（纺织材料与纺织品设计专业论文）纬编针织物线圈长度的非接触式测试仪器研究.pdf

摘要 摘要 线圈是针织物结构的基本单元和主要特征，线圈长度是影响针织物 性能的一项重要物理指标。线圈长度不仅决定了针织物的密度，而且 对针织物的脱散性、延伸性、耐磨性、弹性、强力、以及抗起毛起球 性和勾丝性等物理机械性能也有很大影响。为提高针织物的质量要求 在生产中能够使用测试仪器对线圈长度进行在线实测，动态调节针织 机的各项参数以保证线圈长度的一致性。 现有的电子线圈长度测试仪主要缺点在于其对喂纱速度的测试是 以接触式的方法进行的，测试过程不可避免得会对生产的正常进行造 成不利影响，而且其测试结果也难以真实地反映针织圆机的编织情况。 本课题所研究的是针对纬编针织物线圈长度的非接触式测试仪器，对 线圈长度进行在线实测，为圆机参数的调节提供参考。 本课题所研究的系统以p c 机作为测试的核心硬件，再结合光电传 感器、信号放大电路和a i d 数据采集卡组成了测试系统的硬件部分。 整个系统对线圈长度的测试以数字信号处理技术作为核心技术，采用 软件方法对由传感器采集到的模拟信号进行a d 转换后的数字信号在 p c 机上进行处理。 、在测试硬件方面，本课题设计了纱线位置指示电路，再结合放大电 、 路将整个测试电路设计成块p c b 的形式，并将p c b 设计插到p c 机 的i s a 插槽上，整合了测试硬件，实现了仪器的标准化。 软件方面，本测试系统采用c + + 实现了f f t 和相关算法，编写了 基于m f c 的测试程序，并且测试程序以多线程方式进行，实现了数据 采集、信号处理、测试监测和结果显示的同步进行。测试过程首先采 用f f t 和互相关算法分析喂纱速度两路信号的滞后时间，测得进纱速 度：接着采用f f t 和互相关算法分析针筒转速单路信号周期，测得转 速；最后测试系统根据前两步的测试结果计算线圈长度的数值。 测试系统在针织厂实际生产条件下对线速、针速和线圈长度三项内 容分别进行了在线实测，并且线速和针速得测试结果与c f 9 1 0 信号分 n 摘要 析仪分析的线速、针速数据进行了对比，各路线圈长度的平均结果与 静态拆散法所测的线圈长度数据进行了对比，结果表明本课题的测试 、 系统具有良好的稳定性和精度 r 本测试系统的成功研究为非接触式测试纬编针织物的线圈长度提 供了重要的参考价值，为实际生产中动态调节针织圆机的参数提供了 可靠的依据。 关键词：纬编、线圈长度、非接触式测试、数字信号处理、相关 i i a b s t r a c t a b s t r a e t s h ax i a n j u n ( t e x t i l em a t e r i a l s ) d i r e c t e d b y c h e ny u e h u a l o o pl e n g t h ，t h eb a s i cu n i to fw e f tk n i t t i n g ，i sas i g n i f i c a n tp r o p e r t y t h a tc a na f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fk n i t t e df a b r i c i tn o to n l yd e t e r m i n e s t h e d e n s i t y o fk n i t t e df a b r i ca l s oi n f l u e n c e s m a n yo t h e rp h y s i c a l a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha s r a v e l i n gp r o p e r t y ，e x t e n s i b i l i t y ，a b r a s i o n r e s i s t a n c e ，e l a s t i c i t y ，s t r e n g t h a n d a n t i - p i l l i n gt e n d e n c y i n o r d e rt o i m p r o v eq u a l i t yo fk n i t t e df a b r i c ，r e a l t i m e m e a s u r e m e n to fl o o pl e n g t h d u r i n gp r o d u c t i o n i s n e c e s s a r y t h r o u g h r e a l - t i m em e a s u r e m e n t l o o p l e n g t hc a nb ek e p tc o n s t a n tb ya d j u s t i n gm a c h i n ep a r a m e t e r sd y n a m i c a l l y t h em a i nd r a w b a c ko fp r e s e n te l e c t r o n i c l