CN102279282A - 一种用于棉花异性纤维检测的风速传感器和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于棉花异性纤维检测的风速传感器和检测方法，中心轴承通过滑动滚珠连接风向杯装置，在风向杯装置外沿周向水平均布若干个风向杯；中心轴承的中段同轴固套齿轮，齿轮的每个锯齿的齿顶端固定粘贴磁钢片；霍尔传感器前端上具有感应开关元件，感应开关元件位于磁钢片附近位置且两者在同一水平面上，霍尔传感器内部连接光电耦合器，风向杯随着风吹进行旋转带动中心轴承和齿轮同步旋转，磁钢片与霍尔传感器开关之间产生霍尔效应；再通过单片机采用多周期同步方法测得脉冲信号的频率，该脉冲信号正比于风向杯转速的信号，实现在全频段范围内等精度测量输出信号，减小了测量误差，提高了对脉冲信号频率的测量精度。

Description

一种用于棉花异性纤维检测的风速传感器和检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于现代工业检测的风速传感器，尤其是指一种应用在棉花异性纤维的识别检测过程中能够精确测量的风速传感器。

背景技术

棉花中的异性纤维是指混入棉花中对棉花及其制品质量有严重影响的非棉纤维和非本色纤维，如化学纤维、毛发、丝、麻、塑料膜和染色线等。异性纤维在皮棉中的含量虽少，但对纺织品的质量影响严重，一旦混入参与纺织不但影响纺纱能力，而且染色后会使布面出现各种色点，严重影响布面外观质量。目前，对于异性纤维的处理，国内外统一采用两种方法，一是光学检测，主要是利用工业高速CCD相机，借助光敏元件对棉层加工过程中的棉层成像，之后对图像进行处理得到结果；二是采用传感器来检测，利用电容式传感器和微电子技术进行信息检测，对加工过程中的棉层进行检测得到结果；这两种方法的缺陷是：价格昂贵、清理效果差，无法满足棉花质量评定检验中异纤含量精确测量的需要。

目前，国内外常规的风速传感器有叶轮风速仪，固体正交测风仪，压力板测风仪，螺旋推进测风仪，热线测风仪，超声波测风仪，激光测风仪等等，大致可归为两大类：热式测风传感器和力式测风传感器。热式风速传感器是基于热源在风流流过后产生的热梯度的原理来测量风速的。随着风速的变化，热源向风中传递的热量也在变化，这引起热源热梯度的变化，通过电路测量电阻阻值的变化能够得到风速的信息；具体有两种工作方式：通过测量热线的热电阻变化来测量风速的恒流工作方式和通过测量加热电流来测量风速的恒温工作方式。力式测风传感器是将风速的信息转变为力或者压强的信息，再检测力或者压强所引起的敏感结构的形变信息来测量风速，其信号检测多采用电容、压阻、压电等方法。热式风速传感器的缺点是功耗大，热传导会导致测量误差，零点随环境温度漂移，响应时间长，高风速测量时不稳定，有很大局限性。力式测风传感器中电容检测虽然结构简单，响应快，温漂小，但是线性不好；压阻检测灵敏度低，温度效应明显；压电检测虽然灵敏度高，但是电路和压电薄膜的制作较为复杂。所以不管是因为装置本身机械惯性的影响还是测量原理的限制，大部分仪器都存在一定的弊端，是不能够满足测量准确度和特定的环境风速测量要求的。而随着检测技术和制造工业的发展，以及人们对环境要求的提高，实际测量时迫切需要一种具有体积小、重量轻、成本低、准确度高的风速传感器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中棉花异性纤维检测普遍存在的误差大和测量精度不高的问题，提出一种用于棉花异性纤维检测的结构简单、操作方便、测量精度高的磁电式风速传感器；本发明同时还提出采用该风速传感器进行检测的方法。

为实现上述目的，风速传感器采用如下技术方案：包括机械测风结构和电测结构两部分，机械测风结构包括水平放置的支撑底板和垂直连接支撑底板的轴承旋转装置，轴承旋转装置由中心轴承和滑动滚珠组成，滑动滚珠周向均布于中心轴承的上段，中心轴承通过滑动滚珠连接风向杯装置，在风向杯装置外沿周向水平均布若干个风向杯；中心轴承的中段同轴固套齿轮，齿轮的每个锯齿的齿顶端固定粘贴磁钢片；所述电测结构由霍尔传感器、光电耦合器、单片机和显示器组成；霍尔传感器前端上具有感应开关元件，感应开关元件位于磁钢片附近位置且两者在同一水平面上，霍尔传感器内部连接光电耦合器，单片机分别与光电耦合器和显示器相连接。

