基于双传感器融合的纱疵检测技术

王 瑜,刘 佳

(陕西长岭纺织机电科技有限公司,陕西 宝鸡 721013)

1 检测原理

目前,纱疵分级系统疵点检测大多根据所纺品种数量和环境条件选用单传感器,将纱线质量、形状、材质等变异情况转化为电信号进行分析处理,以寻找规律检测纱疵。按照技术原理,将其分为电容式、光电式和图像式3种。图像式因纱线运行速度(300 m/min～2000 m/min)与拍照处理速度的限制,难以实现最低检测精度(2 mm)及背景光源的要求,在纱疵分级系统中应用极少,故本文不进行研究。

1.1 电容式检测

电容式检测利用电容传感器中对立的检测极板间输入纺织纤维质量与电容量之间的变化关系原理,对纱线变异情况进行检测,属于非接触式检测。

在理想情况下,当电容传感器的平行极板检测区没有待测纱线时,填充物是干燥的空气,其介电常数理论值为1,电容量最小;当待测纱线以一定速率穿过检测区时,平行电容极板间的介电常数就会发生改变(纤维的介电常数比空气稍大,其产生的电容量就会增加)。不同品种的纱线,因纤维密度、体积、含水率差异,其介电常数和电容量不同。电容式检测原理示意见图1。

1—纱疵;2—电容极板;3—纱线。图1 电容式检测原理示意

当平行电容极板中无纱线时,其电容量为C0;当放入介电常数为ε的纱线时,电容量为C,故电容量的相对变化量为ΔC=C-C0。纱线直径d与平行板距离L之比λ,是纱线在平行电容板中所占体积与平行板电容器所包围的体积之比,称为充满度。

电容量变化率计算见式(1)。

(1)

在充满度很小的情况下,即λ<<1时,

(2)

从式(1)和式(2)可以发现,由纱疵引起的电容变化量与纱疵体积成正比关系。当纱疵的密度恒定时,电容变化量与其质量成正比关系。单位长度内,可将纱线质量的变化转换为纱线截面积的变化,用电容量变化反映纱线截面积的变化,即可进行纱线粗细节等疵点的检测。

电容式检测在检测通过极板间纤维质量变化的同时,极易受到环境温湿度及纱线回潮率的影响,进而影响检测的准确性。目前,通过提高电场频率、修正补偿及自适应增益调整等方法进行改善。

1.2 光电式检测

光电式检测亦为非接触检测,其利用光学组件将纱线外观直径的变化和异色纤维信息转换成相应的电脉冲信号以甄别疵点。

通常,固定波长的光照射到不同颜色的反射面上,因反射面反射系数不同,故被吸收光的比例各异。若白色或本色纱线上有其他颜色异纤,则反射光强比纱线无异纤时的反射光强小,加之纱线由于毛羽、疵点等引起的形态变异,通过光学组件时会产生不同的反射量和透射量。同时,待测纱线直径大小会表现为不同的光电信号幅值,可根据光电信号幅值、反射值、透射值变化进行纱疵和异纤判断识别[1]。

光电式检测传感器由光路器件、发光器件和接收器件组成。其中,光路器件采用透光性能优、机械强度好的高分子材料制作而成,能够将光线透射成强度均匀的光场;发光器件为LED二极管,光场均匀且能有效减少外部干扰;接收器件可以将光信号变为电信号,一般选用硅光电池等。光电传感器结构示意见图2。

图2 光电式检测原理示意

光电检测将光强度转化为电信号时,易受到环境光照及检测区污渍、光源器件衰减的影响,导致无法感知纱线材料变化情况及扁平纱疵。

2 双传感器融合技术

从优势互补角度出发,将电容传感器和光电传感器集成,用于检测更完备的纱疵信息,进一步提高检测系统稳定性与可靠性。在空间上,同1个传感器内部并列安装极板电容器与光电检测模块,两者检测空间场互不干扰,外型均设计为U型检测槽以便纱线通过;在时间上,2种组件同时采集信息,分别通过2个独立的检测单元进行处理,后经AD转化输入至MCU,依据某种规则进行综合分析评估。

2.1 电容检测电路

电容式检测中,因水的介电常数是纤维的十几倍,纱线相对湿度的变化引起纤维含水率变化,对介电常数的影响很大,在设计上采用振荡式检测电路和鉴频电路(见图3),以提高检测效率。