o o pl e n g t ha p p a r a t u si s t h a tt h e y a r nf e e d i n gs p e e d i sm e a s u r e d b y c o n t a c tm e t h o d ，w h i c h i n e v i t a b l y a f f e c tt h e r e g u l a rp r o d u c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e r e s u l to f c o n t a c tm e a s u r e m e n tc a n n o tr e f l e c tt h et r u es t a t eo fk n i t t i n gm a c h i n e t h es t u d yc a r r i e do u ti nt h i st h e s i sc o n c e r n sn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n to f w e f tk n i t t i n gl o o pl e n g t h ，w h i c hc a nm e a s u r el o o pl e n g t hr e a l t i m e l ya n d p r o v i d ep r e f e r e n c et oa d j u s t i n go fm a c h i n ep a r a m e t e r s t h eh a r d w a r e p a r t o ft h e s y s t e m c o n s i s t so fap cc o m p u t e r ，a p h o t o e l e c t r i cs e n s o r ，as i g n a lm a g n i f y i n gc i r c u i ta n daa dt r a n s f o r m i n g c a r d i t sc e n t r a lt e c h n o l o g yi st h ep r o c e s s i n go fd i g i t a ls i g n a lo fl o o p l e n g t h t h ea n a l o gs i g n a lc a p t u r e db y t h e p h o t o e l e c t r i c s e n s o ri s t r a n s f o r m e dt od i g i t a ls i g n a lb ya dc a r da n dt h e np r o c e s s e di nc o m p u t e r b yt h es o f t w a r ep a r t i nt e r m so fh a r d w a r e ，ac i r c u i tt h a tc a np o i n to u ty a r np o s i t i o nw a s d e s i g n e d c o m b i n e dw i t ht h es i g n a lm a g n i f y i n gc i r c u i t ，t h ew h o l ec i r c u i t w a s d e s i g n e d i np c bf o r m a ta n d p l u n g e d i n t ot h ei s as l o to ft h e c o m p u t e rm a i nb o a r d 。i nt h i sw a y ，t h ew h o l es y s t e mw a si n t e g r a t e da n d i v a b s 仃a c t _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 s t a n d a r d l z e d a sf o rs o f t w a r e p a r t ，t h e f f ta n do t h e rr e l a t e d a l g o r i t h m s w a s r e a l i z e db yc 十+ b a s e do nm f c ，t h ee n t i r em e a s u r i n gp r o g r a mw o r k si n m u l t i t h r e a d sw a yi nw h i c hd a t a c o l l e c t i n g ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，m o n i t o r i n g o fm e a s u r e m e n ta n dr e s u l td i s p l a y i n gc o u l db ee x e