再由微控制器自带的c a n 接口模块通过总线收发器挂接到c a n 总线上。上 位机通过c a n 接口卡接入下位机的c a n 总线网络实现对纺织工业现场各个智能节点的远 程控制和显示各个节点的测量结果。 图2 2 智能传感器： 了点组成框图 2 2 张力传感器的选用 2 2 1 纱线张力传感器的种类 目前，在生产过程中测量纱线张力较为典型的方法有如下几种1 1 】： l 、电阻应变式 组成张力传感器的纱线张力测量装置的核心器件是电阻应变式传感器，其结构原理图 如图2 3 所示： 罗控2 图2 3 电阻应变式传感器示意图 在悬臂梁的上、下表面贴有4 个应变电阻r 1 r 4 ，组成全桥电路。利用三根罗拉将纱 线张力转换成对中间罗拉2 的压力f ，传力块再将这一力传递到悬臂梁上，悬臂梁相应的 产生与张力成比例的应变，该应变转换为电阻的变化，然后通过电桥电路将电阻的变化转 换成电量的变化，标定后输给后续的信号处理装置，通过对信号进行分析就可以获取纱线 6 浙江理工大学硕士学位论文 张力及其变化信息。 2 、磁电感应式 如图2 4 所示，该装置由3 根罗拉、阻尼器、平衡装置和衔铁等部分组成。该装置的 核心器件是变磁阻式传感器，当不工作时，活动衔铁位于平衡位置，次级没有电信号输出。 当工作时，由于纱线张力变化而导致衔铁上下移动，衔铁次级此时输出电信号，经处理后 即可记录纱线张力。 图2 4 磁电感应式传感器示意图 3 、电容式 图2 5 所示为电容式张力传感器示意图。该装置的核心器件是差动电容式传感器，当 纱线作用在导纱轮上时，引起动极片上下移动，当定级片与动级片之间的距离发生变化6 时，假设电容量相应发生的变化为a c ，其相对变化量为a c c ，则当6 很小时，可以认 为a c 与6 近似成线性关系。则6 通过相应的电路既可转化为电信号的变化，经处理后 就可以得到纱线张力的变化。 图2 5 电容式张力传感器示意图 4 、c c d 图像传感器纱线张力测量系统 由于接触式纱线张力传感器容易引起传感器测量头的磨损和纱线的断头等问题，因此 出现了非接触式纱线张力传感器。c c d 图像传感器纱线张力测量系统就是一种非接触式纱 线张力测量装置。c c d 图像传感器的核心器件是电荷耦合器件c c d ，它具有存贮、转移 并逐一读出信号电荷的功斛1 2 】。如图2 6 所示，应用c c d 图像传感器测量纱线张力的原理 是在平行光源的照射下，通过光学系统将纱线直径的阴影反映在光电阵列上，从而使c c d 图像传感器输出与纱线阴影相对应的电信号，经放大处理后输入计算机，记录或显示纱线 7 浙江理工大学硕士学位论文 张力的变化情况。 图2 6c c i ) 图像传感器纱线张力测量系统 下面简要概述一下该系统的测量原理。 假设纱线为弹性体，由材料力学可知纱线的横向应变为1 3 】： 毛= a d d 2 一( 1 ) 式中：d 为纱线在外力作用下的线径变化值；d 为纱线原始直径。 纱线横向应变与轴向应变的关系为： s = q 2 一( 2 ) 式中：为纱线泊松比。 轴向应力为： 万= p s = e e = 如z 2 一( 3 ) 式中：s 为纱线的截面积；p 为纱线张力；e 为纱线弹性系数。 将s = 万d 2 4 以及公式2 一( 1 ) 代入公式2 一( 3 ) 得： p = ( z r e d a d ) ( 4 , u ) 2 一( 4 ) 由式2 一( 4 ) 可知，只要测得了a d ，就可获得纱线张力。 国外的英国利兹大学耗时2 年多，最近也研制成功了一种非接触式纱线张力动态测量 仪。其原理是把一束二极管发出的光线投射到运动中的纱线，测量它的震动，然后计算出 纱线的张力。据说仪器中所用的传感器与数码摄影机差不多，成本低，效率却很高，并且 因为测量是动态的，不需停机，也不需要接触纱线就能够测量数据，有助于降低生产成本 和提高生产效率。 8 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 2 纱线张力传感器的选择 电阻应变式、磁电感应式和电容式三种接触式纱线张力传感器相比较，其中磁电感应 式和电容式张力传感器，非线性大且容易受到外部干扰。而电阻应变式传感器则由于精度 高、稳定性好，适用于各种环境，常用于纺纱、络筒、整经以及织造等生产过程中来测量 纱线的张力。 非接触式c c d 图像张力传感器是最近研制出的新型纱线张力传感器，但是其在测量 的速度与可靠性方面还存在一定问题【1 4 】，而且其结构尺寸较大，安装不太方便。综合纺织 工业的实际生产环境与制造成本等各种因素的考虑，本课题选用电阻应变式传感器作为研 究对象，以期达到提高测量精度的目的。 在电阻应变式张力传感器的设计中，弹性体是将力转换为应变量的关键部件，其灵敏 度系数通常取决于弹性体结构形式的选择。