（纺织工程专业论文）长丝质量评价系统原理分析和研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

长丝质量评价系统原理分析和研究 摘要 条干均匀度是评定纱线质量的重要指标之一，它不仅对 纺织品的外观和内在质量具有决定性的作用，而且还直接影 响纺织生产过程的稳定性。因此，条干均匀度的分析和测量 对纺织品质量的控制和提高具有重要的意义。 本文根据电容测量以及波谱分析的基本原理，联合上海 中方宝达纺织智能仪器公司，对长丝( 包括短纤) 的质量评 价进行了深入的研究分析，并最终利用美国n i 公司提供的 图形化编程语言l a b v i e w 开发了长丝质量评价系统，具体 内容如下： ( 1 ) 对长丝评价指标，评价方法以及虚拟仪器的介绍。目 前，世界上生产长丝条干均匀度测试系统的只有瑞士 乌斯特和国内长岭纺电。本课题引入虚拟仪器的概 念，利用美国n i 公司提供的l a b v i e w 图形化编程语 言，通过设计新型的气流控制系统，开发了虚拟长丝 质量评价系统。 ( 2 ) 虚拟仪器的含义与组成。虚拟仪器系统实质上是一种 计算机系统，它必须有硬件和软件的支持才能正常的 工作，它的硬件包括计算机和i o 接口设备。当硬 件平台确定后，仪器的测控功能就完全决定于软件系 统，即所谓的“软件就是仪器”。 ( 3 ) 波谱图的测量算法。介绍了如何根据傅立叶变换，将 纱线质量不匀函数转换成波谱图。利用波谱图可迅速 找出机台产生不匀的机件，进行修理或调换，以消除 原因，提高设备维护及工艺管理水平，因而波谱分析 是保证产品质量的一个重要手段。 ( 4 ) 长丝质量评价系统的基本原理。对影响测量的一些因 素，包括测量槽的间隔、长度、原料介电系数以及气 流作用等，做了具体分析，进行了一些具体的推导工 作，从理论上解释各影响因素与最终测试结果之间的 关系。 ( 5 ) 如何利用l a b v i e w 来实现长丝质量评价功能。介绍 了整个系统的框架结构以及各模块的基本功能与实 现方法，同时对系统进行有效验证。通过y g 1 3 2 型 条干仪标准信号发生器以及y g l 3 9 型纱线条干均匀 度测试系统加以验证，并且最终通过客户的实际使用 加以认可。 本文还介绍了课题组的最新研究成果及发展方向。介绍 了光电评价方法、电容评价方法以及最新的电容式与c c d 联合评价方法，具体介绍了本课题组目前在c c d 检测方法 上取得的突破性进展。 关键词：长丝，质量评价，条干，虚拟仪器，l a b v i e w t h e o r ya n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ff i l a m e n t q u a l i t ya s s e s s i n gs y s t e m a b s t r a c t y a me v e n n e s si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d e x e so f a s s e s s i n gy a mq u a l i t y , w h i c hn o to n l yh a sc r u c i a le f f e c tf o r a p p e a r a n c ea n di n h e r e n c eq u a l i t yo ft e x t i l ep r o d u c t ，b u ta l s o h a v es t r a i g h ti n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n g s of o r q u a l i t yc o n t r o la n di m p r o v e m e n t ，a n a l y z i n ga n dt e s t i n go fy a r n e v e n n e s sh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ob a s i ct h e o r yo fc a p a c i t o rt e s t i n ga n ds p e c t r u m a n a l y s i s ，c o o p e r a t i n gw i t hs h a n g h a iz h o n g f a n gb a o d at e x t i l e i n s t r u m e n tc o ，w er e s e a r c h e dt h et h e o r yo ff i l a m e n t ( i n c l u d i n g s p u ny a m ) q u a l i t ya s s e s s i n g ，a n dd e v e l o p e dt h e f i l a m e n t q u a l i t ya s s e s s i n gs y s t e mb yt h eg r a p h i c a lp r o g r a ml a n g u a g e t h a tp r o v i d e db