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【一 摘要 高速并条机微机控制在线检测系统的研究 摘要 高速并条机微机控制在线检测系统足并条机中的重要电气控 制环节之一，它的功能是在并条机高速生产条件下检测、分析熟 ， 条质量。【它可以连续不问断的显示熟条的不匀指标和小匀曲线， 从而可以准确的判断不匀率出现的原因。系统可以单独使用，也 可以和自调匀整装置配合使用，将信号反馈到自调匀整数据处理 、 没备之中，为计算匀整量提供熟条条干信息。7 一y “ 本文设计r 气流法检测棉条不匀的传感器，论述r 检测传感 器的设计原理及构成，提出r 一种薄膜和线性霍尔元件组合的新 型传感器。文中通过数学分析和实验相结合的方法对传感器的静 态特性和动态特性进行了实验与讨论，并确定了传感器系统的相 关函数关系。 ， f 系统的硬件部分包括棉条不匀检测传感器、信号处理电路、 数据采集卡和微机( 或者是单片机处理系统和机台间集中通讯系 统) 。系统的软件是用v i s u a lb a s i c6 0 开发的w i n 3 2 应用程序， 程序对从数据采集卡获取的数据进行分析、计算，然后绘制不匀 曲线图和波谱图，并显示当前棉条不同片段长= 度的不匀率和c v 值。 程序还具有棉条超标报警功能，当熟条不匀率超过设定值时或有 、 明显规律性不匀时，系统使机器停车并显示警告信息。卜、 r ) 、 摘瘿 奉义通过人置的萨氏条粗条下均匀度仪对比试验和乌斯特条 下均匀度仪对比试验，对往线检测系统进行了全而的测试，分析 r1 i 同条件卜系统t 作的稳定性和检测的准确性。 关键词：高速并条机，在线检测，熟条条干，微机控制 摘要 r e s e a r c ho nt h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e d o n li n et e s ts y s t e mo f h i g h s p e e dd r a w i n gf r a m e a b s t r a c t c o m p u t e rc o n t r o l l e do n l i n et e s t e ri sa ni m p o r t a n tp a r t o fm o d e r n h i g h s p e e d d r a w i n g f r a m e it s f u n c t i o n sa r e t e s t i n ga n da n a l y z i n gt h er e g u l a r i t yo fd r a w ns l jv e ra l l i g h s p e e d t tc a nd i s p l a yt h es l i v e tu n e v e n n e s si n d e x e sa n dt h e i r r e g u l a r it yc u r v ec o n t i n u o u s l y i tc a nb eu s e ds e p a r a t e l y o ru s e dw i t hs e l f r e g u l a t i o ne q u i p m e n t s oi t c a nf e e db a e k t h e s i g n a l t o s e l f r e g u l a t i o nd e v i c et o s u p p l y t h o d r a w n s l i v e r i r r e g u l a r i t yi n f o r m a t i o n 1 h es e n s o rt om e a s u r et h e i r t e g u l a r i t yo ft h es l i v e rj s d e s i g n e di nt h et e x t t h ed e s i g np r i n c i p l ea n d c o n s t it u t e a r ed i s c u s s e d an e ws e n s o rc o m b i n e d b yf i l ma n d1 i n e a r h a l l s e n s o ri sp u tf o r w a r d s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r s a r e t e s t e da n dd i s c u s s e d b ym e t h o d so fm a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t s t h ei n o u tf u n c t i o no ft h e m e a s u r es y s t e mi s a l s od e t e r m i n e di n t h ep r o c e s s h a r d w a r eo ft h es y s t e mi s i n c l u d i n