研究表明，双孔平行梁式电阻应变传感器具有 结构刚度高、灵敏度高、精度高、寿命长、性能稳定可靠等优点，广泛应用于小量程张力 测量等众多领域【”】。为此本课题选用双孔平行梁式电阻应变传感器，其满量程为1 0 0 c n ( 1 c n = 1 0 2 9 ，本文传感器采用g 为单位) ，如图2 7 所示： 圈2 7 双孔平行梁式电阻应变传感器 在平行梁的上下表面贴有四个应变电阻r l 、r 2 、r 3 、心，组成惠斯登差动全桥电路， 该差动电路可以采用恒压和恒流两种供电方式【1 6 1 【用，图2 8 为采用恒流源供电的电阻应变 式传感器的测量原理图。 图2 8 惠斯登全桥测量原理图 9 浙江理工人学硕士学位论文 在图2 8 中，i 为电桥供电的恒流源，理想情况下假设电桥桥臂上的电阻在未受力的情 况下都相等，即r l = r 2 = r 3 = r 4 = r ，因而电桥输出桥臂的电位相等，电压信号输出为0 v 。 当受到压力时，电阻r l 、心受到拉伸，电阻值增大，r 2 、r 3 受到压缩，电阻值减小，假 设电阻的变化量都为r ，同样假设温度影响使电阻值都变化了凡，设流过电阻r 卜r 2 的电流分别为i l 和1 2 ，则由该原理图可得到： i = ( r 3 一衄+ 觚) 一2 ( 蜀+ 欲+ 觚) u o = 厶( 马一r + 足) 一( 墨+ r + r ) 2 一( 5 ) 【i = + 2 由该方程组结合上述的理想假设情况可得： = ，欲 2 一( 6 ) 同理可得当采用恒压源u 供电时，可得： = 而a 瓦r u 2 一( 7 ) 由以上两式可知，恒压源供电时输出电压与温度有关且为非线性，而用恒流源供电时 输出电压信号理想情况下与温度无关。另外也可从灵敏度方面来考虑两种供电方式的区 别，灵敏度的定义如下： s ：旦l2 一( 8 ) a rlr 。 则可得恒流源供电时，灵敏度为： s = 豫2 一( 9 ) 恒压源供电时，灵敏度为： s ：旦u2 一( 1 0 ) 尺+ 皑 综合以上两方面的考虑，可知恒压源供电时易受温度的干扰，也容易引入非线性误差， 而在理想情况下，恒流源却可以完全消除这方面的影响，因此本课题选用恒流源供电方式。 但是实际制作工艺不可能达到完全一致性，所以四个桥臂电阻初始值、同一被测量作用下 四个桥臂阻值的绝对改变量、温度引起阻值改变量均不可能完全相等。因此，即使采用恒 流源供电的全桥差动电路，也仍然存在零点输出、零点漂移以及灵敏度漂移等。 l o 浙江理工大学硕十学位论文 2 3 张力传感器的数学模型 电阻应变传感器在一定的条件下可以等效为一个典型的机械谐振系统1 8 】，下面给出传 感器的数学模型如图2 9 所示。 ” 一 图2 9 张力传感器的数学模型 其中，k 为弹簧刚度，c 为阻尼系数，m 为传感器本身的等效质量，f m 为传感器受到 的纱线张力，x 为传感器的位移，b 为安装传感器的基座，质量通常很大，故认为它处于 静止状态，建立固定的坐标轴铅直向下为正。则该系统的微分方程为： 肌窘+ c 生d t k x 川f ) 2 _ ( 1 1 ) 出2 。 设各种条件下初始状态为零，对上式做拉普拉斯变换得： 1 等= 而m 2 _ ( 1 2 ) f ( s ) s 2 + 里j + 墨 由上一章节的知识可知，电阻应变传感器的应变与应力成正比，而惠斯登电桥的输出 电压与应变成正比，因此有： u ( s ) = k o x ( s ) 2 一( 1 3 ) 其中k o 为灵敏系数。 由2 一( 1 2 ) 、2 一( 1 3 ) 两式可得： 1 鬻2 亦 2 川4 ， 假定q ：墨，2 勉：里则2 一( 1 4 ) 式可以改写为： 2 一( 1 5 ) 一哝 一+ 生脚 而鱼k ， d d，-i、一l u f = g 日 浙江理工大学硕士学位论文 通过实验对应变片传感器突然施加一冲击力，得到传感器的冲激响应如图2 1 0 所示。 图2 1 0 张力传感器的冲激响应 由图根据一定的数学关系可得系统的阻尼比孝= 0 0 5 8 ，可知系统的动态性能并不好， 这也是产生测量误差的重要原科1 9 1 。可以在系统中加入串联环节来补偿系统的动态响应， 使系统的阻尼比提高到最佳阻尼比0 7 0 7 左右。动态补偿原理如图2 1 1 所示，串联补偿环 节h c ( s ) 和传感器的系统函数h ( s ) 相串联，构成一个等效的系统函数h z ( s ) 。 图2 1 l 动态补偿原理 动态补偿的实现方法之一就是在系统的前向通道中加入一个超前校正电路，在实现开 环增益不变的情况下，改善系统的动态特性。 通过图2 1 0 可以算出传感器的阻尼比孝= 0 0 5 8 ，固有频率= 1 4 3 3 r a d s 。