ya m e r i c a nn a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y t h e c o n t e n t so ft h e m ea r es h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e so fa s s e s s i n gi n d e x e s ，a s s e s s i n gw a y sa n d v i r t u a l i n s t r u m e n t n o w , o n l y s w i t z e r l a n du s t e rc o a n d c h a n g l i n g t e x t i l ei n s t r u m e n tc o h a v et h ea b i l i t y t o l m a n u f a c t u r et h e t e s t i n gs y s t e mo ff i l a m e n te v e n n e s s b y i n t r o d u c i n gt h en o t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n ta n da p p l y i n gt h e g r a p h i c a lp r o g r a ml a n g u a g el a b v i e w , w ed e v e l o p e dt h e v i r t u a lf i l a m e n tq u a l i t ya s s e s s i n gs y s t e m ( 2 ) m e a n i n g s a n ds t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t t h es y s t e m o fv i r t u a li n s t r u m e n ti st h ec o m p u t e rs y s t e m ，w h i c hm e a n si t m u s tb es u p p o r t e db yh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r e i n c l u d e sc o m p u t e ra n di oi n t e r f a c e a f t e rt h eh a r d w a r ei s d e t e r m i n a t e ，t h et e s t i n gf u n c t i o n so fi n s t r u m e n ta r eu pt ot h e s o f t w a r es y s t e m t h a ti st os a y “s o f t w a r ei si n s t r u m e n t ” ( 3 ) a r i t h m e t i co fs p e c t r u m b yu s eo ff o u r i e rt r a n s f o r m ， s p e c t r o g r a mc o u l db ed e d u c e df r o my a r nm a s s u n e v e nf u n c t i o n 。 a c c o r d i n gt os p e c t r o g r a m ，t h ep a r t st h a tl e a dt ou n e v e n n e s s c o u l db ef o u n de a s i l y a f t e rr e p a i r so re x c h a n g e ，t h ep r o b l e m c o u l db es o l v e da n dt h ea b i l i t yo fm a c h i n em a i n t e n a n c ea n d t e c h n i c a lm a n a g e m e n tc o u l db ea l s oi m p r o v e d s os p e c t r u m a n a l y s i si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st og u a r a n t e et h e p r o d u c tq u a l i t y ( 4 ) b a s i ct h e o r yo ff i l a m e n tq u a l i t ya s s e s s i n gs y s t e m t h e f a c t o r st h a ti n f l u e n c et e s t i n g ，i n c l u d i n gi n t e r v a lo ft w op l a t e s a n dl e n g t ho ft e s t i n gs l o ta n dm a t e r i a ld i