该风速传感器的检测方法是：风向杯随着风吹进行旋转，带动中心轴承和齿轮同步旋转，磁钢片与放置在其附近的霍尔传感器开关之间产生霍尔效应；霍尔传感器将齿轮的转动转化为脉冲信号，齿轮每转动一次锯齿，霍尔传感器便输出一个脉冲信号，经光电耦合器后，再通过单片机测得脉冲信号的频率，即被测信号                                               

的频率，该脉冲信号正比于风向杯转速的信号。

进一步地，本发明的单片机采用如下多周期同步方法测量脉冲信号的频率， 

第一步：调用单片机的预置子程序先产生一个预置信号输出至D触发器的D端，被测信号

同步从D触发器的CP端输入；

第二步： D触发器是上升沿触发，在D触发器的输出端Q得到了与输入信号同步的闸门脉冲信号

，将闸门脉冲信号

输入单片机的INT0和INT1端，以控制单片机的计数器T0和T1的计数；将标准时钟信号

和被测信号

分别输入计数器T0和T1计数；

第三步：当闸门时间上升沿到来时，计数器T0和T1开始计数；当信号下降沿到达时，停止计数，读入并保存对被测信号

和标准时钟信号

的计数值

和

；通过公式

计算得到被测信号

的频率值。

本发明的有益效果如下：

1. 本发明采用MCS-51系列的单片机对周期波频率进行测量，输出测量值，直接进行计算处理，实现测量的智能化，省去了间接对频率测量的麻烦和错误。

2. 本发明采用了多周期同步这一种新的测量脉冲信号频率的方法，能够实现在全频段范围内等精度测量输出信号，减小了测量误差，提高了对脉冲信号频率的测量精度。 

3. 本发明测风结构的设计采用霍尔原理来进行动态风速的检测，使得结构简单、操作便捷、运行可靠及维修方便。 

4. 本发明的电测装置部分能够自动的传输、记录、分析对风速的动态测量结果，使用方便，操作简单。利用被测脉冲信号来预置一个同步的时间脉冲（包含若干个被测信号周期），通过事件计数值、时间计数值及时钟频率来计算被测脉冲信号的频率，保证在测量的全量程范围内，测量的精度不变，大大降低了测量误差，确保了测量的精确度。

5. 本发明的霍尔传感器具有频率响应快、灵敏、可靠、体积小、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低和抗干扰能力强等优点，与磁钢片配套使用，能够提高测量的精确度，满足测速要求。

附图说明

    图1 是本发明风速传感器的整体结构图；

图2 是棉花异性纤维检测的整体运作图；

图3 是测量电路的连接图；

图4 是多周期同步测量的工作时序波形图；

图中：1.中心轴承；2.滑动滚珠；3.风向杯装置；4.风向杯；5.轴承旋转装置；6.齿轮；7.磁钢片；8.感应开关元件；9.霍尔传感器；10.光电耦合器；11.单片机；12.显示器；13.支撑底板。

具体实施方式

参见附图1，本发明主要包括机械测风结构和电测结构两部分。

其中，机械测风结构包括支撑底板13和连接在支撑底板13上的轴承旋转装置5，支撑底板13水平放置，轴承旋转装置5与支撑底板13垂直连接。轴承旋转装置5由中心轴承1和滑动滚珠2组成，在中心轴承1的上段，周向均布滑动滚珠2，中心轴承1通过滑动滚珠2连接风向杯装置3，在风向杯装置3外沿沿圆周方向水平均布若干个风向杯4。中心轴承1的底部垂直连接支撑底板13，中心轴承1的中段同轴固定套接齿轮6，在齿轮6的每个锯齿的齿顶端固定粘贴磁钢片7。风向杯4采用的是碗状的开口设计，在实际的棉花异纤检测过程中，风速恒定在10m/s左右，所以风向杯4的形状特征对测量精度的影响是可以忽略不计的。

电测结构由霍尔传感器9、光电耦合器10、单片机11和显示器12组成。单片机11是MCS-51系列单片机，霍尔传感器9固定于支撑底板13上，霍尔传感器9为常用的直插型，采用型号为A3144的霍尔片作为霍尔模块的核心。霍尔传感器9前端上具有的霍尔感应开关元件8与齿轮6上的磁钢片7位于同一水平面上，并且使感应开关元件8位于磁钢片7附近位置，使感应开关元件8和磁钢片7相距15mm左右。霍尔传感器9内部连接光电耦合器10，单片机11通过电线分别与光电耦合器10和显示器12相连接。 