现在假定 电阻应变传感器的参数为：m = o 0 2 k g ，k = 4 0 0 0 0 n m ，c = 4 n s m ，k k = l ，计算 出传感器的固有频率和阻尼比分别为：= 1 4 1 4 r a d s ，f = o 0 7 ，与由图计算出的参数 近似相等。此时传感器的系统函数为： h ( s ) = 兀面2 0 而0 0 0 丽0 0 2 一( 1 6 ) 通过计算可得超前校正串联补偿环节的系统函数为： 心( s ) = 忑s + 两2 0 丽0 2 一( 1 7 ) s + l y y y b b 通过使用运算放大器组成的电路组成超前校正电路，原理图如图2 1 2 所示。 1 2 浙江理工人学硕士学位论文 图2 1 2 超前校正原理图 此时，c l = c 2 ，r 2 - - 2 6 r l ，r 3 _ r 4 。 校正后总的系统函数为： 心( s ) = 再面而2 0 0 丽0 0 0 丽0 2 一( 1 8 ) 图2 1 3 所示为补偿前后的单位阶跃响应曲线，可以看出经过校正后系统动态特性得到 明显提高。 2 4 系统硬件电路设计 图2 1 3 动态补偿前后动态响应对比 在本系统的硬件设计方面，需要设计前级的信号调理模块、信号处理模块和c a n 总 线通信模块。其中信号调理模块主要包括m a x l 4 5 2 和电阻应变传感器的接口电路设计； 信号处理模块主要是指以数字信号控制器为核心的外围电路设计，这包括数字信号控制器 的时钟电路、电源供电电路、在线编程调试电路、复位电路以及与外设的接口电路等；c a n 总线通信模块使用d s p i c 3 0 f 4 0 11 内置的c a n 控制器和高速c a n 收发器m c p 2 5 5 1 。 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 如果形象的把传感元件比喻成传感器的“五官 ，那么微控制器就好像是“大脑”，大 脑的好坏，直接影响到传感器的各种功能，因此选用一款优秀的微控制器能起到事半功倍 的效果。 本系统采用美国微芯公司推出的d s p i c 3 0 f 系列通用数字信号控制器( d s c ) 是单片嵌 入式控制器，它集成了单片机( m c u ) 的控制功能以及数字信号处理器( d s p ) 的计算能 力和数据吞吐能力。它采用精简指令集( 砌s c ) 、哈弗总线结构、流水线取指令方式，具 有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强、抗干扰能力强等优点。结 合本系统的需要本课题选用了带有c a n 总线模块的d s p i c 3 0 f 4 0 1l 。 图2 1 4d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 结构示意图 它具有以下显著特点：丰富的外围器件；完整的d s p 引擎；改进的中断能力；灵活的 编程能力：引脚数目少；使用优化的高级语言。此外，微芯公司还提供强大的软件开发环 境支持。开发人员不仅可以免费下载m i c r o c h i p 集成的开发环境软件m p l a b i d e ，还可以 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 通过m p l a b i c d 2 在线调试工具，实现该芯片的程序烧写和在线调试。d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 便 利的配套开发工具，为本系统的开发提供了很大便利。其芯片内部结构图如图2 1 4 所示 2 0 1 。 内核概述：d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 芯片采用哈佛结构设计，同时具备高性能1 6 位微控制器的 控制优点和全面执行d s p 的高运算能力。其程序计数器( p c ) 为2 4 位宽，可以寻址4 m x 2 4 位的程序存储器空间。d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 有1 6 个1 6 位的工作寄存器组( w o w 1 5 ) ，每个工作 寄存器都可以作为数据、地址或地址偏移寄存器。其中，第1 6 个工作寄存器( w 1 5 ) 作为 软件堆栈的指针，用于中断服务和子程序的调用。d s p 引擎有一个高速1 7 x1 7 位乘法器、 一个4 0 位算术逻辑单元a l u 、一个4 0 位双向桶形移位寄存器和两个饱和累加器，显著提 高了内核运算能力和吞吐量。 片上资源：4 8 k b 程序存储器、2 0 4 8 字节s r a m 、1 0 2 4 字节e e p r o m 、5 个1 6 位定 时器、9 个l