在线张力传感器的设计与实现

陈传亮，王成群，吕文涛，徐伟强

（1 浙江理工大学 信息学院，杭州 310018；2 浙江理工大学 纺织科学与工程学院，杭州 310018）

0 引 言

在纺织及化纤等工业生产中，丝线的张力是一个十分重要的技术参数。张力的不均匀性会直接影响丝在筒管上的成型，还会影响着色的均匀性。因此，如何提高纱线生产过程中纱线张力检测的灵敏度、精确度以及实时性，成为研究的热点。目前，国内外常见的纱线张力传感器主要有差动电容式、磁电式、声表面波式、光纤Bragg光栅式，以及基于CCD技术和基于光电传感器技术的纱线张力传感器。其中，前4种属于接触式张力传感器，后2种属于非接触式张力传感器。由于接触式张力传感器普遍采用三点弯曲测力结构，引入了额外的导纱轮摩擦环节，长时间在线测量会对纱线的品质造成一定的影响。因此，接触式张力传感器适用于纱线生产的离线巡检环节，不可应用于高速在线检测的场景。非接触式张力传感器因其测量元件不需要接触纱线，一定程度上避免了检测过程对纱线质量的影响。但是，由于检测采用的技术容易受到检测环境的影响，同样不适用于高速在线检测场景。随着纺织技术高速发展，纱线和织物的加工速度也越来越高，传统的纱线张力传感器已无法完全满足现代纺织工艺的需求。

针对以上问题，本文设计了一款应用于高速纺丝生产环节中的在线张力传感器。可以保证高速环境下对丝线的质量无破坏，并可以进行张力数据在线采集以及可视化显示，可以实现生产过程的自动化、智能化，进而提高纺丝的质量和效率。

1 系统设计

张力传感器的整体框架如图1所示。系统主要由LPC1768主控模块、张力检测模块、电机驱动模块、光电检测模块、通信模块、系统电源模块等6部分组成。其中，电机驱动模块通过步进电机完成对2个辅助滑轮的移动控制，组成三点弯曲张力检测结构；光电检测模块可进一步保证2个辅助滑轮达到最佳的检测位置，对其位置进行精确定位；力传感器完成纱线张力信息到电信号的转换；信号处理模块对力传感器输出的原始信号进行放大处理；LPC1768主控芯片自带的A／D模数转换模块，完成模拟信号的数字化处理；处理后的数据通过通信模块传输到上位机，并对纱线张力信息进行实时显示。

图1 传感器总体结构图Fig.1 Overall structure diagram of sensors

2 硬件电路设计

2.1 LPC1768主控模块

主控模块采用ARM Cortex-M3内核的LPC1768作为主控芯片，LPC1768控制器含有丰富的内部外设，使得该处理器非常适合运动控制应用。LPC1768芯片采用32位操作，工作电压为3.3 V，工作频率可高达100 MHz。其中包括4个UART、8通道的12位ADC、电机控制PWM、4个通用定时器、6输出的通用PWM，以及多达70个的通用I／O引脚，可满足相关的功能需求。

2.2 信号采集及处理模块

力传感器采用S型结构，该结构具有较好的线性度和重复性，拉压均可使用。此外，系统对传感器零点和灵敏度温度影响进行了补偿，保证了传感器的长期稳定性。电阻式力传感器输出的是mV级的模拟小信号，容易受到检测环境的干扰，因此接入INA128的输入端，对其进行信号放大。由于电阻式力传感器最大输出为5 mV，为方便检测放大后的模拟信号，电压范围保证在±4 V之内，因此放大倍数应该取值在800左右，即80050 kΩ，（）≈62 Ω。放大电路如图2所示。

图2 信号处理模块电路图Fig.2 Circuit diagram of the signal processing module

图2中，IN-与IN＋连接力传感器的电势输出端，IN1为放大之后的信号，将该信号送入到LPC1768主控芯片进行模数转换等相关运算。

2.3 电机驱动模块

电机驱动模块采用Allegro MicroSystem公司生产的A3979SLP作为步进电机驱动芯片，芯片内含脉冲分配器使每输入一个脉冲，电机就走一步，不需要相序表、高频控制线或复杂的程序接口。而且内部还含有同步整流控制电路，可以实现滞后热关机、欠压锁定、交叉电流保护功能，芯片输出高达35 V和±2.5 A。芯片内部包括一个固定关闭时间的电流调节器，能够在慢、快或混合衰减模式下运行，进一步降低电机的可听噪声，提高步进精度，降低功耗。步进电机驱动电路如图3所示。

图3 步进电机驱动电路图Fig.3 Stepping motor drive circuit diagram

2.4 通信模块

通信模块主要包括串口通信和以太网通信，负责上位机和下位机通信。上位机通过串口通信发送校准指令给下位机，并通过串口通信实时在线显示下位机采集到的纱线张力信息；下位机接收并执行上位机的指令，控制A3979SLP驱动模块驱动步进电机。通过以太网的方式，将各个张力传感器连接起来，实现多站点大规模通信。以太网通信电路如图4所示。采用双以太网通信方式，兼容性好，通信速率快，便于调试与监控。