c u t e da tt h es a m et i m e t h ew h o l ep r o c e d u r eb e g a nw i t hm e a s u r e m e n to fy a r nf e e d i n g s p e e d c a l c u l a t e db ya n a l y z i n gt h ed e l a y e dt i m eb e t w e e nt w oc h a n n e l so fy a r n s p e e ds i g n a l a n dt h e n ，t h e r e v o l u t i o n s p e e d o fn e e d l e c y l i n d e r w a s c a l c u l a t e db ya n a l y z i n gt h ec y c l es i g n a lo ft h ec y l i n d e r sr e v o l u t i o nu s i n g f f ta n ds o m eo t h e rr e l a t e d a l g o r i t h m s f i n a l l y ，t h el o o pl e n g t h w a s w o r d e do u to nt h eb a s i so fo u t c o m eo ft h ef o r m e rt w os t e p s u s i n g t h e s y s t e m w eh a v e d o n es o m e e x p e r i m e n t s u n d e rr e a l p r o d u c i n g c o n d i t i o n si na k n i t t i n g m i l l t h ey a r n f e e d i n gs p e e d ，t h e c y l i n d e rr e v o l u t i o ns p e e da n d t h el o o pl e n g t hw e r em e a s u r e dr e s p e c t i v e l y a n dt h eo u t c o m ew a sc o m p a r e dw i t ht h a to fc f 910 s i g n a la n a l y z e r w e a l s oc o m p a r e dt h el o o pl e n g t hm e a s u r e db yt h es y s t e mw i t ht h a tm e a s u r e d b y s t a t i c u n r a v e l i n g m e t h o d a l lt h e s e c o m p a r i s o ns u g g e s t s t h a to u r s y s t e mh a v eah i g ha c c u r a c ya n d ae x c i t i n gs t a b i l i t y t h es y s t e mo f f e r sav a l u a b l er e f e r e n c et on o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t o fw e f tk n i t t i n gl o o pl e n g t ha n d p r o v i d e sr e l i a b l ef o u n d a t i o nt od y n a m i c a l a d j u s t i n go fk n i t t i n gm a c h i n ep a r a m e t e r si nr e a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ： w e f tk n i t t i n g ，l o o pl e n g t h ，n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，c o r r e l a t i o n v j ! ! i ! ，。一- _ - _ _ h - 一一 引言 线圈长度是影响针织物性能的一项重要指标，它不仅决定了针织物 的密度，而且对针织物的脱散性、延伸性、耐磨性、弹性、强力、以 及抗起毛起球性和勾丝性等物理机械性能也有很大影响。线圈长度不 匀容易使针织坯布产生变形，会在针织物上出现横条疵点，从而直接 影响针织物的外观质量。 生产中要根据产生的进行状况对针织圆机的编织参数进行动态调 节，及时纠正出现的问题，以保证针织物上各路线圈长度的一致性， 从而提高针织物的质量。这就需要有线圈长度的测试仪器能对工作圆 机上的线圈长度进行在线实测。 现有的该类纬编针织物的线圈长度测试仪都是电子式的，其测试采 用的是接触式方法一一测试导纱轮必须与纱线相接触，这种方法存在 的主要缺点在于：首先接触式测试会造成测试结果的不准确；另外测 试过程对生产的正常进行会产生不利的影响。