e l e c t r i cc o n s t a n ta s 2 w e l l 觞a i r , a r ea n a l y z e d a n dt h e r ea r es t i l ls o m ed e d u c i n g w o r k ，w h i c hc o u l dh e l p u se x p l a i nt h er e l a t i o nb e t w e e n i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt e s t i n gr e s u l t s ( 5 ) d e v e l o p i n g t h ef i l a m e n tq u a l i t ya s s e s s i n gs y s t e mb yu s e o fl a b v i e w t h es t r u c t u r eo fs y s t e ma n dt h eb a s i cf u n c t i o n s o fa l lm o d u l e sa r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt oy g - 13 2s t a n d a r d s i g n a lp r o d u c e ra n dy g 一1 3 9y a mr e g u l a r i t yt e s t e r , t h es y s t e m c o u l db et e s t e da n dh a sa l s ob e e nr e c o g n i z e db yc l i e n t c a p a c i t o ry a mr e g u l a r i t yt e s t e r , p h o t o e l e c t r i cy a mr e g u l a r i t y t e s t e ra n dy a r nr e g u l a r i t yt e s t e rc o m b i n e dc a p a c i t o rw i t hc c d a r ei n t r o d u c e d a n dt h el a t e s tp r o g r e s s e so fc c dt e s ta r e i n t r o d u c e di nd e t a i l x u ew e n l i a n g ( t e x t i l ee n g i n e e r ) k e y w o r d s ：f i l a m e n t ，q u a l i t ya s s e s s i n g ，e v e n n e s s ， v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w 3 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 良日 ，乏叩 琶丹 签榭听 僻刘& 附件二： 东华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。本人授权东华大学可 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。 保密忉，在竺1 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者繇辱坡 日期。吖年版月邓日 i 指导教师签名： 第一章绪论帚一早三百了匕 1 1 概论 条干均匀度是评定纱线质量的重要指标之一，它不仅对纺织品的 外观和内在质量具有决定性的作用，而且还直接影响纺织生产过程的 稳定性，并对生产实践具有指导意义。因此，条干均匀度的分析和测 量对纺织品的质量控制和提高具有重要意义。 从二十世纪三十年代以来，条干均匀度的分析一直是纺织界的一 个热点，先后提出了不匀率系数，变异系数、不匀率指数、变异长度 曲线、波长谱、自相关函数等描述纱线不匀的指标，并随之产生了相 应的测试方法和设备，应用这些方法和设备，提高纱线质量，是条干 均匀度实践的一个主要内容。1 1 】 应用随机过程理论和建立纱线的数学模型，对条干均匀度的理论 和实践以及测试仪器的研制都具有重要的指导意义。这方面具有代表 性的工作是1 9 6 1 年r a o 在j t i 上所发表的论文，。该文在m a r t i n d a l e 的基础上给出了理想纱线的严格数学定义和相应的数学模型，并导出 了理想纱线的谱密度公式。 2 1 在测试仪器方面，自1 9 4 8 年瑞士蔡尔维格一乌斯特推出第一台 。j g g p a 以来，电容式条干均匀度测试系统已成为市场主流。现有的 条干均匀度测试系统主要有瑞士蔡尔维格一乌斯特公司用于短纤的 u ti b 型、u t b 型、u t i i i b 型、u t b 型等；用于长丝的u t i c 型、u t i i c 型、u t i i i c 型、u t c 型等。日本计量器公司的 k e t 8 0 b 型、k e t 8 0 c 型等。