（纺织工程专业论文）基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究.pdf

基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 a b s 灯a c t 摘要 长期以来 国内外对茧丝细度的测量研究一直给予高度重视 因为茧 丝的细度分布直接影响到生丝内在品质 但由于茧丝截面积测量极其困 难 在没有好的测量方法之前 人们采用茧丝细度的间接指标一一纤度来 评价其粗细 但茧丝纤度与茧丝细度的直接指标一一截面积有着极为密切 的关系 假如在茧丝细度动态测量研究取得突破 那么不仅对缫丝工艺的 设计和生产有着重要指导意义 而且将更加有利于提高由茧丝组成的生丝 等长丝纤维的细度及其相关指标的检测水平和检验效率 本论文运用现代光电传感器技术 自动测量与控制技术和先进的虚拟 仪器技术 研制出了一套高精度茧丝细度连续的测量装置 该装置是由控 制和测量两个系统构成 其中控制系统是以p i c 单片机为核心 采用了先 进的集成霍尔传感器和固态继电器 实现了茧丝在卷绕的过程中定长分 段 以便于称重并与测量结果进行对比 解决了茧丝在连续测量过程中断 头的自动检测和相关控制等难题 测量系统是以茧丝细度仪为测量工具 运用了目前非常流行的虚拟仪器技术 大大地减少了装置的开发周期和难 度 提高了测量装置的可靠性和稳定性 本论文对研制的测量装置进行了系统性能测试 测试结果表明该装置 的稳定性和抗干扰能力较好 通过部分茧子的测试试验 对试验中出现的 问题进行了探讨和装置改进 最后利用该装置对部分春茧进行了多次试 验 结果表明 该套测量装置是可以快速 有效和可靠地测量茧丝细度 关键词 茧丝细度仪 虚拟仪器 单片机 茧丝细度连续测量 作者 盛井龙 指导教师 陈庆官 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 a b s t r a c t a b s t r a c t f o ral o n gt i m e t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fr a ws i l ks i z ea n dt h e o r e t i c a ld i s t r i b u t i o no f d e f e e to nr a ws i l kh a v eb e e np a i dc l o s ea t t e n t i o na th o m ea n da b r o a d as i n g l er a ws i l ki s m a d eu po fb a v e t h e r e f o r et h ed i s t r i b u t i o no ft h ef i n e n e s sa n dd e f e c tp a r a m e t e r so ft h e b a v ed i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fr a ws i l k t h ew e i g h to fb a v ei su s u a l l yu s e dt oi n d i r e c t l y e v a l u a t ei t sf i n e n e s s b e c a u s et h ec r o s s s e c t i o n a la r e ao fb a v ei se x t r e m e l yd i f f i c u l tt ot e s t f o re x a m p l e t h et h e o r yo fr a ws i l ks i z ei sb a s e do nt h ew e i g h to f5 0 m e t e r l o n gb a v e s i f t h em e a s u r i n gm e t h o d so ft h ef i n e n e s so fb a v em a k eag r e a tp r o g r e s s i tw i l lb ev e r y h e l p f u l t ot h eq u a l i 够c o n t r o lo f t h ep r o d u c ta n dt h et h e o r yo f r a ws i l ks i z e t a k i n ga d v a n t a g eo fm o d e mt e c h n o l o g yp h o t o e l e c t r i cs e n s o r a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h er e s e a r c hd e s i g n e da d e v i c ew h i c hw a sa b l et om e a s u r et h ef i n e n e s so fc o c o o nc o n t i n u o u s l ya n dh i 曲 p r e c i s i o n t h i sd e v i c ea d o p t e dt w os y s t e m s w h i c hc o n s i s t so fc o n t r o la n dm e a s u r