为此，本论文旨在研究 纬编针织物的非接触式测试方法，以克服接触式方法的不足，为生产 过程提供指导。 实现非接触式测试方法的关键在于喂纱速度的测试，目前国内外在 纺织方面对速度非接触式测试方法主要有：多普勒激光测速法、相关 测速法和频率滤波法。本课题采用的是相关法测试进纱速度，再结合 光电法测试圆机的针筒转速，两部分联合起来完成对线圈长度的非接 触式测试。 第一章线圈长度测试方法概述 第一章线圈长度测试方法概述 前言 线圈是针织物的基本单元和主要特征，线圈长度是影响针织物机械 性能的一项重要物理指标“。线圈长度不仅决定了针织物的密度，而 且对针织物的脱散性、尺寸稳定性、延伸性、耐磨性、弹性、强力、 以及抗起毛起球性和勾丝性等物理机械性能也有很大影响。线圈长度 不匀容易使针织坯布产生变形，会在针织物上出现横条疵点，从而直 接影响针织物的外观质量。此外，线圈长度的大小还涉及到用纱量的 成本核算问题。 2 0 世纪5 0 年代，英国针织品贸易联合协会( h a t r a ) 就线圈长 度对针织物尺寸的影响问题进行了研究。1 ，对线圈的几何形状分析表 明松弛状态下的针织物的尺寸是由线圈长度和线圈形状所唯一决定 的，纱线性能和织机参数对针织物尺寸的影响是通过改变线圈长度或 者使织物暂时变形而间接实现的，而线圈长度和线圈形状是在成圈过 程中形成的，并且取决于每次成豳的纱线喂入量。这就为从针织工艺 角度控制针织物的质量提供了一种有效的方法一在生产中动态调节 线圈长度就能使生产出的针织物达到期望的密度和尺寸的要求。该研 究促进了线圈长度的测量和进纱长度控制设备的发展，在实际生产中， 对线圈长度进行有效的控制和调节，已成为保证针织产品质量的关键 因素。 第一节 线圈长度的调节和测试方法 1 1 线圈长度的调节 线圈长度的调节，中心问题是要能在高速生产的条件下，降低纱 线附加张力及波动，基本上保证单路线圈长度的均匀度。控制针织物 线圈长度，有静态和动态两种方式。 第一章线圈长度测试方法概述 1 1 1 静态调节 又称停车调整。在消极式给纱时，线圈长度主要由弯纱深度决定， 调节弯纱深度可以使织针按照给纱速度吃纱，确保弯纱张力在合适的 范围内：而采用积极式给纱时，线圈长度则主要由喂纱速度来决定， 可以调节无级变速器来实现。 静态调节时，喂纱张力几乎为零，整个成圈过程比较稳定，停车 时的各路纱线喂入量可调成基本一致，但不能保证在织机运转状态下 各路间线圈长度的一致，且费时费力，又影响生产，一般只作为预备 性检验和调节。 1 1 2动态调节 动态调节是在针织机正常运转的情况下，用仪器在线测量各路纱 线喂纱量，同时加强针筒转速及喂纱量的调节，以确保各路问线圈长 度的一致性。 使用测试仪对线圈长度进行实时监测，克服了静态调节的不足， 调节过程迅速准确，能够及时纠正生产中的问题，又不影响生产的正 常进行。动态法可用于生产检查，适用于消极式和积极式给纱方式的 针织机。 1 2 纬编针织物线圈长度的测试方法 线圈长度的动态调节和静态调节其前提都在于实现对线圈长度的 大小进行准确的在线测量，目前线圈长度常用的测量方法主要有“1 ： 1 用拆散织物的方法测线髑长度； 2 停车时采用静态线圈长度检测工具测量； 3 在针织机编织过程中使用动态测试仪器实测线圈长度。 前两种方法属于静态测试法，而后一种方法属于动态测试法。 1 2 1 静态测试法 该方法的测试结果准确、稳定，适用于测试各种针织物，但操作 起来费时费力，测试效率低，并且试验时不可避免地造成物品的消耗； 3 第一章线圈长度测试方法概述 更主要的缺点在于它属于事后测试，对产品质量的控制具有滞后性， 无法实现对生产的在线监控。 1 2 2 动态测试法 在针织物的生产过程中直接用仪器测出线圈长度。该方法测试精 度比较高，不会造成物品的浪费，操作方便、迅速，可实现对线圈长 度的在线测试。 从静态、动态两种测试方法的对比当中可以看出：静态测试方法 无法实现对线圈长度的在线测试，不能实现生产中对线圈长度的实时 检测、调整，而使用测试仪器对线圈长度进行动态监测，是实施产品 控制、提高针织物质量的有效手段。 纬编针织圆机由于其独特的工作方式，可以相对容易地实现对线 圈长度的在线测试，国内外已经研制出多种纬编针织物线圈长度的测 试仪器，比如国外的f d 一3 0 型及国内广泛使用的s x y 型接触式线圈长 度测试仪。 1 3 线圈长度动态测试的基本原理 针织物线圈长度的动态测试的依据都是根据线圈长度的计算公式 一在针织物编织过程中存在以下关系： 线圈长度= 单位时间内喂入的纱线长度 单位时问内所形威酌线丽面甄。 由此推出线圈长度的计算公式：，：二l 公式( 1 ) ，s 式中： 1 为线圈长度( m ) ； v 为喂纱速度( m s ) ； r 为针筒转速( 转s ) ； s 为总针数。 对一台特定的圆机而言，总针数s 是已知的，只要能测出针筒转速n 和喂纱速度v ，则线圈长度l 就可以求得，所以问题的关键是测出纱 线速度和针筒转速的值。 