国产电容式条干测试系统有y g l 3 0 c 型、 y g l 3 1 型、y g l 3 3 型、y g l 3 3 a 型、y g l 3 1 c 型、y g l 3 5 m 型以及 y g l 3 9 型等。此类仪器是利用纱线通过由平行金属板组成的空气电容。 器时，随着极板间一段纱线的质量的变化，电容器的电容也相应变化 的原理，由电容的变化量得到纱线细度的不匀率。经过五十多年的发 展，条干均匀度测试系统己先后经历了电子管、晶体管、集成电路等 几个时代，现在又跨入微处理器时代，其特点是普遍采用了数字信号处 理技术对条干均匀度进行分析和测量，数字技术以其稳定、可靠、高 速、灵活等众多优点而大现身手，但是用数字方法取代以往的模拟方 法，必然会引出许多问题，如数字方法与模拟方法的一致性或兼容性 问题、数字方法本身在算法上的优化问题、用数字方法实现模拟方法 难以实现的某些参数的测量问题等等。 本论文引入虚拟仪器这一测试领域的全新概念，利用美国n i 的 图形化编程语言l a b v i e w 开发了虚拟长丝质量评价系统。虚拟仪器 将现有的计算机主流技术，与革新性的灵活软件和高性能模块化硬件 技术结合在一起，建立起功能强大的基于计算机的仪器解决方案。这 种方式不但能享用到个人计算机不断持续增长的性能，还能满足对测 量和自动化系统功能的特定需求。通过利用l a b v i e w 强大的信号分 析和处理技术，以及强大的数据存储和通讯功能，必将纺织测试仪器 的带入一个全新的领域。 1 2 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由 用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种 计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来 模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果：利用计算 机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理：利用i o 接口 设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计 算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台 专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的 界限模糊了。 软件是虚拟仪器中最主要的组成部分，美国n i 公司提供的图形 化编程语言l a b v i e w 为用户提供了一个简单易用的开发环境，可以 让用户非常方便的连接各种各样的硬件产品和其他软件产品。 l a b v l e w 带有现成即用的函数库，用户可以用它集成各种独立台式 仪器、数据采集设备、运动控制和机器视觉产品、g p i b f l e e e 4 8 8 和 2 串e i r s 一2 3 2 设备、p l c s 等，从而开发出一套完整的测量和自动化解 决方案。l a b v i e w 还包含了主要的仪器标准如v i s a 叫p i b 、串 口和v x i 仪器可共用标准；p x i 和基于p x i 系统联盟c o m p a c t p c i 标 准的软硬件；i 可互换虚拟仪器驱动程序：v x ip l u g & p l a y ；v x i 仪器标准驱动程序。l a b v i e w 还提供与a c t i v e x 软件、动态链接库 ( d l l s ) 及其它开发工具的共享之间的开放式连接。同时l a b v i e w 提供了广泛的通讯及数据存储方式，如t c p i p ，o p c ，s q l 数据库 连接，和x m l 数据存储格式。1 3 1 3 条干均匀度的含义 提高成纱品质的基本要素之一是改善纱线不匀问题。在短纤纱的 加工过程中，无论半制品或成品总存在着纤维沿纱线长度方向上的排 列不均匀状态，这是引起纱线其他各种性能不匀的基本原因之一，如 产生了纱线的捻度分布不匀和纱线强力及伸长率不匀等，后三者都是 从属的。在化纤长丝生产过程的每个工序中，因原材料、设备运转状 态和工艺条件的波动都会造成卷绕丝、拉伸丝的条干不均匀，从而影 响纤维的物理机械性能及染色性能，还影响纤维的纺织加工性能。成 纱的条干不匀必然影响机织物或针织物加工的生产效率和成品织物 的外观。因此要改善纱线的品质，就必须首先研究纱线的条干不匀、 不匀的起因及其与其他因素的关联情况。 所谓纱线条干的均匀程度是指纱线沿长度方向粗细变化的情况， 衡量这一变化的指标我们称之为条干均匀度( 条干不匀率) ，实测的 物理量就是纱线单位长度的重量，即线密度的变化，这是当前衡量纱 线条干不匀最主要而又可靠的一种方法。在实际生产中，不仅成品纱 线而且半制品如短纤纱加工中的生条、熟条、粗纱，长丝生产中未牵 伸丝等都要考虑单位长度重量的均匀问题，也就是说都有线密度是否 均匀的问题。条干均匀度测试系统就是用来检测这种不匀的仪器。 纱线条干不均匀主要是由于纱线的纤维性质不匀，纱线内纤维根 数分布不等，设备状态不良及工艺配置不当等原因造成。