CN106841659A - 一种棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速方法与装置，在棉流通道的异纤维检测识别区、异纤维检测识别区与异纤维清除区的连接处以及异纤维清除区的通道壁上各固定连接一个检测模块，每个检测模块都由承载板、巨磁阻传感器、金属片和永磁珠组成，承载板固定镶嵌在棉流通道的通道壁内，承载板内表面正中间处固定镶嵌有巨磁阻传感器，巨磁阻传感器的内表面中间处固定连接金属片的外端，金属片的内端向棉流通道的中心延伸，在金属片的内端中间处固定有一个永磁珠，使用巨磁阻传感器以检测永磁珠的位置变化，结合神经网络模型从而计算出棉流速度，实现了棉流速度精准测量。

Description

一种棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速方法与装置

技术领域

本发明属于棉花异纤维检测剔除机设备，特别是一种用在棉花异纤维检测剔除机上的棉流通道的测速装置。

背景技术

棉花异纤维检测剔除机是棉花生产中重要的设备，棉花进入检测剔除机的棉流通道形成棉流，经过检测区域检测异纤维，再经过剔除区域剔除异纤维，最后流出所需的棉纤维。但棉花异纤维检测剔除机只能够清除大部分而不是全部异纤维，清除率不能完全满足需求，其原因是：棉流通道中的棉流速度检测不精确，导致棉流流速控制不稳定，在检测区域当检测到有异纤维时，下达剔除指令，可能导致喷嘴提前动作或滞后动作，导致异纤维清除率较低。为了提高异纤维清除率，需要适当延长喷气时间，触发多阀联动，造成单次喷棉量过大，特别是棉流波动过大会造成误剔除。因此，提高棉花异纤维检测剔除机的棉流通道测速精度非常关键。

现有的棉花异纤维检测剔除机的棉流通道测速方法有传感器检测法、数学计算法等。传感器检测法则是利用风速传感器检测棉流通道内的风速，如利用安装在棉流通道侧壁上的风速变送器实时检测管道内的风速值。它以热膜风速计为工作原理，将一根通电加热的细金属丝（热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。但是这种传感器检测法存在以下不足之处：第一，风速变送器以热膜风速计为工作原理，根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量与流体的速度之间存在关系式，因此风速变送器受流体的温度影响较大。第二，以热膜风速计为工作原理的传感器在使用前必须进行静态或动态校准，操作很复杂。中国专利申请号为200910052326.8、名称为“棉花异纤在线检测的方法与装置”的文献中中提出了一种数学计算方法，将从红外LED照明和采样获得的数据按各喷嘴所对应的区域划分为若干段，再对各段内的蓝、红、绿进行图像处理，辨别出同一物体（棉花或异纤）依次通过蓝、红、绿三列线阵像元时的时间差，再根据CCD线阵的几何尺寸，计算出各分段内运动物体的实时速度，棉流的实时平均速度则将各分段内的棉流实时速度平均后求得。但是这种数学计算法存在以下不足之处：第一，棉流的实时平均速度计算方法是根据各分段内的棉流实时速度平均后求得的，通过两次求平均会导致与棉流各点的实际速度有较大的误差；第二，若无法依次捕获同一物体通过蓝、红、绿线阵像元时间点时，则无法计算各分段内运动物体的实时速度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有棉花异纤维检测剔除机中的棉流通道测速存在的问题，提出一种能提高异纤清除率的棉流通道测速方法与装置，能够精确检测到棉流通道内的异纤维检测识别区、异纤维检测识别区与异纤维清除区中点以及异纤维清除区三处的棉流速度，避免单次喷棉量过大，特别是棉流波动过大造成的误剔除。

为实现此目的，本发明一种棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置采用的技术方案是：在棉流通道的异纤维检测识别区、异纤维检测识别区与异纤维清除区的连接处以及异纤维清除区的通道壁上各固定连接一个检测模块，每个检测模块都由承载板、巨磁阻传感器、金属片和永磁珠组成，承载板固定镶嵌在棉流通道的通道壁内，承载板内表面正中间处固定镶嵌有巨磁阻传感器，巨磁阻传感器中的巨磁阻经导线连接信号处理模块；巨磁阻传感器的内表面中间处固定连接金属片的外端，金属片的内端向棉流通道的中心延伸，在金属片的内端中间处固定有一个永磁珠。

进一步地，巨磁阻是长方体结构，巨磁阻除内表面外的其余表面上都喷涂有一层磁性屏蔽层。

本发明一种棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置的测速方法采用的技术方案是：包括以下步骤：