第一章线豳长度测试方法概述 目前国内外广泛应用的线圈长度测试仪基本原理是一致的一一分 别测得大圆机针筒的转速和其喂纱速度，利用线圈长度的计算公式求 得具体数值。以天津针织一厂发明的针织匹布线圈长度电子检测仪”。 为例，说明一下这类测试仪的基本工作原理：机械构件主要包括微处 理器、数字显示以及由针速传感装置和线速传感装置组成的信号转换 系统，测量仪器从功能上主要分为两个部分：对纱线速度的测量和对 针筒转速的测量。 1 3 1 纱线速度的测量 该方法对纱线织物速度的测量是接触式方法一一采用测试导轮 与纱线织物进行机械式接触，导轮在纱线织物摩擦力的作用下回 图】纱线速度的测试原理图 1 3 2 针筒转数的测量 测试原理与测纱线速度相 似，也是采用光电元件，将 与圆机针甬相啮合的测试导 轮的转速信号转化为脉冲信 号。单位时间内所计的脉冲 数与导轮转数成正比，根据 导轮齿数与针甬齿数之间的 关系可得到转速的大小。 光 转，利用分布在导轮两侧的 光电元件产生的脉冲信号 经微处理器的处理可以测 得导轮的转动频率f ，假定 导轮圆周表面的速度与纱 线织物的速度相同，若导 轮的直径为d ，则纱线的速 度v = ，耐 测试导轮 图2 针筒转速的测试原理图 一口阵 移一 一一一光 一 1 3 3 线圈长度的测试结果 根据公式，：二l ，微处理器可计算求出线圈长度并在数字显示装置 r s 上显示出来。 这种测试方法原理简明，测试步骤简单易行，测试结果稳定可靠， 而且仪器体积小、成本低，因而在实际生产中得到了广泛的应用。 第二节非接触式测试研究的进展 2 1现有纬编线圈长度测试仪器的缺点 现有的线圈长度测试仪器主要缺点在于其对喂纱速度的测量都属 于接触式测量，是通过测量导轮表面与纱线相接触进行的。这种接触 式测量存在着一些难以克服的缺陷“1 ： 首先是导轮与纱线之闻存在滑溜的问题，导致导轮表面的圆周 速度与纱线速度不一致，它受纱线本身的摩擦系数、纱线在槽 轮上的包围角及槽轮运转灵活性的影响； 其次，导轮与不同纱线的长时间接触可能会造成纤维在其圆周 面上的缠结，使表面设计直径发生了变化，产生测量误差； 而且导轮对纱线会产生一定的附加张力作用，在导轮前后造成 纱线张力的差异，由此导致的纱线拉伸状态的变化会引起被测 纱线上相邻点间速度不一致；同时纱线受额外张力作用可能对 最终织物的质量造成不利的影响； _ 另外，对接触式测量敏感的纱线不适合采用接触式方法测量， 如对有粘性或易伸长的纱线( 如氨纶纱) 进行速度测试； 喂纱速度的接触式测量的这些缺点会导致线圈长度的最终测量结 果产生误差，影响仪器的可靠性，实践证明有必要研究一种可行的非 接触式测试方法对纱线速度进行在线测试，以实现对线圈长度的完全 非接触式测试，提高测试的精确度。 第一章线圈长度测试方法概述 2 2国内外纺织领域非接触式测试方法的研究情况 从上述讨论中我们可以看出，实现线圈长度非接触式测量的关键 在于对纱线速度的测量。为了克服接触式方法的缺点，国内外在纺织 领域的非测量方法的研究主要集中在纱线和织物速度方面，综合目前 的研究与应用情况，有以下几种： 2 2 1利用多普勒效应的激光测速法”1 该方法将一束激光照射到待测平面上，根据多普勒定理，由于物 体表面的运动会使反射回来的光束的频率发生漂移，若已知发射到被 测物表面上的激光波长为 ，频率为f 。，测得反射光的频率为f ，则 频率漂移量f 。= f 。一f 。，根据多普勒效虚可以得出速度v 与频率漂 移量f 。之间的关系：被测物体的速度v = f 。2c o s0 。 由于激光的波长x 和频率的漂移量f 。可以精确测得，故该方法测 速具有精度高、可靠性好等优点，在纺织上的应用也日渐增多；但使 用该方法入射激光束与物体速度方向的夹角8 的选择对测试的结果会 产生影响，另外其光学部件的小型化和测试品种的适应性等方面也有 待进一步的提高，这些因素都限制了它的广泛应用。从目前资料来看， 该方法比较适用于测平面物体( 织物) ，而没有关于纱线速度测试方面 的资料，技术相对不成熟。 2 2 2 相关函数测试法 这种方法的基本原理是：在纺织生产过程中，由于纤维纱线的随 机分布、不完全伸直平行和牵伸机构的不完善及机械缺陷，使得纱线 织物结构存在着随机性不匀。根据纱线织物表面的这种自然随机性的 结构会随着纱线织物的运动而移动的特点，对位于纱线运动方向的、 相隔某一确定距离的两个传感器所获得的信号进行处理，由相关函数 ( 相关函数表明两路信号之间的相关程度) 求得纱线织物在此距离的 运动时间，根据已知的固定距离，从而得到纱线的速度值；此方法既 可以用光学法，扫描纱线的表面随机状况，也可以采用扫描纱线本身 笙二兰垡堕堡壅型蔓查堡塑堕 的电荷分布曲线的方法。 利用该原理，陈跃华教授”3 对纱线速度进行了测试，而u b e c k ”。则 对织物的速度进行了测试，其测试系统硬件基本相同一一采用了两组 光电元件，如图所示： i 光电传感器 = = = 二三三蔓 信号 相关 d 线速结果 l 光电传感器 = = = 二三三蔓 性分 析 图3 相关函数法测试系统 b a c k m a n n 和k u g l e r n ”对该方法测试纱线速度进行了改进，他们以 柱光代替常规方法所用的点光，光电传感器改为单组，采用快速c c d 照相机代替光电传感器。