对短纤纱来 说，由于纤维在纱线中随机分布以及纤维本身粗细不匀造成的条干不 匀是一种随机性不匀，因而也称“非周期性不匀 ；由于加工机械状 态不良如导条、牵伸、卷绕等部分的齿轮、罗拉、轴等零件的磨损、 偏心、弯曲造成的不匀则有着明显的周期性，称之为“周期性不匀”， 因此而产生的不匀波叫“机械波 ；因牵伸工艺配置不当导致牵伸区 存在着得不到适当握持的浮游纤维而造成的纱线不匀是近周期性不 匀，叫做“牵伸波 。对于长丝来说，不存在因为纤维的随机分布造 成的不匀，这是与短纤纱不同的。但同样存在着因加工机械状态不良 造成的周期性不匀和纺丝工艺不完善产生的近周期性不匀。 1 4 条干均匀度的分析 1 4 1 背景概述 条干均匀度的早期分析主要是用变异系数或不匀率系数表示纱 线线密度的不匀，这是数理统计方法的初步应用。1 9 4 5 年，m a r t i n d a l e t 4 j 指出任何纺织机械都无法严格控制纤维在纱线中的位置，从而纤维在 纱线中的排列是随机的，或者说，各纤维相互独立且在纱线各处出现 的机会完全均等时，纱线所具有的不匀率。由于这种纤维排列充分随 机的纱线是一个理想的概念，实际中并不存在，所以称为理想纱线， 相应地，极限不匀率也称理想不匀率。m a r t i n d a l e 认为，极限不匀率 主要是由于纤维的随机排列所引起的，任何实际纱线的不匀都不可能 低于极限不匀率，这个概念改变了以往把粗细绝对均匀的纱线作为衡 量标准的做法。 19 51 年，t o w n s e n d 和c o x 5 1 在变异系数的基础上发展了变异一 长度曲线，主要用于反映纱线不匀率与片段长度之间的关系，以比较 全面地描述不匀率的统计特性。 进一步的研究成果是发展了波长谱分析方法【6 】，由于它能够比较 准确和直观地描述纱线不匀中的各种周期性成分，后来成为分析纱线 周期性不匀的最主要手段。 1 9 6 1 年r a o 7 】给出了理想纱线的严格数学定义，即所谓理想纱线， 是指满足下列四个假设条件的一种无限长结构： ( 1 ) 所有纤维完全伸直且平行于纱线的轴向； 4 ( 2 ) 在纱线上任取一原点，工是离开原点有向距离，即坐标，则在区 间( 工，x + d x ) 中恰好发现一个纤维左( 右) 端头的概率为 v 西+ o ( 鳓，其中v 与工无关，0 表示高阶无穷小； ( 3 ) 单根纤维的线密度均匀不变，不同纤维之间的线密度可以不同， 但其分布与纤维长度无关； ( 4 ) 各纤维的左( 右) 端头在x 轴上的分布相互独立。 定义中的( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 实质上是对m a r t i n d a l e 在【8 】中对理想纱 线所描述的“纤维排列完全随机”的一种具体化和严格化。在这个定 义下，r a o 运用随机过程理论对理想纱线进行了统计分析和功率谱分 析，获得了理想纱线的数学模型，成为后来纱线不匀率分析的理论依 据。 1 4 2 数学定义 1 4 2 1 变异系数c v t 9 变异系数c v 可用下图表示： 图1 - 1 变异系数c v g l t t 图中：m 一纱线质量；i 一纱线质量平均值；s 一标准差。 当纤维在纱线中均匀分布时，质量的变化可认为是接近常态分 布，质量变化的大小可以标准差s 度量，s 即常态分布曲线上拐点至 平均值之间的距离。标准差除以平均值即为变异系数c v 。其式如下： c v ：s y 1 4 2 2 周期性质量变异【1 0 】 周期性质量变异不仅存在于成纱以前的制品中，而且也在成纱中 经常发生。在多数情况下，这种类型的疵点不能从不匀曲线图辨认和 分析，而需凭借频谱图。因为频谱图是以频率域来表示质量变异的， 而不匀曲线图则是以时间域表示的。 时间t 图1 2 曲线图与频谱图 f l 时间t 因此，如果在纤维材料中有一个频率为石的周期性疵点，则频谱 图在 的位置上的高度将有所增加。由于在纺织试验中，频率谱不很 实用，因而人们总是以波长作基准来表示该种试验。在频率与波长之 间有一简单的关系： 图1 3 波长示意图 穰面 图中：厂一频率( 秒1 ) ，厂= 要；五一波长( 米) ； v 一材料速度( 米秒) 。 波长直接表明了周期性疵点重复出现的距离。波谱仪绘制的曲线 6 为波长谱，一般我们也称做波谱图。 图1 - 4 波谱图 波长 由于纱线中纤维的随机排列，即使用等长的纤维和设计十分完善 的纺纱机纺出的理想纱线，也具有一定数值的不匀率，称为极限不匀 率，极限不匀率纱线的波谱图称为理想波谱图。对于等长纤维，可从 理论上推导得出其理想波谱图，即： s i n 三鱼 池见) 2 忑1 。音 ( 1 1 ) 、名 式中：名一波长：s o o g a ) 波长取对数坐标的振幅；1 0 一纤维长度； 刀一纱线截面内平均纤维根数。 对于这种特定的纱线，波谱图的最大值位于2 7 1 。波长处，在长 度，。处，波谱曲线处于零位。 绣缝襞爱 铀s 绷1 0 0 1 1 i k氛 耄 图1 5 纤维长度与波谱图 竣钕孔 如纱线内纤维不等长( 纤维排列图如图1 6 ) ，则可用近似方法计 算理想纱线的波谱图，其公式为： 7 s ( 1 0 9 2 ) = 筹 ( 孕一s i n 孕) 一( 等一跏孕 _ 2 ， 式中：k = 告。 