gt h es e f l s o rt om e a s u r e t h e i r r e g u l a r i t yo ft h es l i v e r ， m a g n i f i c a t i o n a n df i l t e r 摘要 c i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dc o m p u t e r s o f t w a r eo ft h e s y s t e mi saw i n 3 2p r o g r a md e s i g n e db yv is u a lb a s i c6 0 r h e p r o g r a ma r i a iy z ea n dc a l c u l a t et h ed a t aa c q u ir e df r o mt h ed a t a a c q u i s it i o nc a r d ，t h e m p r o t r a c tu n e v e n n e s s g r a p h a n d s p e c t r u mp i c t u r e a tt i l es a m et i m e ，t h ei r r e g u l a r i t ya n dc v v a l u eo ft h ec u r r e n ts l i v e ra r ed i s p l a y e d t h ep r o g r a ma l s o h a sa l a r mf u n c t i o nw h e nt h es l i v e re x c e e d i n gt h ei n d e x w h e n l h e i t r e g u l a r i t yo ft h ed r a w ns l i v e re x c e e d i n gt h e p r e s e l ”l u eo ro b vio u sr e g u la ru n e v e n n e s sb e i n gd e t e ct e d ，d r a win g f r a m ew i l lb es t o p p e da n dw a r n i n gi n f o r m a t i o n w i l ld is p l a y e d b y t h es y s t e m p l e n t y o f e x p e r i m e n t so ns a e o l o w e l l g r a p h i cs 1i v e r t e s t e ra n du s t e ru n e v e n n e s st e s t e rw e r ec a r r i e do u tt ot e s t t h eo n 一1 i n et e s ts y s t e me n t i r e l y t h es t a b i l i t ya n dv e r a c jl y a r ea n a ly z e du n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n k e y w o r d s ：h i g hs p e e d d r a w i n gf r a m e ，o n - 1i n el e s t 1 r r e g u l a r it yo fd r a w n s l i v e r ， m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l y a n gh o n g s h a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f j i a n gy i k u a n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 棉条条干检测概述 棉条是棉纺工艺中的半成品，它的均匀度对前方各工序的产晶 质量有很大影响。所以熟条条干一直是纺纱试验室的一个重要检 测项目。 棉条检测的途径有两种：离线检测和在线检测。离线检测是对 棉条进行随机取样，然后在实验室里对棉条进行各项指标检测。 在线检测是在并条机的输出部分安装棉条不匀检测传感器，在棉 条生产过程中实时的对棉条质量进行检测。离线检测和在线检测 的根本区别在于：离线检测只能随机条件下对生产线的棉条进行 定时定点采样，只能判断周期性不匀。 离线检测在线检测已成为现代高速并条机k 不可缺少的技术 环节。通过在线检测系统可以获得棉条的不匀指标，并能查看有 无严重的棉条规律性不匀和意外突发性不匀，可以显示及打印记 录也可通过接口和其它分析仪器通讯，作进一步分析。 1 1 1 离线检测概述 棉条离线检测的方法有手工检测法和仪器检测法。手工检测法 最常用的是切段称重法，将棉条切成l m 长的条段，然后烘干称重， 再计算其不匀率指标。仪器检测法有两种，一种是萨氏条干均匀 度仪检测法，其原理是利用一对凹凸轮将棉条压缩，并利用杠 杆将棉条厚度的变化放大1 0 0 倍，而且棉条速度是走纸速度的1 0 倍。