e m e n t t h e c o n t r o ls y s t e mt o o kc h a r g eo fs e p a r a t i n gb a v ei nt h ep r o c e s so fw i n d 堍f o rc o n t r a s tt h e w e i g ha n dm e a s u r er e s u l t so np i cs c m a d v a n c e di n t e g r a t e dh a l ls e n s o ra n ds o l i d s t a t e r e l a y t h em e a s u r es y s t e mu s e sb a v ef m e n e s sm e a s u r e m e n tt o o lo nt h ev e r yp o p u l a rv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y w h i c hs i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dt h e d i f f i c u l t ya n di m p r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h em e a s u r i n gd e v i c e t i l i sp a p e rs h o w sb e t t e ra n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h ed e v i c eo n o nt h ed e v i c ep e r f o r m a n c et e s t i n g i td i s c u s s e ds o m ep r o b l e m so ni n i t i a lt e s t i n ga n d i m p r o v e dt h ed e v i c e f i n a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e v i c ec a l lb er a p i d e f f e c t i v ea n d r e l i a b l em e a s u r e m e n to fb a v eo n an u m b e ro ft e s t i n g k e y w o r d s c o c o o nf i n e n e s si n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n t s c m c o n t i n u o u s m e a s u r e m e n to fc o c o o nf i n e n e s s i l w r i t t e nb ys h e n g j i n g l o n g s u p e r v i s e db yc h e nq i n g g u a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明 所提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 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律 责任 研究生签名 塑葺益 e t期 逝 互 乒 学位论文使用授权声明 苏州大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 清华大学论文 合作部 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文 外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分 内容 论文的公布 包括刊登 授权苏州大学学位办办理 研究生签名 导师签名 e i 期 旦壁 主 生 日期 立星 c 丝一 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第一章绪论 第一章绪论 一犀 蠢瑟 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第一章绪论 成功 那么在技术上也就为测量茧丝的细度扫除障碍 而根据查阅相关大 量文献检索 未发现国内外有对茧丝丝径进行动态测量得到细度 即截面 积 统计值 以此对茧丝细度进行动态测量研究的报道 而该方面研究对 丝绸产业的信息化和技术改造无疑有着根本性的促进作用 因此只要对茧 丝细度动态测量研究取得突破 就能普遍提高由茧丝组成的生丝等长丝纤 维的细度及其相关指标的检测 水平和检验效率 对生丝等长丝纤维的产品 质量控制 检验方法和理论将产生根本性的影响 因此茧丝细度的连续测 量的研究有着重要的科学意义及现实而广泛的应用前景j 1 2 细度的概述 细度是描述纤维与丝线粗细程度的外形尺寸指标 它与纺织加工工艺 关系很密切 细度的指标有直接指标和间接指标两种 直接指标如纤维或 纱线的直径 截面积等 间接指标有两类 一类是定长制 一定长度纤维或纱线所具有的重量数值 如纤度 特 克斯 另一类是定重制 一定重量的纤维或纱线所具有的长度数值 