（纺织工程专业论文）竹节纱外观参数自动识别及相关分析[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 m ：本课题提出了种快速测试竹节纱外观参数的方法，同时对相关的纱线条干 不匀结构、波谱图原理、p 竹节纱波谱图及其作用等方面进行了介绍与分柝。一“ 在改进原有的人工测试方法基础上研究了新型的计算机检测竹节纱外观参 数的方法。在测试过程中充分利用了数据采集技术、传感器技术i 现代计算机技 术。信号处理技术等学科的特点，利用传感器测得竹节纱线截面粗细变化的数据，4 借助数据采集卡将测得的数据进行模数转换后变成数字量送入计算机“在计算 机中利用自编的软件对采集的数据进行处理；一结合前人有关计算竹节长度与竹节， 间距的方法“提出了一种软件区分边界的方法，进而得出竹节纱各项外观参数。- ， 同时在对条千不匀结构理论分析的基础之上讨论了波谱图的原理及绘制、竹节纱f 的波谱图及其与竹节纱部分外观参数i 循环规律之间的关系。一r ，“、枷一 r 通过大量的理论分析和测试一开发了竹节纱外观参数启动识别系统i - 在此基 础上傲口去些必要的测试验证了其测试结果的正确性i 同时分拆予所产生的误差， 的原因；，对相关的波谱理论做了大量分析，前人对这分面理论分析较少“一“，； j 竹节纱外观参数自动识别系统的研究相信可以逐步代替传统的人工测试方 法，同时未来还可以在此基础之上研究出能够测试其他花式纱的仪器或系统一，t 【关键词】。竹节纱外观参数数据采集 自动识别波谱 江南大学硕士学位论文 a b 毹诮b t ：a j i e wl j b c tm e m o d 协诺s t l l l ia p 空a r 址p 抽i 血白e r sb f s l u by a mi si 1 1 协) d u c e di 1 1 t l l i sp a p e r ；a h d c o r l a t i v eu n e v e 血1 e s i 锄m c t i l 诧o f 女l i v 吾t p 矗i l c i p l eo f 恤e e c 由n l ma 的 c i r c l e m l e o f s l 油y 捌h r e 蛆s b l 枷u c e d 柚锄a l y s 甜， i ，1 ：州，； j c o 曲e 曲o r l a l 搬曲幢钮由o f ：s l u b 如m ? h a sl o w 矗e 蚯c i 越，柚l o w e ra c c u 诚t w j c o 面e6 u tt l l i en e 订埘硒f ；巳靠1 【l i ea 垂p a r e m p 孤啪e t e r s 谢t l l 咖p u t e ra tm eb 船i s o & 6 曲e 而o h a lt e s tw 够队幽鲁t h ep r o c e s so f e 瓯眺a c q u i j m o d 蛐q u e ，曲矗： o r 垂矗砖c h n i 4 i e i 函o d 响曲面p m 卉t e c h i l i q 沁，- s i 印a i 。p r o d 嚣s 遍g 皎圮h 出q u 毒砬ds oo r i 玳a p p l i e d 证w i t h4 蒯蝻o f g a n 钿喇i l i r e 血国+ o f 龇i u by 锄觚酏t i o 一恤ns e n d ： m ed 如t o 也e ：c o m 刚髓a f i 矗，、a dc h a h g e b yd a q ( d a t a 嘲 i l i s i t i o nc 痢) ；i n 血e | c o m p m e r ，t l l ed a 惚w i l l 砧p r o c e s s g d b y t h cp r o g 姗：钿d m e 佬c h i l i a l 。a p p a r e 血o f s i 曲+ 锄s 、c 柚b e ，c o m e ! o m 瞄t 1 1 ：i s ：p 删弓曲j 苗血c i p l e a dp a i n t i 吨、础印出怕g r a m ， m es p 面协) g r a m ：o fs l d by 锄g 缸d 也彰l a t 洳nb ：e 婀e n ：s p e 矗南g 妇m 二枷却p 毛而n t 群哪e t e r s a r ea l s ds h l d i e dd f b 酹k w i i l g t l l et l l e o r e t i c so f u n e v e 面鹤s o f y 抽：- ，一 j ，a r m e b 勰i s o f 面d i i l g h 廿l 幻r e t i c a 王t 砌y s i s 锄d 惦s t s ，w e n l d y + o i l t ：劭n 耐血m c r e c o g n i 矗o l is y s t e i no f s l u b - y d 曲：d n 出eb a 盍eo f 沁讥c 矗i 西d t l tj o 血et c s t st ot e 吝垃句i t s ： c o m 妞e s s 1 1 1a d d i t i o n ，s c h o l a r sb e f b r et a k el i m et l l e o r e t i c a i s t i l d ya b o u tt h e 辨舡。