、万阼 由天然纤维或长度不等的合成纤维构成的理想纱线波谱图如下： 纤维长度l 图1 6 理想纱线波谱图 渡长泰 在这种情况下，波谱图为一单峰曲线，其最高峰位于2 8 2 倍纤维 平均长度处，即： 兄最高峰= 2 8 2 ， 式中：，一纤维平均长度，或图1 - 6 中a 和b 值的平均值，即 j 堡旦 2 需要注意的是，上式中所采用的纤维平均长度j 是以重量加权的 纤维平均长度，或可记作i 。 1 5 纱线质量评价方法的发展历史 第一台电容式条干均匀度测试系统是由瑞士u s t e r 公司于1 9 4 8 年推出的g g p a 型，其后，随着所用电子器件由电子管向晶体管、 集成电路的发展以及所测试样的专用化，该公司又先后推出了g g p - b 、 g g p - c 、u t - ib 、u t - ic 、u t - i ib 、u t - i ic 、u t - i i i b 、u t - m c 、u t i v b 、 u t 一c 、u t is 、m i n i - u t 等系列产品。与发展条干均匀度测试系统 相并行，该公司从1 9 4 9 年开始建立了自己的标准，称为乌斯特统计 8 值( u s t e rs t a t i s t i c s ) ，它提供各种纺纱系统生产的细纱、粗纱和条子 的条干均匀度的世界水平动态，每隔几年进行一次更新，然后以( ( u s t e r n e w sb u l l e t i n ) ) 的方式发到各用户厂去。因此，乌斯特统计值连同其 测试仪器虽然不是国际标准，却被广泛使用，各国公认其为衡量和提 高纱线质量水平的一个主要手段。 我国早在五十年代就有人进行条干均匀度测试系统的研制工作， 但限于当时我国的电子技术水平以及条干均匀度测试系统本身所具 有的难度，未获成功。至八十年代中期，情况有所改变。一方面，国 产晶体管和集成电路生产技术已具有相当的水平，某些特殊元器件也 能找到固定的进口渠道，这为模拟电路型条干均匀度测试系统的研制 提供了条件。另一方面，数字信号处理技术的迅速发展和日本在条干 均匀度测试系统中应用数字技术的成功经验为我国数字电路型条干 均匀度测试系统的研制打下了基础，其结果是：由电子部长岭机器厂、 纺织部纺织科学研究院、陕西省纺织公司和西安交通大学组成的联合 研制小组于1 9 8 6 年研制成功了我国第一台条干均匀度测试系统 基于数字方法的y g l 3l 型半自动条干均匀度测试系统；紧接着，航 空部长风机械总厂和上海棉纺织技术研究所于1 9 8 7 年也联合研制成 功了基于模拟方法的y g l 3 3 型全自动条干均匀度测试系统；1 9 9 0 年， 长岭机器厂、西安交通大学和纺织科学研究院在y g l 3 1 的基础上， 又联合研制了适用于长丝的y g l 3 1 c 型条干均匀度测试系统。这些条 干均匀度测试系统都可与乌斯特同型条干均匀度测试系统等同使用， 在某些方面甚至有所发展和创新，因而结束了我国条干均匀度测试系 统长期依靠进口的局面。 电容式条干均匀度测试系统是利用纱线通过由平行极板组成的 空气电容器时，随着极板问一定长度纱线的质量变化，电容器的电容 值也发生相应变化的原理，将采集到的信号经过数据处理后得到纱线 细度的不匀率、纱疵数、波谱图以及曲线图等指标。 电容式条干均匀度测试系统面世以来，随着信号处理技术和计算 机科技的进步，性能指标和整机结构都得到了不断地改进和提高，从 9 初级到高级大体经历了四个发展阶段：模拟式条干均匀度测试系统、 数字式条干均匀度测试系统、多单片机或初级d s p 与计算机显示组 合而成的条干均匀度测试系统、以及“软件就是仪器”的全数字化虚 拟条干均匀度测试系统。目前，市面上供应的主要是后两种电容式条 干均匀度测试系统，或可称为第三代、第四代电容式条干均匀度测试 系统。 1 6 本课题的目的、意义和研究内容 1 6 1 目的和意义 本课题组联合上海中方宝达纺织智能仪器有限公司共同开发了 虚拟长丝质量评价系统。由中方宝达纺织智能仪器有限公司提供硬件 设备，本课题组负责软件开发。 目前，世界上生产长丝条干均匀度测试系统的只有瑞士乌斯特和 国内长岭纺电。本课题组引入虚拟仪器的概念，利用美国n i 公司提 供的l a b v i e w 图形化编程语言，通过设计新型的气流控制系统，开 发了虚拟长丝质量评价系统。目前纺织领域利用l a b v i e w 开发的虚 拟仪器主要有上海毛麻科学技术研究所的“服装面料质量测定系统 以及东华大学机械学院的“纱线动态张力检测系统 。本课题的研究 主要存在两方面的意义：一、通过对长丝质量评价系统的研发，为下 一步短纤质量评价系统的开发打下较好的基础；二、通过引入虚拟仪 器的概念，为其他各类纺织检测仪器的改造提供借鉴。 1 6 2 研究内容 本文通过引入虚拟仪器的概念，介绍了其组成结构与特点，同时 针对条干均匀度测试系统的现状，从基本原理入手，提出利用现有的 技术对其进行改造的观点，最终开发出虚拟长丝质量评价系统。其具 体内容包括以下几个部分： ( 1 ) 对长丝评价指标，评价方法以及虚拟仪器的介绍。目前，世界 上生产长丝条干均匀度测试系统的只有瑞士乌斯特和国内长岭 纺电。本课题组引入虚拟仪器的概念，利用美国n i 公司提供的 l a b v i e w 图形化编程语言，通过设计新型的气流控制系统，开 l o 发了虚拟长丝质量评价系统。 ( 2 ) 虚拟仪器的含义与组成。