这样在萨氏条图上，纵坐标代表放大了1 0 0 倍的棉条不匀率， 横坐标是缩小了1 0 倍的棉条长度。切段法和萨氏条干法的一个共 同缺陷是准确度较差。 另一种是电容式条干均匀度仪检测法”1 ，它是应用电容检测原 第一章绪论 理制成的，当棉条通过电容的两个极板之间时，极板上的电荷会 随棉条的粗细而变化。这样就将纱条短片段重量变化转换成了的 电讯号变化，从而可以测定试样的短片段不匀率。其缺陷是对环 境要求高，检测周期长，试样需在标准条件下平衡2 4 小时。电容 式检测用的最多的是乌斯特条于均匀度仪，y g l 3 3 是国产的电容式 条干均匀度仪。但是离线检测即使使用了再先进的设备，其检测 的目的性再强，因为在一个工作日中只是几分钟抽测，其检测过 程是间断的，漏掉了大量有价值的棉条状况。离线抽样检测只能 对规律性不匀做出测定，而对过渡过程、意外牵伸、机械故障及 定点定时分析等无法做出任何准确测量”。 1 1 2 在线检测概述 在线检测技术是近十几年发展起来的。在以前并条机出条速度 比较低且自动化水平也较低时，生产率也比较低，在线检测作用 目渐显著。但随着新型并条机出条速度的不断提高( 有些机器的 最高出条速度已经达到1 0 0 0 m m i l 3 以卜) ，在线检测和自调匀整 的作用日益重要。在高速生产条件下为保证棉条的质量许多新型 并条机都安装了自调匀整和在线检测装置。在线检测可以和自调 匀整装置配合使用，既可作为自调匀整的反馈信号源，用于调节 和检测长片段不匀，又可以检测白调匀整的匀整效果。另外存线 检测系统也可独立安装使用，检测输出棉条的质量。在线检测系 统一般有检测传感器、信号处理电路、数据计算处理器和结果显 示输出设备等组成“5 6 、。检测传感器一般安装在棉条的输出部 位，用于将棉条的不匀转换成电讯号。信号处理电路包括放大电 路和抗干扰电路，数据计算处理器一般是单片机或计算机，它可 以通过采集的数据计算棉条的各项不匀指标。显示输出器是显示 和打印检测结果的设备显示设备是显示器或显示屏，打印设备是 打印机。它们显示或打印棉条的不匀曲线和各项不匀指标值，显 示输出设备经常是被数据处理器驱动工作的。在线检测的数据处 第。章绪论 理器还可以相互通讯，使检测结果可以集中管理和存档。在目前 大硬荔条件下，对在线检测数据进行氏期保存，以作为分析和调 整工艺参数的依据。 1 2 国外对棉条在线检测系统的研究 国外在线检测系统近几年发展很快，瑞士r e it e r 公司在1 9 9 7 年推出的新型并条机r s b - - d 3 0 上安装了独立的在线棉条质量检测 器r q m ( r j t e rq u a l i t ym o n i t o r ) 。该在线检测器与并条机自 调匀整系统是完全独立工作的，它时时都在监测并条机输出棉条 的质量情况。如果棉条指标超过设定的界限，机器马上停车，并 报警。质量监测器可提供所有有关的质量及生产数据，如棉条实 际重量偏差a 值的大小，棉条1 、3 、5 米长实际c v 值的大小。 乌斯特公司也开发了一些在线测试仪器，作为棉条输出设备的 可选安装件“，它们包括( 1 ) u s t e r 并条机控制系统( u s t e r s li v e rc o n t r 0 1 ) ，适用于高性能的单眼式或双眼式并条机的乌斯 特自调匀整系统，可保证对短片段和长片段不匀进行调整。独立 于自调匀整的检测系统可保证棉条生产的持续高质鼍。( 2 ) u s t e r 条子数据系统( u s t e rs l i v e r d a t a ) ，它监测整个前纺工序的生 产过程，在并条机、梳棉机、精梳机上，u s t e rf p 型传感器在连 续的测定条子的支数变异、条干不匀率、波谱图和粗节。一旦他 们超过了预定的质量波动允许范围，u s t e rs l i v e r d a t a 立即报警 和停止相应的机台生产。各台机器、一组机台或整条生产线条子 的产量、品质情况备记录在专门的报告上，出现的故障及其原因 就可以立即辨认出来并有效地加以清除。( 3 ) u s t e r 条子监测报 警器( u s t e rs l i v e r a l a r m ) ，可独赢用于单台机上，如并条机、梳 棉机、精梳机等。一旦条子支数或条干不匀率超出了选定的界限， 检测设备立即停止机台的运行。( 3 ) t j s t e r 质量监测器( u s t e r q u a l i t ym o n i t o r ) ，它监测并条机、梳棉机、精梳机输出条子的 第一章绪论 支数与不匀率。它是机器的一部分，检测界限值经机台的操作终 端发定输入。 意大利u s c 型自调匀整装置是由v o u k 公司和u s t e r 公司合作 生产的的开环式短片段自调匀整装置“，该装置在并条机输出端 装有检测喇叭头，在线检测匀整结果。信息在反馈传递至微机， 并在荧光屏上以数字及图表方式显示出反映条子质量的数据，如 重量偏差( a ) ，条于c v 值，不同片段( 1 、3 、1 0 、1 0 0 m ) 重量 c v 值。在线检测系统还能不断校对出条定量和实际条干不匀率， 如果超出已设定的报警界限，并条机自动停车，相应的信号灯发 出报警信号。