在齿轮6上粘贴磁钢片7的时候要注意，霍尔传感器9前端上的感应元件8对磁场方向敏感，在粘之前可以先手动接触一下霍尔传感器9上的感应元件8，当没有信号产生时，可以改变一下磁钢片7的方向，换一个方向再试。

本发明的工作过程如下：

参见附图2，将图1所示的风速传感器放置于棉花异性纤维检测整套工序的进风口装置处，在风速传感器的左上方的进风口和水平右方的出风口处可以各放置一台吹风机和抽风机。棉流从水平通道进入，而风从左上方吹进，在通道交接处汇合。吹风机和抽风机同时配合工作，使得棉流在通道中运行。在A-B这段距离中可以通过摄像机对运动的棉流进行拍摄，检测出棉流中所含的异性纤维。棉花异性纤维在运行时和本发明风速传感器是不会产生直接接触，因而棉流异纤不会对本发明风速传感器中的风向杯4的风速测量造成不良影响。

如图1和2所示，风向杯4的旋转速度随风速的变化而变化。风向杯4随着风吹进行旋转，带动中心轴承1旋转，同时，中心轴承1带动齿轮6也进行同步旋转，齿轮6运转时，磁钢片7与放置在其附近的霍尔传感器开关8之间产生霍尔效应。利用霍尔传感器9将齿轮6的转动转化为脉冲信号，齿轮6每转动一周，就会产生一定量的脉冲个数，由霍尔传感器9输出脉冲，脉冲幅值为12V，经光电耦合器10后，变为5V，保持同89C51逻辑电平相一致，成为了单片机11控制电路中的计数脉冲，即为被测信号。使用光电耦合器10，可将霍尔传感器9输出的被测信号和单片机11的控制电路两个部分隔开，减少测量时的干扰。霍尔传感器9检测到磁钢片7时输出高电平，没有检测到磁钢片7时输出低电平。齿轮6每转动一次锯齿，霍尔传感器9便输出一个脉冲信号，该脉冲信号是正比于风向杯4转速的信号。通过单片机11作为主控制器来测得脉冲信号的频率，将输出值直接进行数据处理，单片机11将该值数据处理后，便可以实时得出测量的风速值，风速值直接在显示器12上显示。

单片机11在实际测量脉冲信号的频率过程中，影响测量精度的一个主要原因就是脉冲信号频率的测试精度，对脉冲信号的频率，普遍采用测量频率法或测量周期法来计算脉冲信号的频率。利用测量频率法来计算时，测试的误差为

，当频率

=10时，由计数误差

引起的相对误差为

；若频率

=100时，由计数误差

引起的相对误差为

。频率

越高，引起的相对误差就越小。这说明了在棉流的测试全量程范围内，测量精度是不等的。若采用测量频率法，当被测周期较小时相对误差大，随着被测周期增大相对误差减小，同样产生了全量程范围内棉流测量精度不等的问题。为解决上述测量精度不等的问题，本发明采用了多周期同步测量的方法来测量脉冲信号的频率。

多周期同步测量方法的单片机11实现电路连接图如图3所示，单片机11以不同的端口分别连接时钟发生器、D触发器、8位数码显示器和译码器，译码器的输出连接驱动电路，驱动电路的输出连接8位数码显示器。被测信号

经放大整形电路输入单片机11，被测信号从D触发器的CP脉冲端输入，预置信号由单片机产生，从D触发器D端输入，预置信号和被测信号

通过D触发器来实现同步。选用的D触发器是上升沿触发，在D触发器的输出Q端便得到与输入信号同步的闸门信号T，闸门信号再输入单片机INT0和INT1端，用于控制单片机11的计数器T0和T1的计数。标准的时钟发生器的信号和被测信号

分别输入计数器T0和T1。单片机11还扩展了8位动态显示器来用于显示测量结果，其中串口送出待显示的数据代码，P1口的3根线通过译码，驱动后作动态显示的位选线。P1口的其他口线用来扩展键盘，用于修改预置时间。

多周期同步测量法测量频率的步骤如下：

第一步：通过调用单片机11的预置子程序，单片机11内先产生一个预置信号，从单片机11的口线输出至D触发器的D端输入，被测信号

从D触发器的CP端输入的，预置信号和被测信号

通过D触发器来完成同步。

第二步：选用的D触发器是上升沿触发的，在D触发器的输出端Q得到了与输入信号同步的闸门脉冲信号

，闸门脉冲信号

输入单片机的INT0和INT1端，用来控制单片机11的计数器T0和T1的计数。标准时钟信号

和被测信号

分别输入计数器T0和T1计数。

第三步：当闸门时间

上升沿到来时，即INT0和INT1输入上升沿信号，则控制开关闭合，计数器T0和T1开始计数。当信号下降沿到达时，控制开关断开，定时器T0，T1停止计数，读入并保存对被测信号