虚拟仪器系统实质上是一种计算机系 统，它必须有硬件和软件的支持才能正常的工作，它的硬件包 括计算机和i o 接口设备。当硬件平台确定后，仪器的测控功 能就完全决定于软件系统，即所谓的“软件就是仪器”。 ( 3 ) 波谱图的测量算法。介绍了如何根据傅立叶变换，将纱线质量 不匀函数转换成波谱图。利用波谱图可迅速找出机台产生不匀 的机件，进行修理或调换，以消除原因，提高设备维护及工艺 管理水平，因而波谱分析是保证产品质量的一个重要手段。 ( 4 ) 长丝质量评价系统的基本原理。对影响测量的些因素，包括 测量槽的间隔、长度、原料介电系数以及气流作用等，做了具 体分析。并进行了一些具体的推导工作，希望能从理论上解释 各影响因素与最终测试结果之间的关系。 ( 5 ) 如何利用l a b v i e w 来实现长丝质量评价功能。介绍了整个系统 的框架结构以及各模块的基本功能与实现方法，同时如何对系 统进行有效验证。通过y g 1 3 2 型条干测试系统标准信号发生 器以及y g l 3 9 型纱线条干均匀度测试系统加以验证，并且最终 通过客户的实际使用加以认可。 ( 6 ) 本课题组的最新研究成果及发展方向。介绍了光电评价方法、 电容评价方法以及最新的电容式与c c d 联合评价方法。并具体 介绍了本课题组目前在c c d 检测方法上取得的突破性进展。 参考文献： 【1 】邱燕炜，信号处理在条干均匀度分析和测量中的研究和应用，1 9 9 3 年西安交通大学博士论文，p 1 ； 【2 】j s u d e r s a n ar a o ，am a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h ei d e a ls l i v e ra n di t s a p p l i c a t i o n st ot h e 硼o r yo fr o l l e rd r a f t i n g ，j t i ，v 0 1 5 2 ，19 6 1 ， p 5 7 0 6 0 0 ； 【3 】l a b v i e w t m7e x p r e s s 白皮书； 【4 】j a m a t t h e w ，ar e v i e wo f m e t h o d so f m e a s u r i n g t h ei r r e g u l a r i t yo f f l a xr o v e sa n dy a r n s ，j t i ，v 0 1 4 1 ，1 9 5 0 ，p 4 8 6 5 0 2 ； 【5 】m w h t o w n s e n d a n d d r c o x ，“t h ea n a l y s i s o fy a r n i r r e g u l a r i t y ，”j t 1 ，v 0 1 4 2 ，19 5l ，p 1 0 7 一l1 3 ； 【6 】w w e g e n e ra n dr g u s e ，t e x t i l - p r x i s ，v 0 1 2 5 ，19 7 0 ，p 8 9 ； 【7 】j s u d e r s a n ar a o ，“am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ei d e a ls l i v e ra n di t s a p p l i c a t i o n st ot h et h e o r yo fr o l l e rd r a f t i n g ，“j t i ，v 0 1 5 2 ， 1 9 6 1 ，p 5 7 0 6 0 0 ； 8 】j g m a r t i n d a l e ，an e wm e t h o do fm e a s u r i n gt h ei r r e g u l a r i t yo f y a r n s 、析t l ls o m eo b s e r v a t i o n so nt h eo r i g i no fi r r e g u l a r i t i e si n w o r s t e ds l i v e r sa n dy a m s ”，j t i ，v 0 1 3 6 ，1 9 4 5 ，p 3 5 - 4 7 ： 9 】乌斯特化纤长丝条干均匀度测试系统应用手册，p 2 2 2 3 ； 1 0 乌斯特化纤长丝条干均匀度测试系统应用手册，p 3 7 6 4 ； 【1 1 】宋湛华，乌斯特条干均匀度测试系统简析，标准与质量，2 0 0 2 ， p 1 0 2 1 1 0 ； 1 2 徐世栋，两种评定纱线条干均匀度技术的分析，棉纺织技术，2 0 0 2 年1 2 月，p 2 9 3 1 ； 1 3 r 0 君华，贾惠芹，丁晖，阎晓艳，虚拟仪器图形化编程语言 l a b v i e w 教程，西安电子科技大学出版社； 【1 4 】朱哲林，d a q 和l a b v i e w 用于服装面料的质量测定，基于计算 机的测量和自动化应用方案文集，p 1 3 6 1 3 8 ： 1 5 】熊云，基于l a b v l e w 的纱线动态张力检测系统，基于计算机的 测量和自动化应用方案文集，p 1 3 9 1 4 2 ； 1 6 】宋湛华，乌斯特条干均匀度测试系统的波谱分析，标准与质量， 