显示装置能随时显示多项工艺质量、产量等统计数 据。目前在v o u k 公司的s h 8 0 2 和曰本樱花8 0 0 型并条机上配套使 用。 1 3 国内并条机在线检测系统的研究与发展 国内纺织研究机构和纺织机械生产企业也在吸收和借鉴国外 同类产品的基础上，开发了几种高速并条机在线检测系统“3 “” ”、。但目前国内的线检测系统往往是作为自调匀整的辅助部分研 究开发的。洛阳航空第六研究所开发的b y z 自调匀整系统是在吸 收u s t e r 自调匀整的优点而研制的，该系统将棉条集束喇叭口改 装，并安装了气流检测装霞，可以检测棉条重量不匀率，并能显 示屏上显示波谱图和重量不匀率和重量偏差。改自调匀整装置在 国产f a 3 1 9 型并条机上使用。 中国纺织科学研究院研制的高速并条机自调匀整器既具有棉 条匀整功能又能检测输出棉条不匀率。其检测元件是原大压辊处 的一对阶梯罗拉。阶梯罗拉上的位移传感器将棉条粗细信号送入 微机控制器，计算匀整量，并驱动电机，调节罗拉变速。阶梯罗 拉检测的棉条粗细信号就代表了输出棉条的不匀状况，所以该系 统具有在线检测功能，将信号变换后可显示不匀率及不匀曲线等。 上二海纺织机械厂和瑞士乌斯特公司合作在f a 3 1 6 ( b z ) 型并条 机上安装的u s c 短片段自调匀整装置具有在线检测功能。航空 二 业总公司6 1 3 研究所开发的f a 3 2 3 型并条机配置f p 型在线检测喇 叭口，并具有在线显示终端。沈阳纺织机械厂开发的f a 3 2 6 型并 条机配置了具有在线检测功能的国产b y d 自调匀整装置。 1 4 本课题的目的与意义 棉条的质量是生产无疵点纱线的关键，因为纱上的许多疵点都 来自梳棉机或并条机。末道并条机上没有检测到的不匀将不可避 免地进入细纱车间，这些有问题的棉条会导致成纱疵点的火大增 加。 因为纱条对成纱质量有很大的影响，所以生产劣质棉条的代价 是相当大的，在棉条的生产过程中没有质量监控进行生产所冒的 风险太大了。现在纺纱厂要花费相当大的人力去对棉条的定量作 常规测试，常规测试的方法多是萨氏条干法，切段称重法。 这些方法不仅费时，而且不能连续测试，测量结果也不是都很 准确。一个班也仅测试一、二批样品，不能确定全部棉条百分之 百的质量保证。 本课题的目的和意义： l 、国内在线检测系统的研究还很不成熟，仅处在仿制和研究 阶段。急需一种结构简单，器件先进，检测精度高的新型在线检 测系统。 2 、现有的国内外产品存在一定的缺陷，尚没找到最佳设计途 径，以至于呈现性能差、机构有待改进、无法解决堵花等问题。 3 、在并条机上安装在线检测装置能在很大程度上提高机器的 自动化水平，可以毫无遗漏的检测到任何生产时刻的棉条不匀状 况，并可以将熟条不匀信息反馈到自调匀整设备，用于计算匀整 第一章绪论 里o 4 、在线检测系统的能最快的发现各种棉条规律性不匀和突发 性不匀及各类过渡过程不匀。有助于尽快发现故障从而减少不合 格棉条的产生，其保存数据和曲线还为调整工艺、确定机器状态 做了最有说服力的分析依据。 1 4 本课题具体研究内容 结合本课题的研究目的和意义，本课题的研究内容如下： 在线检测系统中棉条检测传感器的设计，检测系统数学模型的 建立及模型中参数的确定。检测传感器静态、动态特性的分析。 在线检测系统微机控制软件的开发，包括数据的转换、计算， 不匀曲线的绘制与显示，在线条干专家分析系统的实时分析功能， 以及系统的通讯功能，包括系统间的数据和结果的共享比较等。 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 2 1 传感器设计 2 1 1 传感器组成 气压敏感薄膜( 钛合金：t i - 6 a 1 - 4 v ，厚度：5 0ut l l ；乳胶膜， 厚度：0 0 4 m m ) ，线性霍尔元件( 型号：c s 3 5 1 5 ，规格： 4 1 2 m m 2 8 4 咖0 9 2 m m ，0 0 7 1 9 ) ，稀土材料磁钢( 材料： n d ( f e ，m o ) ，。n 。规格：5 m m ) 5 m m 2 m m ) ，棉条集束喇叭口。 2 1 2 技术状况 用于棉纺并条机输出喇叭口处，作为检测棉条均匀度的随机 传感器。钛合金薄膜和霍耳组合式传感器安装于喇叭口侧壁，和喇 叭口组成完整的部件，既能完成喇叭口原来的功能又能输出表征 面条均匀度的电压信号。选用钛合金薄膜作为敏感元件是因为钛 合金具有一些优良的特性：瞬态响应迅速；动态性能良好对激励 响应迅速且不变形走样；温度稳定性好，温度变化对其机械性能 影响小：固有频率大，不易与外界激励发生共振，能迅速恢复平 衡状态。在边缘固定的薄板模型中弹性元件的固有频率与输入量 的大小、性质无关，因此，其固有频率可按下式计算”、”1 厶= 掣r o 污py ( 2 一1 ) 式中，e 是弹性模量；1 o 是薄板( 或薄膜) 的直径；p 是材料的密 度。 将钛合金薄膜的e = 1 1 0 2 0 x 1 0 + p a 、t o ：1 6 m m ，p ：4 5 1 0 3 k g m 3 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 代入式( 2 7 ) 得 ：塑! ；，脞型兰罂：9 5 l 1 0 s h z 凡一( 1 6 1 0 3 1 2 、f45 1 0 3 经计算可知钛合金薄膜的固有频率很，所以薄膜能反映棉条 广 中存在的波长很短的不匀。 ： 2 1 3 设计实现 为了达到在线检测棉条0 i 匀的目的，要对原有的集束喇叭口进 行改造。将棉条集束喇叭口的外侧壁打磨出一段平台，在平台壁上 开一个圆形d , - j ：l ，直径5 m m 。在小孔外粘贴内孔直径为1 6 m m 的橡 胶垫，钛合金薄膜的周围粘贴在橡胶垫上，霍尔元件粘贴在钛合 金薄膜中央，磁钢被固定在支架上，支架通过螺栓固定在喇叭口 上。其结构如图( 2 1 ) 所示： 图( 2 - 1 ) l 、钛合金薄膜：2 、线性霍尔元件；3 、磁钢； 除了对现有的棉条集柬喇叭口进行改造以外，还可以重新设 计在线捡测传感器的棉条集束喇叭口。为了实现棉条检测的功能， 8 第二章棉条不匀检测传感器的没计与分析 新设计的棉条喇叭口比现有的长，其结构如图( 2 - - 2 ) 所示 麓 电f下 图( 2 - - 2 ) 这种检测喇叭口的优点在于检测点位于喇叭口内径由粗变细 处，不易受外界空气条件干扰。而且在改变棉条定量或纤维晶科时 可以通过更换喇叭口来改变收缩比( 即喇叭口内径粗细之比) ， 以调节信号的大小。其缺点是不能在现有的老式并条机e 使用，因 为老式并条机从前罗拉到圈条器距离比较近，无法安装这种新型 棉条检测喇叭口。这种检测喇叭口只能安装于新型并条机上，而不 适合老机改造。 2 1 4 霍尔的安装位置及薄膜的选择 霍尔元件的线性工作区的磁场变化范围是+ 9 0 m t ”，经测试稀 土磁钢在与其表面垂直的区域内产生的磁场是随距离线性变化的 磁场：距离0 1 眦处磁场强度是8 7 m t ，0 2 眦处磁场强度是8 5 r n t ， 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 磁场在磁范围内也具有很好的线性度( 线性度小于0 2 ) 。强度 也符合霍尔元件的工作的范围( 霍尔元件的线性_ 作的磁场范围 是i 9 0 m 3 、) ，选用钛合金薄膜作敏感元件，其振动范围为0 0 5 m m 左右。霍尔元件选用超小、超薄、高精度型，以减小霍尔元件对气 压敏感薄膜动态特性的影响并提高检测精度。另外出了采用钛合 金薄膜作为敏感元件外，我们还采用了橡胶膜和乳胶膜作为敏感 元件进行探讨性实验。其中乳胶膜的振幅较大，电压变化范围也 大，但是其振动的线性度差，在讨论膜的动态特性的( 2 1 1 ) 式 中可以看到表达式中存在三次方项。 2 2 在线检测系统数学模型的建立与分析 2 2 1 并条机动态模型分析 在线检测系统安装在高速并条机上，用于实时检测生产过程 - 辛棉条的不匀状况。在分析在线检测系统的数学模型之前，应先分 析并条机的动态模型“。普通无自调匀整并条机的结构如图所示： 5 6 图( 2 3 ) 图中：1 一喂入棉条；2 一导条区：3 一牵伸区：4 一棉条集束及条丁 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 检测喇叭口；5 一圈条器；6 一条筒 并条机作为一个控制和检测对象，其输出是条下+ 的线密度。影 响条干线密度的因素很多，但检测表明输入棉条的线密度是影响 输出条干线密度的主要因素。其它的因素如：导条区意外牵伸造成 的不匀，牵伸区产生的不匀，圈条器产生的不匀等都是影响输出 的因素。对于在线检测系，它的输入量是棉条线密度不匀，输出量 是反映棉条条干不匀的电压值。影响输出量的因素有：机器振动引 起输出量变化，喇叭口周围气压变换引起的输出扰动。 2 2 2 在线检测传感器的数学模型分析 传感器的基本组成按其定义一般是由敏感7 i 件、变换元件和 测量电路三部分组成“。除自源型传感器外，还需外加辅助电源， 其结构可用( 2 4 ) 的框图表示： 图( 2 4 ) ( 1 ) 非电量是传感器要测量的反映事物某一特性的物理 量，在线检测传感器中测量的非电量是喇叭l = 内的气 一：r 盲1 广r 压，它反映了通过棉条的重量。 p ( 2 ) 敏感元件，也可以称作预变换器，它是直接感受被测 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 量( 一般为非电量) ，并将其转化为被测量有确定关 系的易变成电量( 包括电量) 的其他量的元件。在线 检测传感器中的敏感元件是气压敏感薄膜( 钛合金材 料) ，它将反应棉条重量的气压值转换成了振动量( 位 移) 。 ( 3 )转换元件，也可称作变换器，它能将其它物理量直接 转换为有确定关系的电量的元件。在线检测传感器中 转换元件是线性霍尔元件和磁钢组成的，它们将薄膜 健 的振动( 位移量) 线性的转换成电压值。 。 ( 4 )测量电路，也称之变换电路，它把转换元件输出的电 口 信号整为便于处理、显示、记录、控制的可用信号。 勿 在线检测系统中的测量电路是一个广义的测量和数据 处理系统，它包括放大和抗干扰电路、数据采集卡的 a d 转换电路，以及计算机( 或单片机) 的数据计算、 变换、显示等。 ( 5 )辅助电源，它提供给转换能量，在线检测系统的电源 是专门设计的抗干扰电源，它一方面提供给霍尔元件 能量完成振动到电压的转换，另一方面它还提供给放 大电路和抗干扰电路能量。 2 2 3 传感器的静态数学模型 为了分析在线检测传感器的静态和动态特性，数学模型应该 第二章棉条不匀检测传感器的设i - ) 与分析 分静态和动态分别讨论。静态数学模型一般在数学理论上可以用n 次代数方程式来表示“，即 y = “n + a l x + a 2 x 2 + + a n x ” ( 2 2 ) 式中，x 为输入镀；y 为输出量；a o 为零位输出；a ，为传感器线性 灵敏度；a ：，a 。，a 。为非线性项的待定常数。 因为气压和棉条重量之间是平方关系，而薄膜的振动、霍尔元 件的转换、放大电路以及a d 转换都可以看成是线性变换。所以在 线检测系统的静态数学模型可以看成是二阶系统，即 y 5a o + 口l z + a 2 x 2 ( 2 3 ) 从式( 2 - 2 ) 看传感器仅有二次非线性项，其线性范围比较窄， 必须采取线性补偿措施，具体的将在后面讨论。 2 2 3 传感器的动态数学模型 传感器的使用条件是动态检测棉条的不匀，所以主要讨论传 感器的动态数学模型。在线检测系统的动态数学模型可以用线性 常系数微分方程来表示，这种方程的通式为： d ”y d ”一1v d y “”万栅“矿+ + q 万扣2( 2 _ 4 ) 等箬+ - - - + b i 石d x 十6 0 x 式中，“，j ，a ，。，a 0 和b 。，b 。，b 。均为与传感器的结构有关 的常数：x 是输入量( 棉条重量) ；y 是输出量( a d 转换的电压 数字量) 。x 和y 都是时间t 的函数，因为对微分方程求解是一件 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 困难的事，所以通常采用传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数 等将系统的输入最和输出量联系起来。对( 2 2 ) 式取拉氏变换， 并令当t = o 时输入量x ( t ) 和输出量y ( t ) 及它们的各阶时间导数的 初始值均为零，则得 y ( s ) ( 口。s ”+ a _ l s “_ 1 + + o l s + a 0 ) = 工( s ) ( 6 。s “+ 6 。l s 卅一1 + + 6 l s + b o ) 或 y ( s ) 一b s ”+ b m l s ”+ + b i s + b o ( s ) d 。s ”+ 口。l s ”一1 + + a i s + d o ( 2 5 ) 对于多环节串联组成的传感器检测系统，如果各环节阻抗匹 配适当，可略去相互之间的影响。 ：。 一。1 ”。 譬叵团圆一匠水 ! ； 图( 2 5 ) 对于图( 2 - - 5 ) 所示的n 个环节组成的系统，总的传递函数按 下式求解： z 4 ( s ) = f i h ，( s ) ( 2 6 ) 我们设计的在线检测系统有六个环节：棉条重量一气压、气压 一薄膜挠度、薄膜挠度( 位移) 一霍尔传感器输出电压、线性放大 器、低通滤波器、a d 转换。 棉条气流附面层在出条喇叭口中的运动可以看成是恒定总能 1 4 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 量的渐变流运动”，可以用一元流体动力学理论分析气流在喇叭 口内运动时气压的变化。喇叭口可以看成是径缩管，在入口处的空 气压强为大气压，随着气流的运动气压逐渐变大，压力的大小可 以用恒定气流能量方程求解。在应用恒定气流方程求解的时，注意 气流在进入喇叭口时会有少量气流受挤压从入口处流出。但是因 为气流连续运动，形成一种进出平衡，所以在气流方程中加一个 修正系数即可。结合流体力学的分析计算，并借鉴乌斯特气压喇叭 口的经验公式“来建立气压和棉条质量以及棉条速度的关系。 喇叭口内的空气压力不仅取决于通过喇叭口时棉条截面的大 小，同时也取决于纱条通过喇叭口时的速度。空气压力、棉条定量 和出条速度之间的关系有下面的经验公式”1 ： 尸= k v g ( 2 - - 7 ) 式中：p ：产生的空气压力；k ：常数：v ：出条速度；g ：纱条 定量；x ：指数，近似于2 。 气压敏感薄膜能随压力变化而振动，其振动属于边界固定的 等截面圆薄板振动”。在薄膜和霍尔元件结合在一起后，薄膜的 振动是重量不均匀固定边界圆薄板振动。当它的上下面受均匀压 力时，薄板将弯向压力低的一面，并在薄板内产生应力，从而把 均匀压力变换成薄板的位移或应变。上、下面产生的径向和切向应 力分别为 笙三里塑墨至塑竺型生壁塑塑塑生皇坌堑 旷等；盱半 式中，h 为薄板的厚度；m ，为径向弯矩；m ，为轴向弯矩。 由弹性力学薄板公式可知 m ，= 杀ic ，+ ，一c 。+ ，( 景 2i p c z s ， 式中，r o 为薄板半径；r 为薄板某一点到中心的距离。 利用广义虎克定律，从上式可求得径向应变与压力之间的关 系式为 铲蒜”硒卜卦p 浯e ， 式中，e 是薄板的弹性模量；为泊松比。 从式( 2 9 ) 可知，薄板应变大小除r 决定于薄板的几何尺寸 ( r o a n h ) 、材料的弹性模量和泊松比外，还与作用力处的半径门芎 关，所以力作用于不同点产生的应变也就不同，因此，它的灵敏 度系数历是随r 的大小而变化的。