根据c c d 照相机所摄图象，由相关函数算出 两次测试时间内纱线移动的象素点数，然后根据象素与实际标尺的比 例关系得出移动的实际长度，测得的纱线速度精度有了明显的提高。 纱线织物的速度是一项复杂的物理、工艺参数，从严格意义上讲 只能通过被测物上某点在空间中的距离一时间关系推导出来，因此相 关函数法测出的速度实际上只是一段空间和时间内的平均值。该方法 的主要缺点在于测速时所取的两路信号的相关性易受环境噪声的影响 而不稳定，这会对测试的精度造成影响。但是相关函数测试法实现比 较容易，测试精度也基本能够满足要求，国内外对该方法的研究最多。 2 2 3 频率滤波法 该方法也采用传感器分析纱线织物的表面随机状况，当纱线织物 以一定的速度运动时，传感器会传回周期性变化的时间信号，且其频 率的大小与纱线织物的速度大小成正比，而频率值可以通过对信号进 行傅立叶变换得到。传感器既可以是光学的也可以是电学的。 w s c h a e f e r 等人“”使用梳状的传感器扫描纱线表面电荷分布状 况，进行了测试纱线速度研究，b e r n h a n dl o n g e r i c h 等人“1 则采用光 第一章线圈长度测试方法概述 栅传感器，利用光波的相干性测试织物的速度。b e r n h a n d 的实验可测 的最高速度可达6 7 m s ，其误差在2 以内。这种方法能够满足维 护、监控系统对于测试系统轻便性的要求，精度较高，但也只能用来 测织物等平面物体的速度，不能用于纱线。 除上述三种主要方法外，非接触式测量还有激光干涉法等。 2 3 非接触式测试方法总结“： 非接触式方法测试纱线、织物的速度弥补了接触式方法的不足， 测试的精度和范围等方面都有所提高，但是仍然有一些方面还需要进 一步的完善：与接触式方法相比，非接触式方法的成本仍然偏高，仪 器的硬件构造更复杂，测试选用的光学、电学传感器都属于精密部件， 比较容易损坏；从目前研究资料来看，非接触式方法大多属于实验阶 段，距实用化的要求尚有差距。但是可以预见随着非接触式方法研究 的深入，在测试精度和适用性方面获得新的进展，其在纺织上必将获 得更广泛的应用。另外由于非接触式方法采用了较先进的电子、光电 技术，获得的信号可以方便、及时地处理，对信号数据的处理还结合 了计算机的应用。所以利用该方法不仅仅限于测速，还可以将测试与 控制结合起来，对生产中获得的数据进行实时处理，及时发现生产中 存在的问题并及时纠正，这也正是非接触式测试方法的优势所在。 第三节本课题的研究内容 本课题的目标在于研究纬编针织物线圈长度的非接触式测试仪 器，为实际生产中对线圈长度的控制和调节提供依据。 综合目前对纱线速度的非接触式测试方法，考虑到与其他方法相 比，相关函数法具有原理简明、结果可靠、经济可行及易于利用p c 机实现等优点，本课题选用相关函数法测试针织大圆机的喂纱速度。 同时采用光电法测试针筒转速，两部分的测试结合起来得到线圈长度 的准确数值，从而实现对纬编针织物线圈长度非接触式测试。 第二章测试系统的整体架构 第二章测试系统的整体架构 第一节测试系统的整体设计 1 1 系统功能组成 纬编针织物线圈长度的计算公式：，：j l 是本测试系统实现对其 r j 进行在线测试的依据。对特定的机台而言，圆机的针数s 总是已知的， 测试系统的任务是分别完成对喂纱速度和针筒转速的测试，然后综合 两项结果来测算线圈长度。为此把测试系统从功能上分为两个部分： 喂纱速度测试部分和针筒转速测试部分。 图2 1 测试系统功能图 考虑到针织厂实际生产的要求和现代测试技术的发展趋势，本测试 系统采用了数字信号处理技术，在p c 机上用软件的方法对硬件系统采 集到的信号进行处理。对两路线速信号的处理使用了互相关的方法， 对针速信号的处理则采用的是自相关。 1 2 信号处理流程 测试系统对信号的处理贯穿了测试系统的整个体系，信号处理流程 图示如下： 第二章测试系统的整体架构 光信号一电信号 一匝歪卜匝亟丑吨垂笋 模拟信号数字信号 图2 2 测试系统的信号处理流程图 信号采集模块的功能是采集线速和针速原始物理信号，并将其转换 成便于进一步处理的电信号。信号转换部分要完成由模拟信号到数字 信号的转换，转换后的数字信号可以直接被计算机进行数字信号处理， 得出测试的结果并显示出来。 第二节测试系统的硬件架构 硬件系统的任务是完成信号的采集和转换工作，并与软件部分道 实现对信号的分析处理。硬件系统涵盖了从信号采集、信号转换直至 信号处理的整个测试系统，测试系统的硬件主要包括光电传感器、信号 放大电路、数据采集卡和p c 机。 光 信号放人电 攀圈 日l 一 l 路 a d 数据采集 p c 机 数据采集 “ 詈碰日匡 图2 3 测试系统硬件结构图 2 1 信号采集 信号采集可以分为两个部分：传感器部分和信号放大电路部分。 2 1 1传感器 相关两数法测试喂纱速度要用传感器将纱线的直径不匀信号转换 成电压信号，传感器的选择有两种：电容式传感器或光电传感器。 