A、棉流在棉流通道中运动吹动其内的金属片，不同速度的棉流对金属片产生不同大小推力，导致永磁珠与巨磁阻的相对位置发生变化，巨磁阻将输出电流输入至信号处理器模块；

B、信号处理器模块通过公式R=U/I分别计算出三个检测模块的巨磁阻的电阻R_A、R_B和R_C，U是供给巨磁阻的恒定电压；

C、信号处理器模块通过内设的神经网络模型计算出对应的棉流速度分别是v _A 、v _B 和v _C ，并计算出棉流速度v _A 、v _B 和v _C 的平均速度V，即最终的棉流速度。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、与以热膜风速计为工作原理的传感器检测相比，本发明未利用强迫对流热交换理论导出热线散失的热量与流体的速度之间存在关系，因此流体温度对本发明检测方法没有影响，能提高检测识别区的精度。

2、本发明无需在每次使用之前进行校准等其他操作，因此具有结构简单、易于操作等优点。

3、本发明使用巨磁阻传感器以检测永磁珠的位置变化，再结合神经网络技术，从而计算出棉流速度，实现了棉流速度精准测量。巨磁阻传感器有较高的灵敏度和分辨率，其更能精准地检测到永磁珠的微小的位置变化，巨磁阻传感器也不需要置位与复位电路，解决了电路的复杂性问题。

4、本发明采用的巨磁阻传感器由除了底面其余表面都喷涂有磁性屏蔽层的长方体巨磁阻制成，巨磁阻的电阻只受平行于巨磁阻表面的磁场影响，且只与磁场大小相关，与磁场方向无关。因此，避免其他磁场的干扰，提高了检测精度。

5、本发明采用多点检测，至少检测棉流通道内异纤维检测识别区、异纤维检测识别区与异纤维清除区的中点以及异纤维清除区三处的棉流速度，可实现精确监控棉花异纤维检测剔除机的棉流通道内的棉流速度。

附图说明

图1是本发明一种棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置的安装结构示意图；

图2是图1中其中一个检测模块的立体结构放大图；

图3是图2中巨磁阻传感器、金属片以及永磁珠的装配结构主视放大图；

附图中各部件的序号和名称：1.棉流输送入口；2.棉流通道；3.固定螺丝；4.第一检测模块；5.第二检测模块；6.第三检测模块；7.导线；8.信号处理模块；9.人机交互器；12.承载板；13.磁性屏蔽层；14.巨磁阻；15.金属片；16.永磁珠；17.巨磁阻传感器。

具体实施方式

参见图1，本发明棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置包括三个相同的检测模块，分别是第一检测模块4、第二检测模块5和第三检测模块6，每个检测模块均通过固定螺丝3固定连接在棉流通道2的通道壁上，棉流通道2从棉流输送入口1至通道出口方向之间依序地是异纤维检测识别区、异纤维清除区。这三个检测模块依次有间隔地布置在异纤维检测识别区、异纤维检测识别区与异纤维清除区的连接处以及异纤维清除区。三个检测模块分别通过导线7连接信号处理模块8，信号处理模块8又连接人机交互器9。信号处理模块8和人机交互器9都置放在棉流通道2的外部。

参见图2，三个相同的检测模块中的其中任一检测模块均由承载板12、巨磁阻传感器17、金属片15和永磁珠16组成，其中，承载板12为扁平的长方体结构，镶嵌在棉流通道2的通道壁内，并且通过固定螺丝3固定连接在棉流通道2的通道壁上，承载板12的内外表面与棉流通道2的通道内外壁平齐。在承载板12内表面正中间处镶嵌有巨磁阻传感器17，巨磁阻传感器17也是扁平的长方体结构，外形大小尺寸远小于承载板12的外形大小尺寸，巨磁阻传感器17通过导线7从承载板12外表面将信号输出至信号处理模块8。巨磁阻传感器17的内表面与承载板12的内表面平齐。在巨磁阻传感器17的内表面中间处固定连接金属片15外端，金属片15的内端向棉流通道2的中心延伸，使金属片15呈悬挂状态。金属片15为L型，L型金属片15的水平面固定连接在巨磁阻传感器17的内表面上，L型金属片15的垂直面向棉流通道2的中心延伸。在金属片15的内端中间处固定有一个永磁珠16。在棉流通道2中，金属片15的垂直面在从棉流输送入口1至通道出口的棉流作用下向通道出口方向弯曲，永磁珠16随着金属片15向通道出口方向弯曲发生偏移，从而使永磁珠16与巨磁阻传感器17之间的位置发生改变。

巨磁阻传感17由磁性屏蔽层13和巨磁阻14构成，巨磁阻14是扁平的长方体结构，巨磁阻14除内表面外的其余表面上都喷涂一层磁性屏蔽层13，从巨磁阻14引出两根导线7连接信号处理模块8。