如公 制支数 英制支数n 1 在丝绸行业中 可利用截面积的大小来表示 例如生丝生产中自动缫 丝机的感知器感知的就是生丝的截面积 但是生丝和茧丝直径较小 一般 都是微米数量级的 利用传统的方法难以测量其大小 所以目前通常采用 的是细度的间接指标的定长制一一纤度 常用单位有特克斯 t e x 和旦 尼尔 d e n ie r 两种 特克斯是指长度为10 0 0 米 丝量为1 克时称为1t e x 旦尼尔是指长度9 0 0 0 米 丝量1 克或丝长4 5 0 米 检尺器4 0 0 回 丝量0 0 5 克时称为1 d 法定计量单位为特克斯 旦尼尔与特克斯两者之间的关系式 如下 1 t e x 9 日 2 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第一章绪论 必须注意的是丝量是随周围空气温湿度变化而变化的 因此纤度必须 在标准温湿度条件下测定 如果不符合此条件 则测得的纤度必须换算成 公量纤度 即公定回潮率1 1 时的纤度 生丝是由多根茧丝组成的 而一 个茧子的各层茧丝的细度是不同的 那么它的细度变化程度将直接影响生 丝纤度的偏差 造成茧丝粗细不同的原因有以下几个方面他1 1 蚕的品种在同一季节中 由于蚕的品种的不同 蚕的体质强弱与 大小有差别 因此产生茧丝纤度的不同 就蚕的系统来说 日本系统最粗 欧洲系统次之 中国系统最细 就化性来说 一化性最粗 二化性及多化 性较细 2 饲育时期同一品种蚕结的茧 由于饲育时期的不同 茧丝纤度也 会产生差异 一般春茧粗 中晚秋茧次之 夏茧及早秋茧最细 3 茧层部位一粒茧的茧丝纤度 由于蚕儿吐丝时各种原因的影响 致使其长度方向各层的粗细并不相同 般是外层从第一百回 每回长 1 12 5 米 起 茧丝纤度逐渐变粗 到最粗的百回后又逐渐变细 直至内 层最细 茧丝纤度与横截面积 直径的关系 假设茧丝的横截面积是呈现圆形 那么其丝量可由下式得到 w a xp l 10 6 1 1 将式 1 1 代入纤度公式 则得到 s 1 0 0 0xw l 1 0 0 0 ap 1 0 6 1 2 式中 s 一纤度 r e x w 一丝量 g l 一丝长 m a 一横截面积 v m 2 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第一章绪论 p 一密度 1 3 8 9 c m 3 根据式 1 1 可得到茧丝1 d t e x 的横截面积为 a w pxl x 10 6 0 1 1 3 8x10 0 0 1 0 8 7 2 5 p i n 2 一般认为生丝纤度s 与直径d 的关系式为 d k 否 1 3 式 1 3 中k 值 目前没有统一标准 日本生丝检查所根据 国际生丝检 查及分级方法 一书取k 为14 7 5 铃木三郎根据日本春秋两季原料茧调查 为1 2 8 2 而我国上海纺织科学研究所测定千丝为12 3 0 s 的单位是分特 d t e x d 为与生丝截面积相等的的直径r 根据以上的分析可知 传统的方法测量茧丝的细度是建立在纤度的基 础之上 并且这种方法操作繁琐 无法实现自动快速测量 那么本文将建 立在茧丝纤度与其直径之间关系的基础上 利用茧丝细度仪直接连续地测 量出茧丝的直径的变化 同时也利用对应的称重法进行有效的对比 从而 较为客观 快速地测得茧丝细度的变化曲线 1 3 目前国内外纤维细度的测量方法 1 3 1 称重与长度的测量 称重与长度结合的测量 简称称重法 目前传统常用的茧丝纤度测量 方法就是利用该原理 通过图1 1 的检尺器绕得一定长度的茧丝 干燥然 后称其重量 最后计算得出茧丝的纤度 以此原理为基础研制的有z s x 一8 4 型生丝纤度仪 和d s 8 4 10 型茧丝检测仪h 1 等 这种方法的缺点就是不能连 续动态测量 工作量较大 精度和效率都较低 1 3 2 直径测量法 a 传统的显微镜测量法 此方法又称为显微镜投影测量法伯3 利用c c d 获得图像 然后再用图 像处理的方法来获得纤维的直径 多用于圆形或近圆形纤维直径的测量 4 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第一章绪论 国内也曾有学者利用c c d 正交双向动态测量生丝的细度邛3 这种方法很新 颖 精度也很高 比较客观的反映出生丝细度的变化 但是要实现茧丝在 线测量其相对应的装置要复杂 成本较高 b 投影式光电峰值判定羊毛直径 投影式光电峰值判定羊毛直径的基本原理是将毛纤维排列在框架夹 具上 当夹具平移过光学投影装置的物镜 纤维影像横扫过光敏元件时 光电传感器就输出相应的钟形脉冲 该电信号经放大后 一方面输入峰值 保持电路 另一方面经低通滤波 两者均经a d 转换后输入微型计算机 当计算机判定第一路a d 中出现两个峰值时 一次信号处理结束 计算机 通过控制电路将峰值保持值复零 以便下次输入信号 计算机软件中具有 双峰剔除功能 以排除由于两根纤维靠近引起双峰信号对直径检测结果产 生的影响 另外 还具有自动分组 非线性修正等功能 但此法无法动态 进行连续测量纤维细度 c f d a 一2 0 0 型激光式纤维细度分析仪佰3 该仪器由瑞士p e y e r 公司生产 主要用于测量羊毛等圆形截面纤维的 细度 直径 及其分布 它将被测纤维切断成1 8 m m 长度后 再与特种液 体混合 制成混悬液 由激光传感器产生检测计数信号 计算机自动判别 是否有效 然后分类统计 测试结果由专用电子计算机按输入设定的要求 统计分类 所以具有较强的数据处理功能 但是 