和标准时钟信号的计数值

和

。

事件计数器T1对被测信号

累计得：

    （1）

时间计数器T0对时钟信号累计得：

     （2）

由上面两个式子消去

得：

   （3）

根据上式，通过计算，便可得到被测信号

的频率值。

多周期同步测量的工作波形如图4所示，由于D触发器的同步作用，闸门的开和关与被测信号同步，因此实际的闸门时间

已经不等于预置时间，其大小不是固定的，但是

必定是被测信号

的整数倍，因此，事件计数器T1的累计值

已不存在

的误差。又由于标准的时钟频率

很高，

误差的影响很小，由计算式（3）可知，

的误差只与

的误差有关，而与被测信号的频率无关，在全频段范围内，时间计数

的值是固定不变的，所以测量精度在全频段范围内是均衡的。如果闸门时间

为0.5s，时钟频率

为20MHz，则在全频段的测量误差为

。

从上述分析可知，提高测量精度就是增大

或闸门时间

。一般情况

是固定的，而

是受预置时间的影响。因此，预置时间的选择必须注意两点，一是不能太小，必须能包含的多个周期；二是不能太大，即

必须小于计数器的最大值，因为

是计数器T0的累计值，而所有的计数器都有一个溢出问题。

采用多周期同步测量方法，能实现在全频段范围内等精度测量输出信号

，可以使

得相对误差小于

，甚至更小。这种测量方法比“测频法”和“测周法”都优越得多，为风速传感器测量提供了一种高精度的测量方法。

Claims (3)

1.一种用于棉花异性纤维检测的风速传感器，包括机械测风结构和电测结构两部分，其特征是：机械测风结构包括水平放置的支撑底板（13）和垂直连接支撑底板（13）的轴承旋转装置（5），轴承旋转装置（5）由中心轴承（1）和滑动滚珠（2）组成，滑动滚珠（2）周向均布于中心轴承（1）的上段，中心轴承（1）通过滑动滚珠（2）连接风向杯装置（3），在风向杯装置（3）外沿周向水平均布若干个风向杯（4）；中心轴承（1）的中段同轴固套齿轮（6），齿轮（6）的每个锯齿的齿顶端固定粘贴磁钢片（7）；所述电测结构由霍尔传感器（9）、光电耦合器（10）、单片机（11）和显示器（12）组成；霍尔传感器（9）前端上具有感应开关元件（8），感应开关元件（8）位于磁钢片（7）附近位置且两者在同一水平面上，霍尔传感器（9）内部连接光电耦合器（10），单片机（11）分别与光电耦合器（10）和显示器（12）相连接。

2.一种权利要求1所述风速传感器的检测方法，其特征是采用如下步骤：

A、风向杯（4）随着风吹进行旋转，带动中心轴承（1）和齿轮（6）同步旋转，磁钢片（7）与放置在其附近的霍尔传感器开关（8）之间产生霍尔效应；

B、霍尔传感器（9）将齿轮（6）的转动转化为脉冲信号，齿轮（6）每转动一次锯齿，霍尔传感器（9）便输出一个脉冲信号，经光电耦合器（10）后，再通过单片机（11）测得脉冲信号的频率，即被测信号                                               的频率，该脉冲信号正比于风向杯（4）转速的信号。

3.根据权利要求2所述风速传感器的检测方法，其特征是：步骤B中，单片机（11）采用多周期同步方法测量脉冲信号的频率，所述多周期同步方法是：

第一步：调用单片机（11）的预置子程序先产生一个预置信号输出至D触发器的D端，被测信号

同步从D触发器的CP端输入；

第二步： D触发器是上升沿触发，在D触发器的输出端Q得到了与输入信号同步的闸门脉冲信号

，将闸门脉冲信号输入单片机（11）的INT0和INT1端，以控制单片机（11）的计数器T0和T1的计数；将标准时钟信号

和被测信号

分别输入计数器T0和T1计数；

第三步：当闸门时间上升沿到来时，计数器T0和T1开始计数；当信号下降沿到达时停止计数，读入并保存对被测信号

和标准时钟信号

的计数值和

；通过公式

计算得到被测信号

的频率值。

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