掣锄f 1 1o f y a m ，s ow ea l s ot a k em u c h 咖d ya b d u t 也砒 a 咖m a t i c 他c o 嘶t i 出越：；l 蕊y 锄“秭姗tr i j ；撒缸 c a 矗。砩l 獬 c o n v e 以o n a l 咖t e s 血gw a ys l o w l y a tt h es 锄e 岫e ，e q i l i p m e n t so rs y s t e mo f o t l l e r 触c yy 锄sc a nb ei n v e s t i g a t e d 、v i 主l lt h eh e l po f o t l rw o f k 【k e y w o r d s 】s l u by a ma p p a 他n tp a r a m e t e 玛 d a t aa c q u i s i t i o na u t o m a t i c r 髓o g n i t i o ns p e c t r o g r a m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：j 址日期：w 矿均三f 月p f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： j ：乞笠导师签名： 日期：沙g 第一章绪论 第一章绪论 近年来随着计算机技术、信号处理技术的快速发展，自动识别技术在纺织上 的应用变得越来越广泛。同时，在纱线条干测试领域中波谱分析技术也起着不可 或缺的作用。 1 1 自动识别技术在纺织测试领域的应用现状 自动识别技术是指应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的 接近活动，自动地获取被识物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来 完成相关后续处理的一种技术。它是以计算机技术n 5 1 和通信技术的发展为基础的 综合性科学技术，是一种高度自动化的信息或数据采集技术。随着自动识别技术 的成熟，它在纺织测试领域的应用也越来越广泛。同时自动识别技术有和傅立叶 变换、小波分析等技术结合起来应用于纺织测试领域的趋势。 自动识别技术可以用来对织物疵点进行识别，文献 8 介绍了一种能够进行 织物疵点识别的实时系统，该系统由光学傅立叶变换透镜的c c d 采集织物表面图 像，经过处理得到织物的能量谱，结合神经网络技术对疵点库中的疵点进行识别， 实验结果表明这种实时识别系统可以对疵点库中的十二种疵点中的九种进行正 确识别；乌斯特公司口叫研制生产的f a b r i s c a n 的织物自动验布系统同样也具有 自动识别布面疵点功能，它具有反射光和透射光照明装置，使用高分辨率摄像机 采集，检验速度高达1 2 0 m m i n ，疵点检出率约9 0 ，它的灵敏度还可以根据顾客 的需要通过改变检测范围予以调整，另外它还可以提供织物的疵点分级。 自动识别技术可以结合图像处理技术来自动识别织物的有关参数，江南大学 高卫东、徐伯俊等人通过研究织物纬纱排列参数的自动识别，认为可以通过计算 出织物图像沿纬纱方向的亮度值，对亮度信号进行傅立叶变换和波谷提取运算来 确定织物上纬纱所在位置和纬纱密度；j a s p e r 和p o t l a p a l li 用s o b e l 边控制 器、快速傅立叶变换和离散微弱波变换比较了机织物的断经缺纬。n i s h i m a t s y 运用轮廓增强、确定临界值、平滑化、镶嵌平均法和网状法开发出织造组织结构 类型的自动识别系统瞳1 。 自动识别技术还可以结合图像处理技术来进行纱线混纺比的计算识别 口4 儿5 儿盯1 ，例如可以通过对混纺纱线切片截面的图像处理，结合神经网络技术根 据混纺比计算公式来计算不同纤维所占的比重；或者是通过不同纤维横截面的几 何形状特征的差异运用形状分析法设计自动识别的特征参数而实现自动计算混 纺比。自动识别技术还可用于识别纤维截面形态，文献儿7 3 介绍了利用计算机编 江南大学硕士学位论文 写程序，通过对一些相关数据和指标的测量，提出了一些有用的指标，从而很好 地判断出了羊绒与羊毛纤维表面形查的夼i q 铂 从以上的分析可以看出，自动识别技未广泛应用于纺织领域的纤维鉴别、织 物组织结构识别、布面疵点识别、织物参数识别等多方面，并且随着各种识别手 段和方法的进步，各种其他技米的采用，j 自动识别的应用领域得到了进一步的扩 大，准确率也得到了进l 步提高。