即 峨3 ”2 卜砉j ( 2 - - 0 ) 如果采用钛合金薄膜，可取= 0 3 4 代入式( 2 1 0 ) 中，然 后就可以讨论屏与r 的关系。将屏与，的关系曲线绘于图( 2 6 ) ： 第_ 章棉条不匀检测传感器的设计与分析 蚓( 2 6 ) 图( 2 - - 6 ) 由图可见，钛合金薄板在均匀压力作用下，产生两 个f i 同应变区。在r l r o = 0 o5 8 区域内径向灵敏度结构系数最大 为( 肛) = 0 3 4 1 ( ，r o = 0 处) ；而在，t o = 05 8 处，只= 0 ， 在r r o = o5 8 1 0 区，径向灵敏度结构系数最大为 ( 厉) 。= 一o6 8 3 ( ，r o = 1 处) 。 由于屏与研究处半径，有关，不同的，就有不同的厉，在实 际设计计算时通常取其平均值。即在相应的研究区域内对式( 2 1 0 ) 积分然后取平均值。霍尔传感器的宽度为4 1 2 m m ，因此可求 得钛合金薄膜在r l r o = 0 41 2 1 8 区域内的平均值厉为 历：过：竖! 善塑型 r ， o 3 4 1 i ( 1 3 r 2 t 0 2 ) d ( r r o ) = ! 一= 0 16 5 05 1 5 如果把薄板中心的位移( 挠度) 作为输出，则可用下式求得薄 板中心最大位移和所受均匀压力的关系式 器=盘+丢等(上3(2-11)3(1 2h助4 一2 ) l1 一肛i 式中，p 为压强；厂n 为薄板半径；h 为薄板厚度；e 为材料弹性模 量；y 为薄板中心挠度；为材料泊松比。 式( 2 - - 11 ) 是边缘加紧固定下的最大挠度公式，从式中可知 薄板中心挠度y 与p 为非线性关系。在小挠度时， ( 珈小 可 以略去，y 与p 近似为线性关系，( 2 - - 1 1 ) 式可简化为 y = 素p 半等 c z 吨， 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 当采用钛合金薄膜时，“= o3 4 ，e = 1 1 0 2 5 0 l p a ，另外r o _ 8 n i l l ) h = 0 0 5 m m ，所以，式( 2 7 ) 变为 31 一o3 4 20 0 0 8 4 y 2 话百砭万再矿丽 。，= 7 9 x 1 0 7 p ( 2 - - 1 3 ) 由式( 2 - - 1 1 ) 可知，当小挠度时，y 与p 近似为线性关系。 我们利用钛合金平膜片的挠度做成气压敏感传感器，然后将 霍尔传感器贴在薄片上。由于霍尔元件的体积和重量都很小，而且 霍尔元件粘贴在薄膜的中央，所以在很小的振幅内可以近似认为 薄膜的振动不受霍尔传感器的影响。这样薄膜的振动把气压的变 化线性的转换成了位移的变化1 。 线性霍尔元件的输出电压随磁场强度的变化而线性变化，其 表达式为： = k h ，b x s i n a - 4 - 口( 21 4 ) v 。：霍尔元件输出电压；k h ：常数；i ：电流：b ：磁场强度；q ： 磁场方向和霍尔元件平面法线的夹角；a ：常数。 为了减小误差，霍尔元件内部都采用恒流源供电，在外加电源 电压变化不大时i 为定值，由因为在本传感器的设计中a 取9 0 。， 所以( 2 - 1 4 ) 式可以变为： = k 2 b + 口 ( 2 1 5 ) 其中：k 2 = k h ，。 实验证明磁钢形成的磁场在很小的范围内完全可以看成线性 的，磁感应强度和位移成线性关系，即 b = k ，x y + b ( 2 1 6 ) k 。：线性变化系数；b ：常数。 由式( 2 - - 1 5 ) 和( 2 - - 1 6 ) 可以建立v 。和y 之间的线性关系 = k 。y + c( 2 - - 1 7 ) 兰三童塑墨至塑丝型焦壁璺堕堡生量坌塑 k ：静态灵敏度；c ：静态输出。 通过实验可以确定表达式中的参数，因为在棉条检测传感器 中，霍尔元件和磁钢的静态距离是0 1 5 m m ，而薄膜的振幅又很小， 所以在0 0 5 r o m e o 2 5 m m 范围内以0 0 0 1 m m 为距离变化量，实 验距离和输出电压的关系，表( 2 1 ) 是实验结果 y ( f i l m ) 0 0 5 0 00 0 5 2 00 0 5 4 00 0 5 6 00 0 5 8 00 0 6 0 00 0 6 2 v ( v ) 2 5 4 0 62 5 4 1 52 5 4 2 42 5 4 3 32 5 44 32 5 4 5 22 5 4 6 1 y ( m i l l ) 0 0 6 4 00 0 6 6 00 0 6 8 00 0 7 0 00 0 1 2 0o 0 7 4 0o 0 1 6 0 v ( v ) 2 。