由于信号强度与纤维直径间呈非线性关系 且不同的品种其关 系也不一致 因此新品种测试之前必须进行标定工作 d 激光干涉技术测蚕丝直径n 1 该技术是由江苏省吴江新联丝织厂的魏东于1 9 9 0 年提出的 其优点为 省料省时且较精确 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第一章绪论 原理 1 单缝衍射 当激光照射至开有狭缝的屏时 当满足夫琅和 费衍射条件时 在观察屏上将看到十分清晰的衍射条纹 其缝宽与光波波 长 狭逢屏与接收屏间的距离 第n 条暗条距原点的距离之间满足一定的 关系 2 互补测定法 应用 傅立叶光学 中的巴俾涅原理 互补屏所 产生的光扰动除有1 8 0 度的相位差之外相同 而互补屏所产生的光强分布 是一致的 也即用光照狭逢所得接收屏上光强颁与光照射同样直径 的丝所 得光强分布完全相同 如果将开有狭缝的屏换成同样直径的丝再用光照 射 能够在接收屏上得到同样的明暗相同的条纹分布 由此可得丝的直径 一般蚕丝的横截面呈不规则三角形放在测量同一蚕丝直径时 由于光 照到蚕丝上的方向不同 会产生一些不同的数据 为此可使夹具夹紧的两 个平面垂直于光线方向 将框转9 0 度 让光线通过小孔射入而测y y 向的 直径 之后也有不少人利用此原理研究激光干涉式羊毛细度仪 取得了较好 效果 但是结构复杂 价格高 e 模拟光电器件测量蚕丝直径 该测量方法是利用光电效应原理 代表的有动态纤度仪和s d 1 型动态 生丝测试仪 动态纤度仪是由小型白炽灯 有狭缝的光栅 硅光电池 定位鼓轮及 偏心轮组成 丝条带动偏心轮转动时 周期性地切割光束 使丝条在光束 中和不在光束中的光通量比与丝条粗细相对应的阴光量随着纤度的不同 而变化 并通过硅光电池被转换成电信号 传到测量回路进行交流放大 整流 直流放大 转换成一定的电压输出 再根据电压与被检测生丝纤度 的相关性 把电压转换成相应的纤度输出 由此即可动态连续地测出生丝 的纤度值伯1 它的不足是单方向精度较低 不能进行实时测量 容易受到 外界的干扰 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第一章绪论 s d i 型生丝动态测试仪 该仪器是应用现代光学传感技术中光纤传导 的特点并采用共模抑制差模放大的差动放大原理组成的便携式精密测量 仪器 它采用调制光源 可有效防止外界光线的干扰 分导光纤可将红外 发射光 分为二并准确定位传导至光敏管上 其中以一只光敏管为基准 另一只光敏管与光纤之间的光路上让丝条通过 这样生丝纤度的近似值 即丝条直径的大小变化就被差动放大器精确放大 再经指数放大后输出到 数字显示器上州 它的特点是 采用光纤分导补偿 温度补偿电路和调制 的红外光探头等技术 能有效地防止外界干扰 保证了仪器测量稳定性 同时它还具有体积小 精度高和测量速度快等显著特点 特别适合于动态 测量 但是它的不足是单方向测量 没有存储功能等 为此本课题在它的 基础之上加以改进 作为茧丝细度测量仪器 1 3 3 气流仪法n 们 均匀分布的纤维在体积重量保持一定的条件下 其透气性能与纤维的 截面形状和大小密切相关 该细度仪的基本原理是流体力学和测定粒状材 料的理论 用纤维两端的压力差和流量大小来表示纤维的表面积 从而通 过标定确定纤维的细度 利用此原理研制的细度仪有 y 1 4 5 型气流式细度仪 p o r t a r l7 5 型气 流式纤维细度仪 i i c 锡莱细度成熟度仪 定流量式数字细度仪 但是这 些仪器仅适用于短纤维测量 而且 由于流量计动态响应较差 所以测量 时会产生滞后现象 也无法满足连续测量的要求 1 3 4 振动测量法 1 2 m 朝 基本原理是将被测纤维的两端固定 并施以一定的张力t 当以某种 方法使纤维振动时 这种振动是一种驻波 纤维的线密度p 不同 被测长 度l 不同 所加张力的不同都会产生不同的纤维振动的基频 即纤维的谐 7 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第一章绪论 振频率 它们之间满足一定的关系式 因此只要测出对纤维所施加的张力 被测长度 共振频率 就可以计算出纤维的线密度 即纤维的纤度 从原理上讲 振动法不需要经过测定值的转换而直接得出纤度值 所 以是比较理想的纤度测量方法 对茧丝而言 若不考虑其抗弯性能 断面 形状及断面面积的不均匀等影响因素 振动法测量的精度可满足一般要 求 即共振频率n 的检出误差为0 1 h z 时纤度s 将产生0 0 1 旦的误差变化 利用此原理研制的细度仪有 y 10 5 i 型静电激振式纤维细度仪 x d 一1 型振动式细度仪 但这种测量法只能作静态测量 对温湿度有较高的要求 对纤维或纱线所加张力不宣太大 要在其弹性范围内检测 尽管如此 这 种测量方法仍是一种非常巧妙的测量纤维细度的方法 1 3 5 声音衰减法n 们n 钉 这种方法测细度的仪器有国产y x d i 型在羊毛细度测定仪 这是一种 用电测法快速进行羊毛细度测定的仪器 其原理是当低频声波通过一定重 量 一定体积的羊毛时 被羊毛吸收而衰减 不同细度的羊毛对声音衰减 不同 也是仅适用于短纤维测量 无法满足动态测量的要求 综上所述 目前国内外在茧丝细度的直接实时动态测量领域还是空 白 虽然日本曾有学者利用生丝无损检测系统快速测量得到茧丝纤度曲线 n 8 1 以及国内也有学者利用数学的方法模拟茧丝纤度曲线生成n7 1 但是这些 都只是一种间接的方法 因此 本文将着重在这方面展开初步的探索 1 4 模拟光电传感器测量茧丝细度的可行性分析 