一 、 。 1 2 竹节纱的研究现状站路掣强懿：暂：蠢黔f c 鸯泰：毒l ：r 舅：姆寓 f站路掣强懿：暂。蠢黔f c 鸯泰：毒l ：r 氍姆暮： f 前人有关竹节纱的研究，主要集中在纺纱工艺方面“8 “”“瞰2 ”+ 2 “，如细纱 机上纺制竹节纱时原有的工艺参数如何协调，竹节纱的各项外观工艺参数变化时 对痧线酣客瓒藉标( 鲥摇另：摄发鲁) 有祷嘉南挚宅肴芬菥苻帝拶痿蜜的? 注论鼻 r i 。h o j 。音百宣赫薅在赫i 采亍行书彩晶品馈狡并葑痧强虚蟹饭出了括舟凶0 、 前灭对竹节纱外观参数的具体检测研究比较少。因为竹节纱的纺制主要是“ 在原有的细纱机上加装一个控制装置j 这个控制装置通过控制细纱机前罗拉或中 后罗拉瞬间变速达到纺出竹节纱的目的：现有的各类竹节纱控制器“”可以提供各 1 、”j j ，：i 。二：ii i f i h i i - - ij ；1 1 1 ：l d ，l ：i ；1 种大小的竹节、间距：倍数广因此，”竹r 节纱外规参数变化多榉：7 在实际生产中主 要和客户的要求相关，l 厂家生产出来的竹节纱只要在织成织物时符合客户对布面 尉格的要求即可。所以目前国肉外大多数厂家对于竹节纱夕f 观参数的检测都是依 照人工的方法? 无论是分析客户来样或者是工厂内部开发新产品时的检验都是采 用1 人i ；通过人工对竹节纱三要素进行手工分析以检测纱线质量或指导工艺生”。 产，有的也辅以黑板条干法和普通条手仪等方法嘲咖1 来测试竹节纱鲋条干风格。 文献 2 6 介绍的一种黑板条干法判断过程如下：以2 6 5 t 以棉竹节纱为例，节长 3 。m ，节照夯痢为1 诧：0 2 i ：，3 8 ：4 彰孳j i 孟：婪一个周嫡躺嵌发1 7 0 c 是画楚喊“商 纱线在标准黑板上绕三周为5 4 c i i fj 一个周期的竹节纱绕在标准黑板上为。 1 ，n ： ：一+ ：； - 0 i _ h o t “、。：i ：、l 一j “”：”，一， 三；= 3 1 5 圈，个周期内5 个节，当以第个竹节为起点时，每3 ：1 圈该节出 5 4 + 、 。 。， 现一次；相应的其它的4 个竹节亦同样，当然以任意竹节为起点也为3 ：1 5 圈出 现一次，也就是说每个周期之间是有规律的，i 即每个竹节在黑板止都是有规律： 的出现i ：板面的风格基本定型j 所以f 旦品种投计规格确定一其黑扳条乇的橡面一 风格就定型了。可以将此黑板封样，作为以后的竹节纱的评定参考“：f 。一 ”火互检测的方法在定程度上可以满足正f 的实际要求，但它在很大程度上 依赖于测试者的经验及认知水平。、。 m r ”、”一 一。w 一， 实际上在当前纺织测试水平不断提高的情况下对竹节纱外观参数的快速检 测已变得非常必要，、因为竹节纱的外观参数可以决定它多方面的特征与性能，竹 节纱外观参数的准确检测对工厂能否对客户来样进行分析j 生产时的成本控制产 第一章绪论 纱线新品种的开发等方面都有极其重要的影响。比如，工厄! 如果对客户样纱的外 观数计算有误就会在很大程度上影响工厂生产时的纱线成本以及未来布面能否 满足客户风格要求。，。“， 。i 结合以上自动识别技术在纺织测试领域的应用和实际生产中竹节纱外观参， 数检测存在的问题，我们尝试将现有的成熟的自动识别技术应用到竹节纱外观参 数的自动检测上来以快速测试竹节纱的外观参数，通过建立r 个专门的纱线外观 参数测试系统，实现对竹节纱外观参数的自动检测，以改善目前工厂实际检测竹 节纱外观参数的不足。同时在此基础之上对竹节纱波谱图的作用进行分析。 i ； 。：，：、： 。 1 3 本课题研究的目的与意义1 。j。， 目前由于计算机技术、信号处理技术的飞速发展，它们在其他行业的应用也 越来越广泛，纺织工业作为传统产业，一方面关系到国计民生需要加快发展，另 一方面随着中国加入w t o 以后在国际纺织品市场上面临着比以往更加激烈的竞 争，因此也需要采用新技术武装自己，提高行业的现代化水平，这样才能提高产 品的质量以提高自身的竞争力。目前国内外竹节纱市场的蓬勃发展要求相应的检 测技术同步提高，但目前国内外对于竹节纱的外观参数检测汹“”1 大多采用人工检 测方法，一方面效率较低，与目前的小批量生产快速反应不相适应；另一方面检 测的准确率也不够高，这也与现代生产追求高品质的产品质量不相适应，我们的 工作可以弥补这方面的缺陷。一方面可以快速、准确的测试竹节纱外观参数，为 竹节纱的设计和生产提供辅助决策，另一方面可以提供波谱图让用户分析竹节纱 的循环规律以指导实际生产。 1 4 课题的研究内容 本课题的研究主要包括以下几个方面的内容： l 、分析研究原有的各类条干仪。