混合式生丝断丝检测传感器设计

孙卫红， 陈 宇， 邵铁锋， 梁 曼， 马冠宇

(中国计量大学 机电工程学院， 浙江 杭州 310018)

生丝纤度是生丝品质检测的一项重要检测指标。目前生丝检验机构对生丝纤度的检测多采用人工测量，其检测过程为：纤度机绕取规定长度生丝，摇丝机将定长生丝制成小丝，采用ZSX98型生丝纤度仪直接对小丝称量，最后打印出生丝纤度数据。由于纤度机转速过快以及生丝自身打结等原因，生丝在被绕取过程中容易发生断丝故障。生丝断丝，导致纤度机绕取该组生丝样品被判为无效。目前采用增加绕丝样品组数方法解决生丝断丝故障问题，但检测效率低，迫切需要设计一种生丝断丝检测传感器，对生丝断丝故障进行实时检测。当传感器检测到生丝断丝后，通过及时补丝操作以确保纤度机绕取生丝的长度符合国家标准。同时也为生丝电子检测解决了瓶颈问题。

生丝断丝检测一直是国内外研究机构的重要课题，但针对生丝品质检测的研究相对较少。生丝断丝检测的主要难点是：生丝直径很细，尺寸为几十微米，不同规格的生丝直径差异极小，很难区分[1]。目前国内外对生丝断丝的检测方法主要有光电检测、电容式检测、图像检测等[2]。光电检测方法依据光电对射原理，对光电接收管接收的电信号进行检测处理[3-5]。文献[6-7]利用光电检测方法研制出SD-1型细度仪，通过比较2只光敏管之间的信号差异，实现对生丝直径的判断。电容检测依据的是电容转换原理，由于生丝的介电系数大于空气的介电系数，通过生丝断丝前后引起的电容量的变化进行检测。乌斯特型条干均匀度仪通过应用电容检测方法实现了对生丝断丝故障的检测[8]。图像检测方法通过使用远心光路结合线阵CCD(电荷耦合器件)图像传感器获得生丝图像，经过计算机图像处理模块，对图像进行阈值分割、形态学等一系列处理，得到生丝纤度数据[9-10]。费万春等[11]提出了一种依据CCD图像传感器对生丝截面积的检测方法。

生丝直径很细，断丝前后的电流信号、电容信号或图像信号差异不明显，且易受外界干扰，不易采集，导致单片机对生丝断丝信号的识别存在误差。本文针对现有检测方法存在的缺陷，依据光电对射原理，将光电发射管和光电接收管分别安装在装置水平位置两端，生丝放置于发射管和接收管之间然后配合生丝断丝间接测量机构，通过比较接收管接收生丝断丝前后的信号变化以实现对生丝断丝故障的实时检测。

1 传感器检测原理

本文提出的混合式生丝断丝传感器检测原理如图1所示。

1—指示灯； 2—轴； 3—轴承； 4—生丝； 5—过丝勾；6—光电发射管； 7—光电接收管； 8—装置外壳。

生丝未发生断丝故障时，过丝勾5和生丝4在纤度机绕卷机构的拉力作用下同时被拉起，所处工作位置如图1位置I所示。光电发射管6持续向外界发射出特定波长的红外光信号，光电接收管7接收红外光信号并将其转换成电信号。微弱的电信号经信号放大、信号整形电路后，输出供单片机AD采集端接收。单片机输出高电平控制信号指示灯点亮，提示操作人员未发生断丝故障。

生丝发生断丝故障时，生丝4和过丝勾5所处工作位置如图1位置II所示，过丝勾正好处于光电发射管6和光电接收管7的光电信号传播路径之间，阻碍光电接收管7对红外光信号接收。接收的信号为零，对应转化成的电信号也为零。单片机输出低电平，信号控制指示灯熄灭，纤度机停机，并提示操作人员生丝发生断丝故障，需立即采取相应的生丝断丝处理措施。图2示出传感器安装实物图。