模拟光电测量的原理是利用光电效应 将照在光电器件受光面上的光 信号转换为电信号 通过特定的传感装置 利用光束照在茧丝条上 丝条 会遮掉一部分光线 使光电流随光通量变化而变化 即 厂 矽 墨 厶 8 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第一章绪论 其中 i 光电流 k 常数 矽 光通量 i o 暗电流 那么光通量 就会随着茧丝直径的变化而变化 即 矽 g d 死一心d 其中 光通量 磊 无遮光通量 毛 常数 d 茧丝直径 因 此光电流就成为茧丝直径的单值函数 即 i f i g d k 唬一k 2 d io k o i o 一墨墨d 1 4 这样就可以通过遮光量的变化来反映出茧丝直径的变化 结合该理论 和茧丝自身的特点可利用光电传感器测量茧丝细度的原因分析如下 1 测量的精度 茧丝是细而长的蛋白质纤维 根据上海纺织科学研究院测定的数据显 示 它的纤度是在3 3 9 4 0 5 d t e x 3 0 5 3 6 5 旦 范围内 一般直径在 1 1 1 1 16 9 8 微米内 因此测量它的仪器精度要高 而以模拟光电测量的 原理研制出的s d 1 型生丝动态测试仪经过改进后 它的测量范围可以达到 2 1 9 9 微米 1 9 1 1 8 9 1 旦 测量误差为 l 微米 精度0 5 完全可 以精确的反映出茧丝细度的变化 同时它的另外一个优点就是速度响应很 快 可以满足动态测量的需要 2 茧丝的外观形状j 茧丝的表面由于比较光滑 并不象棉和麻等纤维纱线那样表面呈现出 较多毛羽 所以利用光学的方法来测量它的直径是比较合适和可行的 茧丝的截面形状是呈现不规则三角形 因此用一个方向测量得出直径 长度不能客观地反映出茧丝的细度 本文在测量茧丝细度时是采用茧丝卷 绕过程中 茧子会水在不停的翻转 从而带动茧丝在长径和短径方向不断 的交替改变 那么 测量得出的数据经过相应的数学方法处理基本就可以 表征出茧丝细度的特征 9 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第一章绪论 茧丝是天然生物蛋白质纤维 如果茧丝的折射率n n 双折射率n n o 和透明度不变 利用 卜4 式光电流是茧丝直径的单值函数原理可以测 量茧丝直径 但是天然蚕丝的折射率 双折射率和透明度是与蚕茧的品种 等因素有关j 的 不是常数 因此这时的光电流是茧丝直径的多元函数 这 样就会在同一蚕茧的品种和批次茧丝细度测量的数据有可比性 而不同蚕 茧的品种和批次的茧丝测量的数据可比性差 为此 本文在测量时 对蚕 丝进行统一的着色 即在缫丝汤中放入定量的同一种染料 这样就提高了 测量数据的精确度 增加了测量结果的可比性 通过以上几点的分析 可以认为利用模拟光电传感器原理测量茧丝细 度是可行的 1 5 本文的主要研究内容 本论文主要是研制一套茧丝细度连续测量的装置 该装置以先进的虚 拟仪器为架构 采用现代光学和机电一体化技术对茧丝细度进行快速连续 的测量 从而得出茧丝细度变化曲线 有利于缫丝厂提高茧丝细度测量的 效率 为缫制高品质生丝与品牌生丝起到积极推动作用 同时还为生丝的 电子检验奠定了一定的基础 论文各章的内容简介如下 第一章根据查阅有关文献 概述茧丝细度的重要作用和国内外有关纤 维细度测量的方法 着重介绍各种测量方法的原理 同时本章还从原理和 茧丝自身特点方面分析利用模拟光电传感器动态测量茧丝细度的可行性 第二章主要介绍系统中测量部分和控制部分的工作原理 着重说明了 测量和控制两部分构架的思路和工作过程 第三章着重介绍系统中各部分硬件设备的设计 硬件设备主要有茧丝 细度仪 卷绕机构 推进机构 恒温和干燥装置和i o 接口设备 第四章讲述了系统软件的设计 系统软件设计主要分成p i c 单片机和 p c 机两部分 其中对p c 机上的l a b v i e w 程序进行了重点设计 1 0 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第一章绪论 第五章叙述了系统的静态和示值测试实验以及茧丝的测量实验 对系 统的静态和示值测试数据的分析说明了系统的性能稳定 通过茧丝测量数 据的分析 对实验中出现的现象进行初步的探讨 验证了利用系统测量茧 丝细度的可行性 第六章进行总结 论述了本文的主要贡献 不足之处以及进一步研究 方向 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第二章系统的工作原理 第二章系统的工作原理 茧丝细度的连续测量系统主要是分成测量和控制两大部分 其中测量 部分主要是利用虚拟仪器技术完成对茧丝细度仪感知的茧丝细度信号的 采集 处理 数据的保存和显示 控制部分主要作用是通过采集的茧丝细 度的信号进行判断系统的运行状况来控制茧丝的卷绕 同时利用霍尔传感 器和单片机来实时控制推进机构的间歇式运动 2 1 测量部分的工作原理 该系统的测量部分主要是由卷绕机构 干燥装置 水浴锅 茧丝细度 仪 数据采集卡和计算机等几个部分组成 卷绕机构主要是由同步电动机 带动小鬣完成茧丝从茧子逐渐的剥离以便于茧丝细度仪的感知 干燥装置 主要是采用电吹风对卷绕过程中的茧丝进行快速的风干 因为茧子放在缫 丝汤中茧丝会在一定剥离的速度下会携带有水分对测量茧丝细度有一定 影响 必须在测量之前进行快速干燥 水浴锅是对测量中缫丝汤进行恒温 装置 因为在测量过程中随着时间的推移缫丝汤的温度会有所下降 这将 会影响茧丝的丝胶胶着力 导致茧丝的断头率增加 因此恒温装置的作用 