小别“”检测纱线条干的原理，一方面了解检测部 分测试的原理为数据采集做好准备，另一方面研究条干仪计算波谱的原理为 后文分析竹节纱波谱做好准备： 2 、利用数据采集卡采集检测到的纱线信号，经过模数转换后送入计算机中进行 处理，自动得出竹节纱的竹节长度、竹节倍数、竹节间距等参数，为纱线的 设计和生产提供依据： 3 、对采集数据的进一步处理，利用傅立叶变换尝试得出竹节纱的波谱图，以和 前面的外观参数结合起来分析竹节纱的循环规律，同时分析竹节纱波谱图在 研究竹节纱循环规律中的作用。另外以往的文献资料对于波谱图的波长与振 幅的计算分析得较少，本课题在此方面做了一定的理论分析与研究。 江南大学硕士学位论文 r 5 并发环境的选择 f 、 ， 本课题所研究的竹节纱自动识别系统对图形的显示要求并不是很高，所以处 理部分利用了教研室现有的普通台式机作为编程时用；另外购置了台湾凌华公司 的p c i 一9 1 1 1 d g 型多功能数据采集卡作为数据采集的工具。同时用到了实验室过 去的u s t e 士t e s i e l 的检测头部分。纱线来源主要是学院纺纱实验室加装了竹 节纱控制器的纺纱机；另外还用到了实验室现有的纱线条干仪。 。 机器配置： + 7 一。 1 硬件环境：d e l ld i m e n s i o n2 4 0 0p 42 4 g h z2 5 6 m4 0 g 软件环境：w i n d o wx p ，v c6 0 ( d e l p h i6 o ) ，1 、m 毹论酽6 5 等。“。 。 4 第二章系统设计 r 2 1 系统组成 、 、f ：1 。 第二章系统设：i + - _ 。+ i【，! ? ：p ； - 一 ，：j ： 。二 一：一： ? 。，? i - 7 一竹节纱外观参数自动识别系统是弋个包含硬件、软件两个部分i 能够提供竹 节纱外观参数自动识别竹节循环规律预测等功能的软件。它由数据采集模块、 数据处理模块、数据显示分析模块等部分组成，具体系统硬件组成结构如图：2 1 所示：i 。r ， ，i+ ? 0 。 ： 图2 一l 自动识别系统硬熊组成结构圈多j ：芑= 暴爵翅已 其中，在进入计算机以前的所有操作与处理属于数据采集和预处理部分，这 个部分主要由检测器( 检测头) 和数据采集卡组成；整个数据处理模块王作主要军霸 计算机完成，它主要通过自编的程序来实现各项功能；数据显示分析模块能显示 分析数据处理的结果，显示器、打印机。矽 存等设备属于数据的显示和存储模块。 t 整个系统各个功能模块组成如图2 2 所示：、_ 一? ， 、： 图2 一竹节痧外豌参袅自动谈莉系毓模块图 f 、 ? 。 ， 江南大学硕士学位论文 1 、数据采集模块，主要工作是完成数据的采集、预处理并由数据采集卡将数据 模数转换后送入计算机，它包括纱线原始参数设置，采集参数设置，开始采 集等功能，其中纱线原始参数设置主要让用户输入有关纱线的测试信息，如 纱线平均号数、纱线种类、温湿度条件等。采集参数主要包括采样时的频率、 时间等，开始采集功能表示数据采集卡开始读取并转换数据。再：融撩：占：。s 2 、数据处理模块，主要完成数据的各种处理。纱线外观参数计算主要计算出竹 节长度j 竹节间距、竹节倍数：基纱号数等参数，j 循环规律分析主要根据用 垆输入的条件结合所测得的外观参数对纱线的循环规律做出预测，波谱处理 r 主要用来显示竹节纱的波谱以供分析，c t 1 ：一；- j f 、+ 卜k ，t ：o 。t 。 3 、数据显示模块，主要完成前述数据处理之后的各种显示，如对竹节纱线外观 i 的謦搀 骣_ 妒笨十l 尊与蒡箩删翠毫鬯麟耋l 零以孕够慕纱的挚冀罔孚 示等r 一另外未来还可以提供有关竹节纱线打印参数的显示r 一一一 。 ? 一以下详述各个摸块的原理和功能。 ：。j k 卜“一 2 2 数据采集模块的原理和功能? 氓r ”：“- _ 9 。：、一、 j 。j j 。j ：、j ：t ：ii hj0 i i ；一- i ，7 ：= - l 2 方1 ；痧壤癜面较测卖! 。一：”、_ 卜 ：- t 一 ，一? o jr ；，“。7 f ! f 。1 j | ：j ：t 一+ = + ? ，j t o f ，：1 数据采集模块主要利用数据采集卡和纱线截面硷测头来完成原始数据的果 集和预处理以供后续软件进行数据处理：我们所采朔的纱线截面检测买是原有的 u s t e 频电 量电 、电桥高 测头的测 一 i l ! 国2 3 ：测量电桥电路 ； i 在此电路中i ，五个检测电容( 分别测试条子、粗纱和细纺， 我们只画出了两 个) 分成两组，测试细纱的两个检测电容分别组成电桥的两臂，可以证明，在忽 略分布参数影响下j 龟桥输出黾运为：。 一叫。 6 第二章系统设计 皖= 谚蒜 ( 2 _ 1 ) 在式2 一l 中，当g = c 时电桥平衡，输出电压为0 ( 外界温湿度的变化对 r 。 