图3 改造后剑头结构

图3 鉴频电路

被线圈L3耦合的、未经调制的信号被调定在鉴频电路谐振点上,其频率为30 MHz。当电容检测极板间无纱线时,鉴频电路输出为直流信号,即为检测电路的零点电平;当通过检测极板间的动态纱线不匀波动(纱疵)引起电容器CM输出发生波动时即被调制,通过二极管D4和D5分别被检波分离。

2.2 光电检测电路

经过光电组件获取的纱线电信号包括反射信号和透射信号2种,按照信号流程顺序,本设计采用的恒流源驱动电路为LED光源,即通过发光二极管提供恒定电流,从而保证光源发光强度恒定,使LED始终保持合适的亮度。接收器件采用硅光电池,在光生伏特效应的作用下把光能转换为电能,其PN结面积更大些,因而受到光照时能够产生相对较大的电动势和电流[2]。

调理电路对经过AD采样后的微弱电流信号进行调理。经过调理处理、AD转换后的信号,以数字量的形式传递给微处理器对透射信号、反射信号进行软件滤波及积分等相关运算,最后通过SPI接口传递给位于电容检测单元上的主控制器,由主控制器根据监控软件设置的长度和幅度标准进行分析判断,并同电容式检测测量的数据一起通过CAN总线传送给监控主机进行分析显示。

2.3 CAN通信电路

CAN通信电路有多主控制、通信速度快、通信距离远、连接节点多及在总线上增加单元时,已有单元软硬件不变等优点,本应用处理单元通过CAN通信方式进行信息交换,通信速率为500 Kb/s[3]。CAN协议控制和总线接口为PCA82C251T集成电路,提供数据差分信号收发功能。

在与整个纱疵分级系统控制中心进行信息交换时,通过CANNET转换卡将CAN信号模式转换为网络通信Ethernet标准信号进行处理。

2.4 处理软件流程

电容检测单元的主控制器处理软件流程见图4。

根据处理软件与监控软件的协议规定,按照约定命令格式由处理软件将疵点数据(幅度、长度、类别)、灵敏度检测数据、噪声数据、零点数据等发送给监控软件进行整理,并在界面相应单元模块中显示。

3 基于双传感器融合的纱疵检测技术

基于双传感器融合的纱疵检测技术,借助纱疵分级系统成熟的、行业通用的疵点判断模型,将双传感器融合技术应用在YG072F纱疵分级系统中。因检测槽内纱线毛羽的干扰会使光场输出信号产生偏移,进而影响纱线平均直径的测试。为解决平均直径(即电压基准零点)偏移问题,对检测技术增加试纱功能,即对待测纱线品种起始500 m～800 m处进行直径均值计算,将其作为同品种测试数据判断的标准,此值可根据需要定期或不定期进行更新。

经过大量测试发现,反射信号异常而透射信号正常,可以判断为颜色异纤;反射信号较小、透射信号变大为细节;反射信号变大、透射信号变小为粗节;反射信号稍大、透射信号略小,则可能为毛羽影响。毛羽和粗节对反射信号和透射信号的影响趋势基本一致,相对而言毛羽对透射信号的影响较大,粗节对反射信号的影响较大,常规NSLT纱疵的判断由两种传感器信息融合后进行分析[4]。

应用双传感器融合技术的纱疵分级系统,对14.7 tex紧密纺纯棉纱线进行测试,其数据报表见图5,图中“FD:3”表示本次测试发现了3个异纤纱疵。检测时,仅通过1次检测便可以得到纱线形态、颜色等维度的疵点信息,减少了多传感器或多次测量对纱体的损伤。

图5 纱疵分级系统检测结果

4 结语

光电传感器不受纤维品种、环境温湿度、纱线回潮率、金属夹杂等影响,且对特殊材料混纺纱线及湿度较大的检测环境具有良好的适应性;电容传感器对扁平纱疵、纱线捻度、纱线光泽、环境中的灰尘和散射光等几乎无影响,可以长期稳定地在飞花较多的棉纺生产车间工作。

实践证明,基于双传感器融合的纱疵检测技术,能够较好地扬长避短,为纱疵检测工作提供更准确、更多样、更全面的检测信息,具有广泛的实用价值。但由于本系统光电部分设计识别的主要目标是异色丙纶丝、头发等较长纱疵目标,对于叶屑等植物纤维和长度小于2 mm的异色目标未做判断,因而可能存在漏疵问题,需要进一步优化。