图4 以太网通信模块电路图Fig.4 Circuit diagram of the Ethernet communication module

2.5 光电检测模块

系统增加光电检测模块，确保辅助滑轮不越界，并始终处于最佳的检测结构。光电检测开关精度高、响应速度快，并且不与被检测物体直接接触，减少了磨损。当挡片、即辅助滑轮挡住光电开关中发光二极管的光，光电检测模块PHS端口输出低电平信号，主控制器通过判断接收到的信号来控制步进电机停止。光电检测模块电路如图5所示。

图5 光电检测模块电路图Fig.5 Circuit diagram of the photoelectric detection module

2.6 电源模块

为了保证电路正常工作，需要提供2种供电电源。其中，5 V直流电源由12 V直流电源经电压转换芯片LM2576R-ADJ获得，计算公式为：

其中，V表示稳压器取样电路的基准电压，这里为1.23 V。

5 V电源直接为传感器模块、光电检测模块、电机驱动模块等供电，并经AMS1117-3.3稳压模块压降到3.3 V，为LPC1768主控芯片、通信模块等供电。电源模块电路如图6所示。

图6 电源模块电路图Fig.6 Circuit diagram of the power module

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

3.1.1 主函数设计

系统软件流程如图7所示。系统加电后，工作流程主要包括系统及各模块初始化；上位机发送校准参数指令；主控芯片控制步进电机运动，直至辅助轮到达最佳检测位置；张力检测单元采集张力信息，并传输到上位机上显示。其中，辅助滑轮在步进电机的控制下达到最佳的检测位置，组成最佳检测结构进行检测。若辅助滑轮超过最佳检测位置，会被光电模块检测到，并迅速反馈到主控芯片，控制步进电机停止运动，进一步保证了张力检测时为最佳的检测结构。如果系统检测到20 s内无数据处理，则系统会进行报警，并判断是否重新启动系统。

图7 主函数程序流程图Fig.7 Flowchart of main function program

3.1.2 电机速度控制设计

由于步进电机在整个运动过程中，需要经过加速-匀速-减速的过程，为了减小振动对信号采集的影响及精准定位，本文采用型曲线，对步进电机进行加减速的控制。速度控制是通过控制系统的脉冲频率或者周期来实现的。首先，计算出脉冲时间数列对应的定时器的载入值，并通过实验数据计算出最佳检测结构，对应步进电机的总步数，保存在主控芯片中。通过查阅参数值表即可实现步进电机指定速度的控制。步进电机型曲线控制流程如图8所示。

图8 S型曲线步进电机控制程序流程图Fig.8 Control program flowchart of S-shaped curve stepping motor

3.2 上位机软件设计

为了让用户更加直观地查看检测结果，设计了一个上位机显示界面。上位机界面是使用QT软件开发设计得到的。上位机软件界面如图9所示。图9中，右边窗口（实时张力变化）显示实时的纱线张力数值变化曲线；中间位置（张力大小）显示拟合后的张力数值。应用中可根据需要，随时进行开始、停止张力检测系统以及张力信息界面刷新操作。

图9 上位机软件界面Fig.9 The interface of upper computer software

4 实验测试与分析

4.1 测试平台

在系统软硬件分析结束后，将依据系统硬件部分的设计来展开实物的搭建工作，并根据软件部分的设计进行系统的调试，根据实验测量的结果来判断是否已达到预期的设计目标。实验测试平台如图10所示。

图10 实验测试平台Fig.10 Experimental test platform

4.2 实验结果与分析

实验过程中，使用砝码模拟提供纱线张力，采集到的数据经过放大、模数转换等处理后，张力值显示在上位机上。传感器采集到的张力值与相对应的砝码重量往往不是线性关系，因此需要使用最小二乘法构建数学模型，可以较好地减少干扰信号与测量误差带来的影响。在标定过程中，使用标准砝码间隔5 g质量，由小到大、再由大到小重复多次测量，可以有效减少测量过程中的人为误差，最终测得0～150 gN的张力变化数据。为保证实验数据的准确性，每次改变砝码加载质量后会停顿30 s，记录10次数据并求出平均值。

表1是测量的一组数据，根据表1中的检测数据、并利用最小二乘法，求出张力传感器的值输出与纱线张力（纱线负载）之间的函数方程关系，对此可表示为：

表1 标定张力值与对应AD采样值对照表Tab.1 Comparison between calibrated tension value and corresponding AD sampling values

通过对表1的数据进行拟合分析后发现，实验采集到的样本点几乎在一条直线上，如图11所示。拟合结果证明该纱线张力传感器在进行AD采样时，在标定范围内有很好的线性。

图11 张力拟合曲线Fig.11 Tension fitting curve

5 结束语

本文探讨了基于LPC1768为核心的纱线张力传感器设计，通过间歇式检测纱线张力信息，解决了传统纱线张力传感器耐磨性差以及数据测量误差大的问题。实验结果表明：该纱线张力传感器在标定范围内有很好的线性，并且实时性好，稳定性强，同时纱线张力检测的智能化、自动化进一步提高，对劳动力的解放具有积极的意义，并在纱线生产场景中显示出较好的实用价值。