一 于两者的影响是等价的) ，当试样通过检测电容时，、电容量改变，电桥输出高频 调幅信号，经放大，检波之后输出与纱线单位长度重量变化一致的电信号。这个 随时问变化的电信号在某种程度上能够代表纱线截面粗细的变化。我们只要检测 它的变化就可以知道纱线截面粗细的变化。而了解了纱线截面粗细的变化，就可 以进行竹节纱外观参数的自动识别。一? ：一 。+， ! 止面提到，纱线经过的电容传感器是测量电桥的一部分，1 电容传感器示意图 如图2 i 4 所示： ， -t 。 ， 一- 一卜 【少蕾 喜艘 图2 4 电容传感器示意图 ， 一 当纱线以一定的速度通过电容传感器的极板槽时，由于极板间介质发生了变化从 而使极板的电容发生了改变，根据电容变化量公式：。 j c 0 ( 1 一与 。t ：。 c = 斋r 驰) 应掣 ( 式中墨( z ) = f 如( x ，z ) 出，日j 矽分别代表破板的责度和长度，c 装示电容的 w - “ ， +，。一0。 、) 变化量，g 表示没有放入介质真空时的电容量，d 代表极板间距，g 。表示介质的电) 。7 容，破( x ，z ) 表示沿极板间距方向的微元长度) u 可知极板间距d 远失于介质厚度d ，时电容的变化量与单位长度内的纱线体 -。l i i 积( 重量) 成正比，也就是说测得的电容量的变化可以间接反映纱线截面面积的 变化，而电容量的变化又反映为电信号的变化，电信号的变化最终又可由采集卡 采集的电压采反映，从而以电容传感器为核心的检测器结合数据采集卡就能检测 到纱线截面租细变化的规律，而且能通过数据采集卡上的模，数转换电路将它变 为计算机能处理的数字量，而这正是我们进行竹节纱外观参数识别和后文波谱分 江南大学硕士学位论文 析的基础。 、 。 检测器除了测量电桥以外，还有电桥高频电源，外部引导罗拉等，龟桥高频 电源用于给电桥供电；引导罗拉可以用来牵引纱线通过电容极板，同时可以设定 纱线通过电容检测器的速度，它的起动既可以由硬件控制，也可以通过软件来控 制：调整引导罗拉的转速主要通过内部的交流电机控制变速齿轮箱来完成。“另外 检测器还有使引导罗拉自动分离的功能，二+ 以便于取出纱线： ：j ! 。检测头采集到的信号为模拟信号；j 在转换成数字信号之前要经过低通滤波 器；滤掉不需要的高频部分( 检测电容本身有滤波作用) ，然后经过运算放大器放 大到a d 转换器输入电压范围，这个电压经a d 转换就变成了数字量罂就可以输 入计算机供计算机进行数据处理了- ，模数转换是数据采集技术的核心，：它可以 由数据采集卡来完成。从检测器出来的纱条信号值可达l 一2 v ，这个大小范围完 全满足数据采集卡对输入信号的电压要求，而且这个数值在传输过程中产生的干 扰或畸变可以忽略。原始数据通过数据采集卡之后就变成了数字信号，即数字量。 一1 _ 一一一 i ，。l - 州，一一一j 一 、f 一、ta 、 2 2 2 数据采集卡及参数的选取t ，+ ! 王= 二一二二一7 ：i r、， 一一，、 一一 1 数据采集卡介绍。、 数据采集卡在整个数据采集过程中负责将反映纱线截面变化的数据采集出 来同时完成模数转换功能，完成后将数据传入计算机中。在实验中我们采用的 是台湾凌华公司的p c i 一9 1 l l d g 多功能数据采集卡唧，：该卡功能非常强大一，可以 实现模拟信号输入与输出，数字信号输入与输出；* 它的基本特点如下 。 - 一 3 2 位p c i 总线，即插即用，比原先基于i s a 的板卡更灵活； 1 2 位模拟量输入；， ， ： 采样速率高达1 0 0 l ( h z ； 。 1 、j 单端1 6 通道模拟输入或差动，8 通道模拟输入：、 可编程增益x l ，x 2 ，x 4 ，x 8 ，x 1 6 ； 片上自带l k b f i f o 。存储骠；、 ，、 输入阻抗为1 0 兆欧； 3 7 针d 型接口： 一 、 通过电路板上跳线设置不同或软件设置，模拟量输入可以是如下几种形式： 单极性：0 1 0 v ，o 一5 v ，o 一2 5 v ，0 1 2 5 v ，o o 6 2 5 v 双极性：1 0 v ，5 v ，2 5 v ，1 2 5 v ，o 6 2 5 v ： 三种触发模式：软件触发，可编程步进触发( 定时器触发) ，夕f 部脉冲触发 + ( i 漱发) 。“j 一。“一、。、：? 其中板卡采样速率是指每秒钟进行模数转换的次数，_ 个高采样速率可以在 螽蔷莳商卡橥囊妄爹薮蒜麓i 此奇以更翼荬硒茇蕻原妻醣专，碴最迁苦6 6 某箨菇给定时间下采集更多数据，因此可以更真实题友殃原始信号，但取过高的采样i 番 第二章系统设计 率时要注意与计算机的处理能力相适应：、分辨率是用来表示模拟信号的位数， p c i 一9 1 1l d g 型有1 2 位模拟输入，分辨率越高，缩号范围被分割成的区间数目越 多，能探测到的电压变量越小，值就越精确，此数据采集卡的精度为1 2 位；通 道选择，因为我们只需要采集种信号，所以直接采用单通道输入；输入电压取 o 一5 v ，属于单极性的；a d 数据和模拟电压转换之间的关系为：。 “ 1 勋懈= 仰一胁妻器- j ! j 。、 此处增益k 是a d 增益控制寄存器的值，是一个系数，对p c i 一9 1 1 1 d g 而言 k = 2 0 4 8 ：g a i n 是模数增益控制寄存器的值，在实验中我们选择2 ( 它的选择是和 电压范围有关的) 。在实际采集中为了仂止其他通道对输入通道的干扰，可以考 虑将其他通道全部接地。： - - 。j 一， 图2 5 所示就是数据采集卡的模拟量输入端的示意图： r ，。i ，；。 。c “矿，l - _ ! n ，c t d 0 2 e o o o e o l 3 e o l 2 e d e d | o d 肖0 叭 a g n d a g n o 一，f 5 a j 4 a 3 a 2 ， ，7 0 a f 9 ：，a 8 + 5 v ! ”。“- ： 器、一h e m t f g j7 d g n d d g n d + 1 2 v _ p 俜硼 m e ；一? 一 a g n d a g n d a f 7 。 a 6 a ，5 a 4 ? 、 ：、 a f 3 a 2 i ： 4 ，7 、 i t a f o 图2 5 数据采集卡模拟量输入接口图 。在此3 7 针接口中，。输入通道从a 1 0 孤h 5 共有j 1 6 个通道，也就是说，它可 以同时采集十六个不同的信号，：我们在实验中只用了a 1 0 通道作为输入通道： a g n d 口是模拟量的接地口，共有四个，二在实验中随便选择哪_ 个都可以，其他 接口在本实验电并不需要。 ：二：。：! 在用数据采集卡采集之前，必须定好采集时的各项参数。如采样频率、采样 9 江南大学硕士学位论文 总时问、l ：采样间隔等，这些参数之间不是互相独立而是相互影响的i 4 任2 氽参数 的改变都可能影响到其他参数的选择。 ”j ，1 ，卜，：；t：一：f 2 。相关参数选择；f _ 、 f v - ， ” o j i ，_ ir 扛 、 采蟹长摩同隔一 j i ，；一一， ， j ：、 ， ! ! 过小的采样间隔并没有意义，- 因为电容极板最小高度为8 砌，它所能反映的 只能是8 唧长纱线的重量不匀率，过短的间隔并不能检测出，为了与此情况相适 应，我们取采样间隔为8 哪p o i n t 。，j “：、女、” 毫关采怿蓼率，：妒z 卜，i ：、。i ：k i ：一 i _ - ：t ：。一 实际检测时不可能做到连续采样，必须间隔，定的时间进行采样，这样采样 过的信号进行量化之后才能送入到计算机电作为数字信号处理，采样信号要在_ 定程度上能够还原出信号，从理论上来说采样频率越高越好，这样信号的失真就 小，但过高的采样频率会加重计算机的处理负担，但是也不能太低j 太低在信号 还原时会造成失真，不一定能够反映原来纱线条干不匀的变化，确定采样频率是 可以根据乃奎斯特定理( 堪陶蜒观) 吠来定，即采样频率应大于等于信号中最高 。：- 磅一 频率的2 倍，乃奎斯特频率记作霈采样频率，2 ，靠，1 工程运用上一般取2 5 1 一百4 ，砖， 倍，这样才能保证信号的恢复：一p 二一。 ， 采样时问间隔( m s i 。、”，it j 一一：! 采样时间间隔j 也称采样周期二表示隔多长时间采- 个点，这个参数一般与 ，一。：一0 二。r i 一 检测时纱线的运动速度有关r 它与采样频率j 堡蔓k | - 专，可取小于或等于 一， ”一； ， 一：一般# = 二? “ 1 一 r 互专的任何间隔，簪j 笺孽害要壁篓；m s 二，一一 “ - 簪蠢扛：一。： 引导速度v ( m m i n ) 一? 4 、4 “1 。l 一 - 一 ? ： 这个参数设置和测试的纱线和类有关_ 纱线速度的变化会影响到波谱图上频 道的变化。我们在实验中取罗拉引导速度巍5 0 m 皿i n ，普通条干仪一般都提供多 种速度可供选择，我们在程序中也提供了多种速度供用户选择，具体速度设置可 参见附录1 。，。r + ”1 ”+ 测试时间f ( m i n ) ，t ：这是指针对不同的引导速度所选用的测试时间i ，程序中也由用户确定，在普 通条干仪的设置中，一，它与测试的品种和引导速度有关，、吉般来说，细纱测试速度 要高一些；，测试时间短_ 些，而粗纱或条予测试速度低古些。测试时间长一些， 对于相同的引导速度而言不同的测试时间在最终的波谱图上) 所能反映的波长不 _ 样，具体测试时间选择可参见附录1 + 、 _ 。 ； 第二章系统设计 采样总长度( 点数) n ：4 、。二， l ：- ，i ， 4 根据波谱的频率间隔厶圭i 告，如果让波谱变得精细，则要求n 越大( 因 j + 蔓一，、 p。、。jj 。