第二章测试系统的整体架构 针织生产过程中纱线由于受到较多的牵伸，与传动轮存在摩擦的作 用而带上静电，故可以用电容式传感器分析纱线本身的电荷分布状况， 根据沿纱线运动方向上电荷分布的滞后时间计算喂纱速度：电容式传 感器具有适应性强，动态相应时间短，温度稳定性好，有均化效应等 优点1 3 】；但电容式传感器分析纱线电荷分布情况时其灵敏度和稳定性 易受实际条件的影响，如纱线材料、纱线所处的空气状况、施加给纱 线的张力、纱线的速度及所受的摩擦点数等。另外电容式传感器输出 阻抗很高( 尤其在低频范围) ，负载能力差，不符合测试的要求，不能 用于本测试系统。 由于纱线存在着直径不匀的特点，可以用光电传感器，根据纱线横 向透光量的大小获得关于纱线外观直径的曲线来测算喂纱速度。光电 传感器的优点在于其响应快、性能可靠，比较适合于实际生产的条件 下应用；另外采用光电传感器采集纱线不匀信号，其两个信号采集点 之间的距离比较容易测定，这就有利于喂纱速度的测试。 综合两种方案的利弊，本测试系统决定选择光电传感器来采集纱线 不匀信号。另外对大圆机针筒转速的测试传感器的选择也有磁敏传感 器和光电传感器两种，其中光电传感器使用最多，考虑到光电传感器 的优势和保持信号采集系统一致性以便于下一阶段的处理的需要，对 转速信号的采集同样也采用光电传感器。 一组光电传感器包括一个红外发光管和一个光敏三极管，红外发光 管选用的型号为5 g l ，光敏管具体型号为：喂纱速度测试选用的3 d u 5 ， 针速测试选用的使3 d u 2 。 2 1 2 信号放大电路 由于信号采集系统的传感器的输出信号是比较弱的低电平信号，还 不能直接进行a d 转换，需要经过放大电路将微弱信号进行放大以便 充分利用a d 信号转换器的分辨率，使转换后的数字信号有足够的精 度d 4 。 测试系统对信号放大电路的要求有：高输入阻抗，反应时间快；高 笙三里型塑墨竺塑些笪墨塑一 抗共模干扰能力；低漂移，低噪声及低输出阻抗。此外由于传感器输 出的信号中可能含有不需要的高频成分，放大电路还应该能够抑止干 扰，降低噪声。 放大电路中用到的主要元件是7 4 1 型集成运算放大器。它充分利用 了集成电路的特点，采用有源负载和内补偿技术，具有电压增益高、 共模抑制比高、共模输入范围宽、输入阻抗高等一系列优点。7 4 1 分成 输入级、中间放大级、输出级、偏置电路四个主体部分，保护和补偿 电路两个附加部分。 2 2a i d 信号转换 信号转换部分的任务是完成由模拟信号到数字信号的转换，是信号 采集部分和信号处理部分的桥梁】。本测试系统选用的硬件是研华公 司生产的p c l 8 1 8 l 数据采集卡。该采集卡是基于i b mp c 机上的高 性能、多功能数据采集卡，它提供了5 个最常使用的测控功能：1 2 位 a i d 转换，d a 转换，数字信号输入，数字信号输出以及计时器计数 器。采集卡自带具有数据缓存功能的s d r a m ，还具有自动回路扫描的 功能，另外p c l 一8 1 8 l 附带有软件支持，可以为程序员编写基于采集 卡的处理程序提供技术参考。 p c l 一8 1 8 l 的a i d 转换的参数如下： i l l 通道数：1 6 单端或8 路差分( 可选择) 一分辨率：1 2 位 _ 输入电压范围( 双极) ：o 6 2 5 ，1 2 5 ，2 5 ，5 或l - 2 5 ，2 5 ，5 ，1 0 ， 输入范围可软件设置 一转换类型：逐次逼近式 转换速率：最大可达4 0 k h z 精度：偏差l 位 一线性度：偏差l 位 i i i 触发方式：软件触发、外部触发或可编程扫描触发 一数据传输方式：软件传输、中断传输或d m a 传输 第二章测试系统的整体架构 2 3 信号处理 2 3 1硬件部分： 信号处理部分的硬件主要是指p c 机，测试系统主要工作是完成数 据信号的分析处理，所用p c 机配置如下： c p u ：p e n t i u m1 6 6m h z 主板：华硕 内存：3 2 m 硬盘：2 1 g 显示器：1 4 ”数显 这样的配置对于主要任务是针对大量的数据进行简单运算的测试 程序而言是适用的。 2 3 2 软件部分： 操作系统为w i n d o w s 9 8 s e 。 p c l - - 8 1 8 l 采集卡的驱动程序为针对w i n 9 8 的d l ld r i v e r l 4 。 测试软件的开发环境为v c + + 6 0 。 第二章测试系统的整体架构 第三节软件架构一数字信号处理 测试系统中的软件是信号处理的核心部分，软件方面涉及的是数字 信号处理方面的内容，软件系统要完成对线速信号和针速信号的分析 处理，推导出线圈长度的数值。 信号采集系统输出的模拟信号经过p c l 一8 1 8 l a d 转换卡的作用 后，成为在时域和幅值上都经过量化的数字信号，可以对其进行数字 信号处理了。对信号进行数字信号处理就是通过计算机或通用信号处 理设备，用数学的数值计算方法处理信号( 例如滤波、变换、估计、 识别等) 1 6 1 。 3 1数字信号处理的优点 数字信号处理( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是从2 0 世纪6 0 年 代随着信息学和计算机技术的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学 科，与常规用模拟电子元件处理的模拟处理方法相比，数字信号处理 具有其无法比拟的优点 1 7 1 1 8 】： 精度高：数字处理系统中，运算可采用多位字长和浮点运算，允许 信号的动态范围达几个数量级，能达到模拟处理无法达到的性能指标。 