图2 传感器安装实物图Fig.2 Physical map of sensor installation

2 传感器设计

2.1 机械结构设计

传感器机械部分包括生丝断丝间接测量机构和光电管安装机构。生丝和设计的过丝勾结构构成生丝断丝的间接测量机构，通过把对生丝断丝故障的检测间接转换成过丝勾位置的检测，实现断丝故障信号的转换和放大。生丝绕取过程中，根据纤度机绕卷机构是否能够将传感器中的生丝断丝间接测量机构拉起来判断生丝断丝情况。设计的传感器3-D模型图如图3所示。

图3 传感器三维模型图Fig.3 3-D Model device of sensor

图3中传感器机械结构部分由外壳、轴、轴承、过丝勾等部件构成。过丝勾安装在轴上斜形安装孔中，轴和轴承配合安装在外壳上。过丝勾采用直径为0.5 mm的钢丝弯制2～3圈而成，本身具有一定自重和横截面积。光电发射管和接收管分别安装在外壳的水平安装孔内。传感器在检测生丝发生断丝故障时，过丝勾在自身重力作用下下落，下落位置处于外壳水平安装孔之间，正好阻挡光电接收管和光电发射管之间光信号的传输。传感器检测生丝未发生断丝故障时，过丝勾和生丝由纤度机绕卷机构提供的拉力拉起，光电接收管接收到光电发射管发射出的红外光信号。传感器将生丝和过丝勾作为一个整体，间接用过丝勾替代生丝作为检测对象进行检测，解决了生丝由于直径很细，断丝前后信号变化不明显的问题。

2.2 传感器电路系统

2.2.1系统整体信号分析

传感器电路系统包括光电信号发射模块、信号接收模块、信号放大模块、信号整形模块和单片机控制模块。系统主要功能是完成对光电信号的发射、接收和处理。光电发射管发射红外光信号，供光电接收管接收并转换成电信号。信号经运算放大器放大，再经比较器电路整形输出供单片机AD采集端采集。系统信号图如图4所示。

图4 系统信号图Fig.4 Signal diagram of the system

图4中系统由光电发射管发射出光信号经光电接收管接收并转换成弱电信号，弱电信号经高精度运算放大器放大和比较器处理后供单片机AD采集端采集。生丝发生断丝故障时，过丝勾落下阻断红外光信号传输。光电接收管接收不到由光电发射管的输出信号，导致单片机AD采集端采集的信号为低电平。单片机控制端输出低电平信号，LED指示灯熄灭，提示生丝发生断丝故障，纤度机停机。纤度机正常绕取生丝过程中，过丝勾被拉起，光电接收管接收发射管输出的光信号。信号经放大模块、整型模块处理后供单片机AD采集端采集。单片机控制端输出高电平信号，LED指示灯点亮，提示生丝未发生断丝故障。

2.2.2传感器硬件电路设计

传感器硬件电路如图5所示，由信号发射电路、信号接收电路、放大电路、整形电路、单片机模块构成。图中标号1～5分别对应各个电路的输入输出信号检测点。

图5 硬件电路设计图Fig.5 Design diagram of hardware circuit

1号检测点信号为光电接收管D0接收光电发射管D1的输出信号。采用5 V直流电压源驱动光电发射管D1向外界持续输出红外光信号，光电接收管D0接收红外光信号并将其转换成电信号传输给信号放大电路。采用光电发射管和光电接收管能保证信号传输的稳定性和持续性，满足实际应用需求。

2号检测点信号为OP07运算放大器的输出信号，且为比较器LM393的输入信号。光电接收管D0转换成的弱电信号经运算放大器OP07放大，使信号更易被识别，并提高了信号的抗干扰能力。

3号检测点信号为比较器LM393的阈值电压输入信号。通过改变电阻R3和R4的电阻值来设置合适的阈值并与放大器输出信号进行比较，该阈值设定范围为2号检测点生丝断丝和未断丝2种状态电压信号值大小之间。