2 、， 为采样时间间隔已定) ，但从n 角度来说也并非越大越好，要考虑到运算的速度 和有效性问题，我们可以结合纱线检测长度来考虑，纱线检测长度：，= v f ，采 + ， 、?：。 ； 7，i 。r 样长度就是对，长度的纱线进行离散化后的采样总数，所以可知革去( 即纱线 z 硷瓤接辟舔以寒样篝璋间隔) 帝彝司犍塑尝坚笔：旦旦二! 粤：2 5 0 ，就是说， 1 一jj 。 “1 。a ：、 ，、8 加m： - j ： 采样的总点数在6 2 5 0 左右，但变换的点数要结合傅立叶变换的条件，即变换点 数须是2 。，其中x 为整数。 一一 ，1 。t ： 除了上述参数以外，在程序中还有其他要考虑到的一些因素，如测试时的槽 号、纱线号数等需要用户注意，较细的纱如果选择了较宽的槽数( 槽号越小，极 板越宽) 可能会引起测试时的误差，对于竹节纱而言可以结合平均号数莱考患具 体放入哪个测试槽。 此除要特别指出的是：未来波谱图上：能反映的波长和弓l 导罗拉的速度及测试 时间有关，速度越大，能反映的最大波长越大，比如当引导速度为5 0 m 时，能反 映的最大波长为z 2 2 赢。5 2 m ( 其中o 1 6 表示最小频率，根据波长与频 】i 一i 、，、 率的关系，只有频率取最小值才能反映最大波长) ，随着引导速度的增加，所能反 映的波长进一步加大，但一方面速度不可能无限加大，另一方面从统计的角度来 说如果某个波长有可信度必须要使所测试的纱线长度达到波长的3 0 倍以上，这 样，所能反映的波长除了与引导速度有关还和检测时的时间有关，如果测试时问 较短就会使波长缺乏可信度而相应的频道被抑制i 。 。 ，t 补充说明；以上参数的选取一般来说都是经过一定的试验之后确定的，在实 际中考虑到纱条的粗细，会采取不同的参数设置，这里说明的是进行本实验时的 职但一i i ， ；_ _ ：_ j”1 jq + ：“。一： 3 采集过程和实现、。，_ 。，。一。， ：在试验中，选取某品种竹节纱进行测量。将传感器检测头出来的信号线连到 p c i 一9 1 l l 板卡的a 10 与a ig n d 引脚上，传感器将采集得到的非电量信号转变 为电压信号，这个模拟电压信号经过低通滤波器滤掉不需要的高频成分，就可以 利用板卡内部的模数转换器将测得的模拟信号转换为数字信号了，数字信号可以 进行处理，存储。 采集过程的实现：作为一个独立的产品，凌华数据采集卡提供了一系列的函 数对卡进行操作，从而实现对数据进行操作，这些函数的实现都放在它所提供的 动态链接库里，动态链接库d l l ( d y n 锄i cl i n kl i b r ”y ) 是一种基于w i n d o w s 的程 江南大学硕士学位论文 序模块，它是在运行时刻被装入和连接的。动态链接库中只包含供应用程序运行 时装入的有关信息，并非是源代码的复制，因此使用动态链接库可以使多个应用 程序之间共享代码和资源从而提高运行效率。数据采集卡本身所提供的这些函数 可以帮助用户实现多种操作：具体卡的执行步骤包括：采集卡的注册 ( r e g i s t e r - c a r d ( ) ) 、采集卡的配置( a i j l l l o n f i g ( ) ) ，双缓冲模式设置 ( a i _ a i y n c d b l b u l f r m o d e ( ) ) ，数据转移( a i _ a s y n c d b l b u f f e r t r a n s f e r ( ) 、释放 采集卡( r e l e a s e - c a r d ( ) ) ，- 清除采集卡( a i _ a s y n c c l e a r ( ) ) 等，这过程中每步 有问题都会造成数据采集的不成功，每一个步骤的出错都可以通过函数自带的出 错代码进行错误的确定。”- 一 “_ - ：”一 如判断数据采集卡是否注册的代码如下： 厂。 j s t i n gs t r ；| 。j i c h a rb u f l 2 0 一，j 。、。 e r r 枣i j ll _ c o n f 垤c a r d i d t r i g - i 矾一p a c e & jp r e t r i g e n t r a c e c n t ) ： ，二! - i l；l一，i 。一，：t一1 _ 打螺? 寸够训+ _ t ： 一，、 一 ， + i ：- ， 、：_：；曙 - d c c “f 。s ， j、 ，： 、1 - | ，r o d 0 ：h a n d l ee r r o rh e r e _ h 一。疆醵a 岛8 矗( j t o a ( e 茜_ b u f ? 、l 国? 。错读提示”j 。犯j e s n 西：j ， j ， ： ，。 ， 当程序运行时检测到卡注册不成功时会给出e r r 此时所代表的错误类型警 告。| + + 2 ：1 。 1 。0 。，：5 。