2 0 0 3 ，p 1 5 - 2 5 ： 【1 7 】李向红，马军译，一种新型纱线分析系统，国外纺织技术，2 0 0 2 年第九期，p 3 7 ： 【1 8 】王艳琳，u s t 条干测试系统测试的影响因素及控制，合成纤维工 1 2 业，2 0 0 1 年四月，p 6 4 6 6 ： 1 9 李建群，从c i t m e 2 0 0 2 上看国产纺仪的崛起，纺织导报，2 0 0 3 ， 1 ，p 4 2 - - 4 3 ： 【2 0 沈介华，从条干测试系统的技术进步看微机有纺织仪器中的地位， 陕西纺织，1 9 9 7 ，4 ，p 4 9 5 1 ： 【2 1 】胡智敏，张一心，数字化条干测试系统的测试原理及应用，北京 纺织，2 0 0 2 年8 月，p 5 4 5 7 ： 【2 2 张洪武，电容式条干测试系统专家分析软件的使用，上海纺织科 技，2 0 0 2 年4 月，p 2 3 ； 【2 3 温江涛，孙洁娣，基于虚拟仪器的测量网络研究，自动化与仪器仪 表，2 0 0 3 ( 3 ) ，p 13 15 ； 【2 4 玄兆燕，常秀辉，刘兆妍，在于虚拟技术的计算机辅助教学，中 国仪器仪表，2 0 0 3 ( 4 ) ，p 8 9 ； 【2 5 】曾孟雄，吴海华，基于l a b v i e w 平台的虚拟滤波器设计，三峡 大学学报：自然科学版，2 0 0 3 ，2 5 ( 2 ) ，p 15 3 15 6 ； 【2 6 余小燕，基于l a b v i e w 的虚拟仪器进入实验教学的研究，煤炭 技术，2 0 0 3 ，2 2 ( 2 ) ，p 6 8 7 0 。 第二章虚拟仪器的含义与组成 测试技术随着大规模集成电路技术、计算机技术、信号处理技术、 软件技术的飞跃发展，许多原来由硬件才能完成的功能，今天都能依 靠软件来完成，美国n i 公司提出的“软件就是仪器”的口号，彻底打 破了传统测试仪器只能由生产厂家定义、用户无法改变的局面，使人 们认识到虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动 化的关键。本课题正是引入虚拟仪器技术开发了长丝质量评价系统， 希望能为纺织仪器的全面提升起到抛砖引玉的效果。 2 1 虚拟仪器的含义【1 2 】 虚拟仪器技术是近十几年发展起来的新技术，是现代测量技术、 通信技术、仪器技术和计算机技术的集合。虚拟仪器概念的提出是对 传统仪器概念的突破，使得仪器与计算机之间的界线消失，是仪器技 术领域的一次革命。 什么叫虚拟仪器? 目前还没有确切的定义，专家们从不同的角度 对虚拟仪器所作的定义有：虚拟仪器是看起来并在感觉上与物理仪器 相同的软件包；虚拟仪器是由计算机、仪器硬件、固件和应用软件组 成的测量机械；虚拟仪器是指用个人计算机和有关硬件与软件使之具 有传统独立仪器功能的组合。本文认为比较有代表性的定义是：虚拟 仪器是在以通用计算机为核心、配置有i o 接口设备的硬件平台上， 由用户设计定义，具有虚拟面板，测控功能由测控软件实现的一种计 算机系统。 虚拟仪器系统实质上是一种计算机系统，它必须有硬件和软件的 支持才能正常的工作，它的硬件包括计算机和i o 接口设备。当硬件 平台确定后，仪器的测控功能就完全决定于软件系统，即所谓的“软 件就是仪器 。 虚拟仪器中虚拟的含义主要包括： ( 1 ) 虚拟的仪器面板，虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板 1 4 上的各种“器件”所完成的功能是相同的，传统仪器面板上的器件 都是实物，而且是用手动和触模进行操作的，而虚拟仪器面板控 件是外形与实物相像的图标，其操作对应着相应的软件程序，使 用鼠标或键盘操作虚拟面板的控件，就如使用一台实际的仪器； ( 2 ) 虚拟仪器的测控功能是通过软件编程来实现的，而传统的仪器特 别是早期的仪器，它的功能是通过硬件来实现的。 2 2 虚拟仪器的组成【l 3 】 虚拟仪器系统实质上是一个计算机系统，它要完成所设计的功 能，必须有其软、硬件的支撑，虚拟仪器的系统组成见图2 1 。硬件 平台包括通用的计算机系统( p c i 作站) 和u o 系统( p c d a q 系统， g p i b 系统，v x i 系统，p x i 系统，串口系统) ，完成信号的采集、处理、 控制和显示。软件则集成了实现虚拟面板功能、定义测试功能、驱动 硬件设备、进行仪器数据库的管理等多种功能，提高了虚拟仪器系统 的开发效率，起到事半功倍的作用。以下介绍一些常用的硬件平台和 虚拟仪器的开发软件。 i o 系统 p c - d a q 系统 p c 工作站 i 测控对象卜一 g p i b 系统 。_ _ - _ - l _ v x i 系统 软件系统 p x i 系统 串口系统 图2 1 虚拟仪器的组成 2 2 1 虚拟仪器硬件开发平台【4 5 - 6 】 ( 1 ) 计算机系统 p c 机或工作站，是虚拟仪器系统的核心，它完成数据的处理和结 果的显示。利用计算机图形显示技术和多媒体技术，将复杂的数据计 算和数据处理推向后台，用数字、曲线、图像、图形、声音等形式提 供给用户测控的结果。 ( 2 ) i o 接口设备 它主要完成被测控信号的采集、放大、转换( a d ，d a ) 。常 用的i o 接口系统有： p c d