是保障茧丝的顺利而快速卷绕 茧丝细度仪主要是测量茧丝细度 它是由 s d l 型生丝动态测试仪根据茧丝细度测量的实际需要改装而成的 数据采 集卡和计算机主要是对茧丝细度仪测量结果进行数据采集 处理 分析 保存以及显示 测量部分的工作原理示意图如图2 1 所示 图2 1 测量部分的工作原理图 1 2 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第二章系统的工作原理 测量的整个工作过程 将煮熟的茧子放在盛有缫丝汤烧杯中 再把烧 杯放置在温度大约在5 0 摄氏度的温水中 然后理绪通过卷绕机构卷绕茧丝 并在此过程中茧丝通过干燥装置和细度仪传感器探头 最后通过计算机对 茧丝细度仪获得信号进行采集 处理 保存 显示和打印 测量的重要仪器茧丝细度仪是由s d i 型生丝动态测试仪改进而成 其 工作原理是利用单光源 g a a s 红 夕 发光二极管 与分束器 y 形光纤的输 入端面耦合 耦合区域用硅橡胶折射率匹配材料灌封 避免杂散光进入光 纤 当茧丝从分光光纤其中一个输出端的光路中经过时 阻挡了该输出端 的部分光通量 与g a a s 红外发光二极管的光谱响应特性匹配的硅光敏二极 管 分别接收到不同的输出光信号 形成差模信号 经过差动放大器放大 然后经过线性检波输出 该信号的大小与在光通道中经过的茧丝直径的粗 细密切相关 为了克服光敏管中的暗电流 提高测量结果的精确度 仪器 对光源进行了稳频稳幅调制 红外发光二极管的电源由正弦振荡电路和功 率放大电路构成 其振荡频率为2 k h z 当茧丝运行速度为0 5 6 2 5 m s 时 光 纤直径为1 5 m m 故茧丝直径是连续地被检测的n 引 其细度仪的工作原理示 意图如图2 2 所示 图2 2 细度仪的工作原理图 茧丝细度仪其传感器探头经过改进增大光纤直径比s d i 型生丝动态 测试仪的精度提高 其电路经过重新设计并安置在金属屏蔽盒中 大大提 1 3 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第二章系统的工作原理 高了细度仪抗干扰能力 同时根据系统的需要使传感器探头与电路板分开 安放 配合推进机构的运行 2 2 控制部分的工作原理 系统中的控制部分硬件主要由霍尔传感器 p i c 单片机 固态继电器 s s r 卷绕推进机构 数据采集卡和p c 等部分组成 霍尔传感器的作用 主要是利用霍尔效应对小盏卷绕的圈数进行感知 p i c 单片机的作用是对霍 尔传感器发送的脉冲计数 当达到一定圈数时 单片机发出使推进机构运 行一定时间的指令 固态继电器主要是完成低电压来控制高电压的功能 也就是通过p i c 单片机发出电平来控制卷绕电机和推进电机运行 卷绕推 进机构主要是完成茧丝在小鬣上横向做间歇式运动 以便于茧丝的分段称 重与测量结果进行对比 数据采集卡和p c 机在控制部分主要是控制卷绕电 机的运行 防止在卷绕过程中茧丝断头p c 机卷绕电机仍然在运行 系统通 过软件实现自动检测茧丝断头以此来判断是否驱动固态继电器控制卷绕 电机的运行 控制部分的工作原理示意图如图2 3 所示 l a b v i e w p c 图2 3 控制部分的工作原理图 控制部分的工作过程 系统通过霍尔传感器感知安装在小瓮的强性磁 铁 当小锭运行一圈霍尔传感器就输出一个脉冲由p i c 单片机累计脉冲数 量 当达到一定值时 单片机将发出一个信号到固态继电器接通推进电机 驱动推进机构运行一定距离 如此反复运行 当一个茧子卷绕完后 可以 1 4 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第二章系统的工作原理 通过推进机构触发微动开关复位 这样就可以用下一个茧子再进行测量 在测量过程中 计算机采集细度仪感知的茧丝细度信号也可以作为判断茧 丝断头韵依据 如果茧丝在卷绕的过程中断头 计算机将停止采集数据 然后发 个信号使卷绕电机停止运行并声光报警提示和等待测试者的处 理 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第三章系统硬件的设计 第三章系统硬件的设计 本章将着重介绍茧丝细度的连续测量系统的茧丝细度仪 卷绕机构 推进机构 干燥和恒温装置等硬件部分的设计思路与实现 同时对各部分 选用的元器件 i o 接口设备以及相关部分的电路的设计进行简要的阐述 3 1 茧丝细度仪 本文采用的茧丝细度仪是s d 一1 型生丝动态测试仪的基础上改进而成 s d 1 型生丝动态测试仪的实物图如图3 1 所示 图3 1s d 1 型生丝动态测试仪 s d 1 型生丝动态测试仪是用于动态测量生丝细度的仪器 考虑到茧丝 的细度较生丝细以及本系统的设计机构的需要 本文主要对仪器的传感器 的探头 电路板的电路以及仪器的抗干扰能力等方面进行重新设计 3 1 1 传感器探头的改进 3 1 1 1 光纤 茧丝细度仪的工作原理如第二章图2 2 所示 其传感器的探头是由一 个单光源 g a a s 红外发光二极管 分束器 y 形光纤和两个与g a a s 红外 发光二极管的光谱响应特性匹配的硅光敏二极管通过相对应的装置巧妙 的连接在一起 其中应用的光纤传感器是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一 1 6 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第三章系统硬件的设计 门新技术 