5 4 7 02 5 4 7 92 5 4 8 82 5 4 9 72 5 5 0 62 5 5 1 52 5 5 2 4 ly ( m i l l ) 0 0 7 8 00 0 8 0 00 0 8 2 00 0 8 4 00 0 8 6 00 0 8 8 00 0 9 0 0 v ( v ) 2 5 5 3 32 5 5 4 22 5 5 5 12 5 5 6 02 5 5 6 92 5 5 7 82 5 5 8 7 y ( r a m ) 0 0 9 2 00 0 9 4 00 0 9 6 00 0 9 8 00 1 0 0 00 1 0 2 00 1 0 4 0 v ( v ) 2 5 5 9 72 5 6 0 62 5 6 1 52 5 6 242 5 6 3 32 5 6 4 22 5 6 5 1 y ( m m ) 0 10 6 00 1 0 8 00 1 10 00 1 1 2 00 1 14 00 1 16 00 1 1 8 0 g ( v ) 2 5 6 6 02 5 6 6 92 5 6 7 82 5 6 8 72 5 6 9 62 5 7 0 52 5 7 1 4 f y ( m m ) 0 1 2 0 00 1 2 2 00 1 2 4 00 1 2 6 0o 1 2 8 00 1 3 0 00 1 3 2 0 | v ( v ) 2 5 7 2 32 5 7 3 22 5 7 4 12 5 7 5 02 5 7 5 92 5 7 6 82 5 7 7 7 y ( 1 1 1 1 1 1 ) 0 1 3 4 00 1 3 6 00 1 3 8 00 14 0 00 1 4 2 00 1 4 4 00 146 0 v ( v ) 2 5 7 8 62 5 7 9 52 5 8 0 42 5 8 1 32 5 8 2 22 5 8 3 l2 5 8 4 0 y ( t r i m ) 0 1 4 8 00 1 5 0 00 1 5 2 00 1 5 4 00 1 5 6 00 1 5 8 00 1 6 0 0 v ( v ) 2 5 8 4 92 5 8 5 82 5 8 6 72 5 8 62 5 8 8 52 5 8 9 42 5 9 0 3 y ( h ) 0 1 6 2 00 1 6 4 00 1 6 6 00 1 6 8 00 1 7 0 00 1 7 2 00 1 7 4 0 v ( v ) 2 5 9 1 22 5 9 2 12 5 9 3 02 5 9 3 92 5 9 4 12 5 9 5 62 5 9 6 5 1y ( m ) o 1 7 6 0o 1 7 8 0o 1 8 0 0o 1 8 2 00 1 8 4 0o 1 8 6 0o 1 e 8 0 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 fv ( v ) 2 5 9 7 42 5 9 8 32 5 9 9 22 6 0 0 l 2 6 0 1 02 6 0 1 92 6 0 2 8 y ( m m ) 0 1 9 0 00 19 2 00 1 9 4 0 0 1 9 6 00 1 9 8 00 2 0 0 00 2 0 2 0 iv ( v ) 2 6 0 3 72 6 0 462 6 0 5 52 6 0 6 42 6 0 7 32 6 0 8 22 6 0 9 1 y ( r a m ) 0 2 0 4 00 2 0 6 00 2 0 8 00 2 1 0 00 2 1 2 00 2 14 00 2 l6 0 v ( ” 2 6 0 9 92 6 10 82 6 1 1 72 6 1 2 62 6 1 3 52 6 1 4 42 6 15 3 y ( n l m ) 0 2 18 00 2 2 0 00 2 2 2 00 2 2 4 00 2 2 6 00 2 2 8 00 2 3 0 0 v ( v )2 6 1 6 22 6 1 7 12 6 l8 02 6 1 8 92 6 1 9 72 6 2 0 52 6 2 1 5 y ( r a m ) o 2 3 2 00 2 3 4 00 2 3 6 0o 2 3 8 00 2 4 0 00 2 4 2 00 2 44 0 v ( v ) 2 6 2 2 42 6 2 3 32 6 2 4 22 6 2 5 12 6 2 6 02 6 2 6 92 6 2 7 7 jy ( m m ) 0 2 4 6 00 2 4 8 00 2 5 0 0 lv ( v ) 2 6 2 8 62 6 2 9 52 6 3 0 4 将实验结果作图得 表( 2 1 ) 位移( i i 7 1 ) 图( 2 7 ) 2 0 n)碍锄丑媾媾脚 第二章棉条不匀检测传感器的设计与分析 用m a t l a b 最小二乘法对v 。一y 曲线进行模拟“，得二者的关 系式为： v h = 2 5 1 7 8 4 0 4 5 6 7 y( 2 一1 8 ) 因为气压变化值较小，输出电压的幅值很小，仅为0 0 5 v 左右。 为了增大电压变化量和滤除高频杂波的影响，在霍尔元件后加一 级pa 7 4 1 线性放大电路和一级有源低通滤波电路。将信号做线 性处理，下面时放大电路和低通滤波电路图： u o 幽( 2 8 ) 因为霍尔元件的输出电压范围是2 5 - 4 7 v 。为了增加放大倍 数，在反相输入端增加一个分压电路，将放大器的输入信号减小。 电路如图( 2 8 ) 所示，图中有两级放大电路，第一级主要对信号起 放大作用，第二级做成了有源滤波器，主要对信号起滤波作用， 另外也有一定的放大作用，具体的滤波作用及效果在后面论述。另 外