可靠性强：模拟系统各元件参数都有一定的温度系数，易受温度、 振动、电磁感应等外界因素的影响；而数字信号系统受噪声及环境条 件的影响小，因而具有完善的重现性、稳定性和可靠性。 灵活性好：数字系统的性能主要取决于乘法系统中的系数，改变各 系数就可以得到不同的系统。数字信号处理算法还可设计成自适应性 的，以适应由于传输媒介和时间变化而引起的信号或噪声特性的变化。 时分复用：数字系统的另一个最大优点就是可以做到“时分复用”， 利用一个计算机设备同时处理几个通信信号，充分利用了c p u 高速的 特点。 第二章测试系统的整体架构 3 2 数字信号处理的实现 数字信号处理算法的实现手段多，它既可用硬件设备来实现，又可 以用软件完成。实现数字信号处理的方法有三种： _ 采用计算机 通过程序，用软件的方法来完成数字信号处理任务。该方法优点是 可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活，缺点是不能实时处 理。另外它只利用了计算机的一小部分运算系统，没有充分发挥计算 机的能力，造成不必要的浪费。 一采用专用的信号处理器 针对某种信号处理的特有运算，用专用的信号处理芯片组成专用的 数字信号处理器。对于经常大量重复进行某一信号处理运算的场合， 该方法经济、方便，还可以做到实时处理。主要缺点在于灵活性差。 一采用通用的信号处理器 通用信号处理器是一种具有适应数字信号处理基本运算的指令、寻 址机构，能充分利用算法的并行性的一种计算机。通用信号处理器具 有可编程能力，可适应于各种场合，且可进行高速信号处理，但成本 高，使用比较复杂。 考虑到本测试系统对测试的实时性要求不高，而信号处理器的使用 比较复杂，成本相对也高，且采样信号处理器测试结果的曲线图绘制、 测试参数的设置、测试结果的统计等也不方便。综合比较各种实现方 法，本测试系统决定采用计算机实现数字信号处理。 3 3 测试系统的数字信号处理算法 测试系统对数字信号的处理主要涉及了2 个算法：快速傅立叶变换 f f t 以及快速相关算法。 在统计通信及数字信号处理中，相关是一个非常重要的概念，所谓 相关是指两个确定信号或两个随机信号之间的相互关系。本测试系统 对喂纱速度的两路信号的处理采用的是互相关算法，测试针筒转速采 用的是自相关算法。由于涉及到对采集到的大量数据的处理工作，必 第二章测试系统的整体架构 须采用比较快速的算法一快速相关；快速相关算法的实现又牵涉到 快速傅立叶变换f f t 和傅立叶反变换i f f t ；为了滤除原始数字信号中 的高频干扰成分，又在测试系统中引入了数字滤波的算法。 3 3 1 快速傅立叶变换f f t 离散序列的傅立叶变换算法d f t 在数字信号处理中起着核心的作 用，但d f t 的计算量太大，即使采用计算机也很难进行实时处理，1 9 6 5 年库利( j w c o o l e y ) 和图基( j w t u k e y ) 提出了适合于在计算机上运算 的d f t 的高效、快速算法f f t ，将运算时间缩短了一、二个数量级1 9 】。 f f t 的算法基本上可以分为两大类：按时间抽取法( d i t ) 和按频率抽 取法( d i f ) 。本测试程序采用的是基2 频率抽取法，函数声明如下： t e m p l a t e i n tf f t f r e q r a d i x 2 ( t + x r e a l ，t + y i m a g ，i n tn s i z e ，i n tf l a g ) ； f l a g 为标志位，f l a g = 1 时进行的是f f t ，f l a g = 一1 时进行的是傅 立叶反变换i f f t 。 3 3 1 1 两相同长度的实序列f f t 算法 本测试系统中自相关和互相关算法所处理的两个数据序列长度相 同，且两个序列都是实数，进行f f t 运算时可以将单个序列作为一个 复数序列( 虚部为零) 来处理，但有效的方法是把两个序列一起进行 变换，即把一个序列当作实部，另一个序列当作虚部，组成新的序列， f f t 运算后再根据结果进行分离。 算法的推导过程一一对于两个数据序列x ( n ) 和y ( n ) ，将x ( n ) 作为实 部，y ( n ) 作为虚部先进行f f t 变换： 苎三兰型堕墨竺堕墼堡墨塑 f ( ) ：n - 1 【x ( n ) + 痧( 聆) 】e = 势小。s 等砌吲咖i n k n 十，萎n - i c o s 等切叫删n l 孑- k n = f e r ( k ) + f o r ( k ) + j f e i ( k ) 一f o i ( k ) ：f r 限、+ i f i ( k ) ( 公式2 1 ) 其中，f r ( k ) = f 打( 七) + f o r ( 后) 是，( 后) 中的买鄙部分 凡( 七) = f e i ( k ) 一f o i ( k