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的 它具有有 灵敏度高 抗电磁干扰能力强 几何形状适应性强 体积小 重量轻 频 带宽和动态范围大等许多优点 可用于位移 加速度 压力 温度 磁 声 光电等物理量的测量n 它在制造业 军事 航天 航海和其他科学 技术研究中有着广泛的应用 光纤是光导纤维的简称 它是利用石英 玻璃 塑料等光折射率高的 介质材料制成的极细纤维 在近红外光至可见范围内传输损耗极小 是一 种理想传输线路心0 1 本文的茧丝细度仪采用的g a a s 红外发光二极管发出红 外光波长大概在0 9 4 微米左右属于近红外光 0 7 5 2 5 微米 范围内 因 此它的传输损耗很小 可以认为忽略不计 光纤的结构一般是由纤芯和包层组成 其结构如图3 2 所示 中心部 图3 吃光纤结构 分是具有大折射率n 的纤芯 直径为几微米至几百微米 材料主体为二氧 化硅 为了提高纤芯的光学折射率 光纤一般掺杂微量其他材料 如二氧 化锗等 围绕纤芯的是有较小折射率n 玻璃包层 为了增加抗机械张力 防止腐蚀 外层多为尼龙材料包裹 光纤的导光能力取决于纤芯和包层的 性质 而光纤的机械强度由护套保持 光纤的分类有不同的方法 根据传 播模式可分为单模光纤和多模光纤 单模光纤直径较小 但是它的传输性 能好 信号的畸变小 信息容量大 线性好 灵敏度高 那么它的缺点是 在制造传感器时连接和耦合很困难 多模光纤纤芯直径较大 传输模式很 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第三章系统硬件的设计 多 这类光纤的性能较差 输出波形和输入波形有较大的差异 因为同一 光信号采取很多模式传播 就会使这一光信号分为不同时间到达接受端的 多个小信号 从而导致合成信号的畸变 因此 在信息传输中一般希望模 式数量越少越好 但是截面积大 容易制造 连接和耦合较为方便 本文 考虑到这些因素采用了单模光纤作为细度仪的传输线路 虽然在连接和耦 合很困难 但是通过多少次实验已找到了一种快捷而方便的连接和耦合单 模光纤的方法 从而大大提高了细度仪的性能特征 信息在光纤中的传输是依靠光作为载体进行的 为了能使传输中的光 随光纤本身弯曲并能远距离传输而且较少衰减 那么光的传输将以全反射 形式为主 光经过不同介质的界面时要发生折射和反射 其示意图如图 3 3 毒 i b y 懑澜 l l b 添粼 a 口 n 时 口 当p 9 0 时 光不会透过界面而完全反射回来 这 就是全反射 产生全反射时光的入射角称为临界角 用鳞表示 1 8 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第三章系统硬件的设计 s i n 口 垒s i i l 兰 垒 3 2 s 口 om 一 二lj z 夕 么 由上式可知 当光线从光密物质 大折射率 射向光疏物质 小折射率 且入射角大于临界角繇时 光线产生全反射 反射光不再离开光密物质 由图3 4 所示 光线自光纤端部射入 其入射角2 最 必须满足一 定的条件才能使在b 点折射的光线b c 以入射角口 饵射到纤芯与包层的界 面c 处产生全反射 那么 当入射角口大于临界角皈 光线将在界面产生 全反射 且入射角和反射角相等 光线反射到另一侧的界面时 其入射角 仍为口 再次产生全反射 光线如此不断地在纤芯和包层的界面产生全反 射并向前传播 这就是光纤导光的基本原理 2 图3 4 光纤的导光缘理 从图3 4 中可知 当入射角g 减小时 c 处的入射角口增大 因而存 在一个临界入射角瞑 那么 若光线从折射率为n o 的介质射入光纤 则当 口 时 入射角瞑 为 s i n 岛 1 n o x n 1 2 一n 2 2 3 3 根据 3 3 式可知 当光线从光纤端面射入时 只有入射角鸟 岛 的 那部分光线才能在光纤在进入光纤后以全反射方式向前传输 其余光线将 在包层中消失 光纤端面的临界入射角2 也称光纤的收光角 的两倍称 为光纤的孔径角 这样2 最 越大 光纤入射端面上接收光的范围越大 进 入纤芯的光纤越多 通常入射光线所在介质为空气 其折射率n 约为1 在纤维学中 定义s i n 岛 为数值孔径n a n u m e r i c a la p e r t u r e 它是光纤 1 0 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第三章系统硬件的设计 的一个重要的性能参数 表示光纤的集光能力 该值越大 集光能力越强 光纤与光源之间的耦合越容易n 们 数值孔径n a 由光纤材料的折射率决定 的 表1 是数值孔径n a 与对应的收光角岛 的关系心 表1 数值孔径n a 与对应的收光角瞑 n a e n a 岛 0 1 5 7 4 o 317 4 6 o 211 5 4o 3 21 8 6 6 因此合理选择较大光纤数值孔径 可以增大对应收光角 提高测量的 精度 本文在制作细度仪传感器探头时 采用的红外发光二极管的发射光 是以0 度到l o 度的角度发散 考虑到它们之间光线的耦合关系 采用了 比原来仪器的直径要大 光纤材料更好的光纤 其数值孔径n a 比原来的 光纤要大 大大提高了发射端与接受端光线的耦合程度 为系统测量茧丝 细度的精度奠定了较好的基础 3 1 1 2 光敏硅二极管 s d 一1 型生丝动态测试仪是采用的两只光敏硅三极管将红外光信号转 换成电信号 而且可以像普通三极管一样具有一定的电流增益 本文在进 行仪器相关的改进时 查阅相关资料后发现 