_ - 在采集的过程年：数据莱集卡采用了双疆渖的模式，这是也种经过优亿的缓 冲模式，即一次模数转换的数据首先放在双缓冲的第一部分，当第二个部分充满 数据时第一部分再转移到用户缓存中去，这种转移方式可以有效地防止用户缓存 中未来得及转移酌数据被下一次模数转换后的数据冲掉。在数据采集过程中循环 读出数据的部分代码如下： 第二章系统设计 检查当异步双缓冲模式操作发生时循环中下一个半满是否准备好数 据转移； a i a y n c d b l b u f f e r a l f r e a d y t c a r d h a l f r e a d y f s t o p ) ： 双缓冲区的数据已准备好 ；w b i l et ! h a i f r e 醐y ) ： ! 将循环缓冲的数据转换到用户缓冲来， a i s y n c d b l b u f e r l r a n s f e “c a r d 一b u f f e 吐：。一，土 。一j ： 。+ 一” + + 按照理论公式求出各点的电压数值， 。i n i t v o l t a g e 为调零电压 一j t i a t a = i n b i 墨j 。j j 枣l o o ，( 1 6t4 0 9 6 ) 一i n i t v 0 1 t g e ： r； 、，：。： ：i i ；“，- oj ，- w h n et ! k b h i t ( ) ) ： ，一。3 一“二：二：i 。”一，。 一 ， l 、 ，：1 ： 采集出来的数据可以存储到数据文件中，同时也可以提供显示：因为采集 出来的数据比较简单，只是一组维的浮噱型数据j 所以我们直接将它放在了普 通的文本文件中，呵以不使用数据库。但是未来也可以考虑使用专门的数据库来 存储有关一批数据的更多信息。t ： ；：、 一、? 经过上述步骤将数据读出，后此处就可以根据要求进行显示，微软提供的 a c t i v e x 控件库中的m s c h a r t 控件专门用于数据的显示；它具有强大的显示功能， 能适应用户的各种显示要求h 、t - ： ， 。在实际测试的过程中发现郾使在检测器的电容极板槽中不放入任何纱线时 也有电压值，这是因为电容极板不放入任何试样时电容也有轻微的偏差，这实际 上是一种零点电压，我们也称空值电压，在实际测试中空值电压如图2 二6 所示( 为 了显示的美观在绘图时坐标轴上下做了对称显示，实际上只有一例值有效，下 同) ，它是某个具体的值而不是我们骄认为自哑醯袋薯承翟，受：波怒：矗! -t：一 ：、 。! ： j m 啪i m嘲啪咖棚n n 咖帅啪- m 嗍蜘帅l m 帅硼哪l 唧哪n m m 佃m i 叫珊哪哪眦m 哪删哪小珊咖哪哪m 删删删哪m 哪删 ，：一一：”：+l ： ， ：i ：【： 2 9 脚拍群n 拍 2 9 l 2 9 瑚日瑚2 9 3 2 9 _ 3 5 0 2 9 脚 图2 6 有零点漂移的初始电压值 5 4 j1。j七o 4 ， 江南大学硕士学位论文 一：-： ，： ：，： ：，i 。：l 2 9 0 捣_ 0 5 0 趋j 为j 卯2 2 9 2 2 9 j 约3 筠- 4 ， 图2 2 7 消除零点漂移后的初始电压值j ( 在图2 6 中，纵坐标表示模拟转换的电压，是一个数字量，它反映了竹节 纱截面的面积变化；横坐标为各个截面的采样点，它的最大值根据被测纱样的长 度可以设定。) l、- 出现这种零点偏差会导致后来反映竹节纱截面面积的直观曲线缺少基准点， 无法直观看出竹节纱粗细节之间的差异。因此在正式采集数据前要消除这一偏 差，使不放入纱线时的电压近似为0 ，r 所以我们在正式测试之前先进行软件调零 处理，即想办法将初始时的电压值置为0 ；在一次实验中我们通过检查此过程中 的数据文件发现空值时的电压基本位于一0 8 2 7 v ( 此值不固定i 但消除零点漂移 后不影响测试) ，所以在初始调零中再减去绝对值0 8 2 7v _ 就可以将漂移电压消为 0 附近( 仍不是绝对意义上的零，t 但对我们的处理来说这种误差可以忽略) 这种 零点电压的消除可以通过软件进行而用户不必关心每次零点电压的标移量。如图 2 7 所示就是消除零点漂移后采出的空值电压：可以清楚的看到初始时电压在o 值附近；消除了零点电压之后采集出来的数据就可以正确的反映纱线截面粗细变 化了，数据可以进入下面的处理环节：，j ：、，。j ， 。 ，：“ 2 3 数据处理、显示模块的原理及功能 、。 数据处理模块主要是对转换后的原始数据进行一系列的处理以计算竹节纱 的各项外观参数，同时还进行傅立叶变换等处理以计算分析纱线的波谱。它的实 现主要是通过在计算机上编写特定的程序来达到目的：数据分析显示部分主要完 ： 成外观参数的显示，外观曲线的模拟显示、方波的显示，波谱图的绘制等，同时 未来还可以提供数据的批量导出、打印等功能。具体数据处建、显示模块的实现 见下一章。 ，：一：i + 一：一， + 一 1