4号检测点信号为比较器LM393经比较后的输出信号，且为单片机采集端的输入信号。比较器正向输入信号大于反向输入信号时，输出高电平，反之比较器输出低电平。

5号检测点信号为单片机的输出控制信号以及与上位机通信的串口信号。一方面，单片机通过输出高低电平控制LED灯D3亮灭和纤度机启停，实现对生丝是否发生断丝的检测。生丝未发生断丝故障时，单片机输出高电平，控制LED灯D3持续点亮；生丝发生断丝故障时，单片机输出低电平，控制LED灯D3熄灭和纤度机停机，提示丝线发生断丝故障。另一方面，单片通过串口与上位机通信，实现对生丝断丝检测的远程控制。

3 实验与结果分析

3.1 实验准备

传感器安装在QDJ920-II型生丝纤度机上，纤度机绕取22.222 2～24.444 4 dtex(20～22 D)生丝200组(每组100圈)，用于对生丝纤度的检测。纤度机的转速设定为300 r/min，并且用示波器对图5中的1～5检测点的信号进行监测。生丝断丝传感器采用光电二极管型号分别为SFH213FA(光电接收管)和SFH4554(光电发射管)，生丝断丝传感器工作电源为5 V直流电源。

3.2 实验结果

检测点1的信号变化如图6所示。图中4～5 s时间段电压值发生跳变，表示传感器检测出生丝发生断丝故障。传感器正常运行电压值为0.11 V，而生丝发生断丝故障时过丝勾下落，此时检测点1的电压值变为0.76 V。

图6 光电接收管接收信号变化图Fig.6 Variation diagram of received signal by photoelectric diode

检测点2的信号变化如图7所示。该信号是经OP07运算放大器放大后的输出信号，图中4～5 s时间段生丝发生断丝故障，其电压值下降为1.22 V。其他时间段生丝未发生故障，电压值为2.2 V。

图7 运算放大器输出信号变化图Fig.7 Variation diagram of output signal by operational amplifier

检测点3的信号变化如图8所示。该信号为比较器LM393阈值电压信号，是通过电阻R3和R4串联分压得到。电压值是通过调节电阻R3、R4阻值得到，本文实验中电压值设为1.52 V，阈值电压范围设为1.3～2 V。

图8 比较器阈值信号变化图Fig.8 Variation diagram of threshold signal of comparator

检测点4的信号变化如图9所示。该信号为比较器LM393输出信号，经比较LM393正反输入端信号电压值后得出。图中4～5 s时间段的电压电平跳变表示发生断丝故障，运算放大器输出信号电压值小于比较器阈值电压，比较器输出高电平3.3 V电压。其他时间段生丝未发生断丝，运算放大器输出信号电压值大于阈值，比较器输出低电平电压。

图9 比较器LM393输出信号变化图Fig.9 Variation diagram of output signal by comparator LM393

检测点5的信号变化如图10所示。

图10 单片机输出的控制信号变化图Fig.10 Variation diagram of control signal by SCM

该信号为单片机采集比较器输出信号后输出的控制信号。生丝未发生断丝，单片机输出高电平，LED指示灯点亮。图中4～5 s时间段电平的变化表示生丝发生断丝故障，单片机输出低电平控制信号，LED指示灯熄灭。

4 结束语

本文应用光电对射原理，光电接收管接收光电发射管发射的光信号并将其转换成电信号，再通过生丝断丝间接测量机构，将生丝断丝前后光电接收管接收到的信号差异进行放大后供信号处理电路处理和单片机采集，实现对生丝断丝的准确检测。传感器对外提供了串口接口与上位机通信，实现生丝断丝检测的远程控制和实时显示功能，进一步扩大了传感器的应用范围。结果表明，传感器运行稳定，当生丝发生断丝时可在短时间内检测出生丝断丝故障并及时提醒操作人员处理。该传感器对生丝断丝检测具有较高检测精度和灵敏度，在纺织领域具有较高的实用价值。