光敏硅二极管虽然没有电流 增益作用 但是其基本特性较光敏硅三极管具有一定的优势 其两者特性 对比如下 2 们 1 光照特性 光照特性是指在外加偏置电压一定时 光电流i 与光照度的关系 图 3 5 是硅光电二极管与三极管光照特性的对比图 从图中可以看出 相比 之下光电二极管光照特性的线性度要好 虽然光电流要比光电三极管要 小 但电流增益可以利用电路实现 2 0 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第三章系统硬件的设计 5 0 01o o o 光照度 i x 光电二极管 4 3 寒 2 1 o 2 0 0 6 0 0 io o o 光照度 i x 光电三极管 图3 5 硅光电二极管与三极管光照特性 2 伏安特性 伏安特性是指光电二极管与三极管的光电流与外加偏压的关系 图 3 6 是光电二极管与三极管的伏安特性图 根据图可知光电二极管的光电 流与所加偏压几乎无关 在入射光照度一定时 它相当于一个恒流源 而 对于光电三极管 偏压对光电流有明显的影响 当光照度保持一定 偏压 较小时 曲线陡峭 光电流随着偏压的增大而增大 当偏压增大到一定程 度时 光电流处于近似饱和状态 因此采用光电二极管减小了电压波动带 来的问题 有利于仪器的稳定性 a 光电二极管 4 3 莲2 s 1 1 0 u n b 光电三极管 图3 6 光电二极管与光电三极管的伏安特性 3 频率特性 频率特性是指光电流与光照调制频率关系 图3 7 是光电二极管与三 2 1 0 o o o o o 5 4 3 2 l 蔷 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究第三章系统硬件的设计 极管两者的频率特性对比曲线 根据一般情况 光电三极管的频率响应比 光电二极管小很多 本系统采用的茧丝细度仪是需要调制光的频率来抑制 暗电流 因此选用更高频率响应的光敏管对于以后系统的实际应用起到关 键作用 从图3 7 中可以看出 硅光电二极管有较好的频率响应特性 摹 趟 螭 竖 5 0 靛 罩g o l zj u u 调制频率 k l i z 图3 7 光电二极管与光电三极管的频率特性 根据以上几点可知 光敏二极管的光电流较小 但是输出特性线性度 好 响应时间快 工作频率高 因此系统在对细度仪设计制作过程中 把 原来的红外光电三极管改为红外光电二极管 并且使选用的红外光电二极 管要与红外发光二极管的光谱响应特性有很好的匹配 从而使得细度仪测 量得的数据更加稳定和精确 3 1 1 3 导丝卡口 系统动态测量茧丝细度其传感器导丝卡口的作用是要把茧丝保持在 传感器能够感知的位置 使得细度仪精确的获得茧丝细度的数据 而对于 原来的s d 1 型生丝纤度动态测试仪 夹持装置由夹持把手与夹持卡口组 成 对于生丝进行检测时须首先对于夹持把手进行操作 生丝进入夹持卡 口后适当位置松开把手 使得样品处于夹持把手与卡口之间 然后进行测 量 这样对于动态测量茧丝是不可行的 因为首先夹持把手的夹持力较大 容易使茧丝断头 然后是s d 1 型生丝纤度动态测试仪对于生丝测量设计 的卡口狭缝宽度对于茧丝来说较大 使得茧丝在线通过卡口时 不能停留 在一个固定的位置使得测量的数据偏差较大 因此应对传感器导丝卡口和 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第三章系统硬件的设计 夹持把手进行改进 首先针对于传感器夹持把手 它是测量时对生丝施于一定的张力 而 对于测量茧丝 夹持把手施加的力张较大 容易使茧丝断头 为此 在设 计时将夹持把手拆除 茧丝测量时所需要的张力将通过茧子自身的重力和 干燥装置于以施加 然后是传感器导丝卡口的改进 导丝卡口原来是氧化铝制成的瓷片 狭缝为马蹄形设计 茧丝动态通过卡口时 马蹄形设计使得丝条不能始终 保持只与卡口内的一个点相接触 而会有所滑移 即丝条相对于卡口的位 置会随丝条的运动而有所改变 而实际检测过程中 丝条相对于卡口位置 的改变即意味着细度仪所检测得到的数据基准不一 从而影响所输出细度 值的可比性 鉴于此 宜对生丝纤度动态测试仪的卡口进行改进 以提高 茧丝细度输出值的可比性 因此对卡口设计的初步改进则是在原夹持头的 卡口外侧附加一自制卡口以替代原卡口 自制卡口正视图与侧视图如图 3 8 所示 正视图侧视图 图3 8 固定于原卡口之上的自制卡口实物图 它是以胶木为原材料加工设计成一凹形体以便贴合于生丝纤度动态 测试仪的夹持头外侧进行固定 同时以刚玉 氧化铝陶瓷 为原材料 将 细柱状刚玉两两交叉形成v 字形卡口 分别嵌合于凹形胶木的两个凸出 端 胶木底部设计有调节螺丝 以便于将其固定于夹持头外侧时进行有效 调节 使得刚玉形成的上下两个v 字形交叉口准确定位于原卡i 1 上下两 基于虚拟仪器的茧丝细度连续测量的研究 第三章系统硬件的设计 侧 丝条通过卡口时正好经过刚玉形成的v 字形交叉口 且极为贴近但不 接触原马蹄形卡口 如此改造后 再进行茧丝细度的动态检测时 丝条能 够始终通过刚玉形成的v 字形交叉口 使得丝条与茧丝细度仪的相对位置 保持不变 则输出数据具可比性 而形成v 字形交叉口的刚玉为细圆柱体 使得与丝条接触的均为光滑柱壁 摩擦力较小 从而可以忽略其对于丝条 的磨损心纠 但经过改造后的卡口的装置 在反复的实验中发现虽然可以很好的握 持丝条 但是其v 字形卡口不容易很好的固定在有一定斜度的传感器探头 上 因此卡口的改造改变思路 希望能够找到一种卡口狭缝比较小 对茧 丝条有一定的握持作用来代替原有的马蹄形卡口