金属片15可采用弹性形变能力强的碳素弹簧钢或合金弹簧钢制作，用碳素弹簧钢或合金弹簧钢制成较薄、易弯曲但不易产生疲劳金属片15。

参见图1-3，首先，在无棉流吹动下，金属片15的竖直面保持竖直向下。由人工将棉花放入棉流输送入口1进入棉流通道2，棉流从棉流输送入口1向出口吹动时，形成棉流，棉流在棉流通道2中运动，吹动棉流通道2内的金属片15，不同速度的棉流会对金属片15的竖直面产生不同大小推力。在棉流的推力与金属片15的弹力达到平衡时，金属片15的垂直面通道出口方向弯曲并稳定，使得永磁珠16位置发生变化，永磁珠16与巨磁阻14的相对位置也发生变化，则巨磁阻14的阻值会发生变化。不同的棉流速度一一对应于永磁珠16的位置，永磁珠16的位置变化又将导致巨磁阻14的阻值变化。

巨磁阻14电阻只对平行于巨磁阻14表面的磁场敏感，且只与磁场大小相关，与磁场方向无关。当磁场在小范围变化时，可认为巨磁阻14电阻随平行表面的磁场强度的大小线性变化。因此，当计算巨磁阻14电阻变化时，可以直接把巨磁阻14表面的平均磁场和巨磁阻14灵敏度直接相乘，就得到巨磁阻14电阻变化的结果。永磁珠16产生的偶极子场可以用以下公式(1)、(2)计算：

(1)

(2)

是磁标势，是磁感应强度，▽是梯度算符。利用公式(1)、(2)来计算永磁珠16的感应磁场，然后把感应磁场水平分量沿巨磁阻14的区域积分，积分结果除以巨磁阻14面积就得到沿巨磁阻14表面的平均磁场。永磁珠16的偶极子场在巨磁阻14表面的分布式不均匀，因此当永磁珠16位于巨磁阻14的不同位置时，巨磁阻14阻值不同。永磁珠16位于巨磁阻14正中间时，巨磁阻14覆盖了永磁珠16感应磁场最强的区域，巨磁阻14阻值最大。当永磁珠16位于巨磁阻14边缘时，永磁珠16的感应磁场部分处于巨磁阻14区域之外，巨磁阻14阻值变小。

在棉流通道2中，当棉流以速度在其中运动时，金属片15的竖直面受到棉流的推力弯曲稳定在一定位置，而不同位置的永磁珠16将会导致巨磁阻14的电阻值变化。因此，可知棉流速度与巨磁阻14的电阻值R两者之间存在相应的函数关系，即。采用人工神经网络技术拟合出棉流速度和巨磁阻14电阻R两者之间的函数关系。根据对棉流通道2测速过程的分析，将巨磁阻14的电阻R作为神经网络模型的输入，将待测棉流速度作为神经网络模型的输出，可构建函数。要拟合出二者的函数关系，必须获取足够的样本数据。本发明通过不同棉流速度吹过装置并获取相应的巨磁阻14的电阻R的实验方法来获取足够的样本数据，然后，选取部分实验数据作为泛化样本数据，其他的数据作为训练样本数据，并设置误差目标值及学习因子用于网络训练，得到训练后的权值和阈值。根据得到的参数，判断泛化的结果是否达到误差要求，若是达到误差要求，则保存好相应的网络模型，若是没有达到系统误差要求，则修改学习因子后再次训练网络，直到符合误差的要求为止。将训练好的神经网络模型预设在信号处理器模块8中。通过训练好的神经网络模型，根据采集的巨磁阻14电阻R，便能得到比较精确的棉流速度。

由于供给巨磁阻14的电压U是恒定的，因此，通过巨磁阻14的电流I也发生变化，这种电流I的变化信号通过导线7输入信号处理器模块8，由此，信号处理器模块8获得第一检测模块4、第二检测模块5和第三检测模块6这三个检测模块输出的电流模拟量信号。

信号处理器模块8首先对电流模拟量信号进行放大处理，放大之后将电流模拟量信号转换为能够识别的数字信号，通过公式R=U/I分别计算出三个检测模块的巨磁阻14的电阻R_A、R_B和R_C。

再通过神经网络模型，从而计算出三处采集点的棉流速度分别是v _A 、v _B 和v _C ，并计算出三个检测模块所采集的棉流通道2内三处采集点的棉流平均速度V，V=（v_A+v_B+v_C）/3，即最终的棉流速度V。

最后，信号处理器模块8将计算获得棉流速度分别是v _A 、v _B 和v _C 和棉流平均速度V上传至人机交互器9显示，能通过人机交互器9人工观察到棉流速度，并控制剔除装置动作；若三处采集点出现明显不合理值，则需对装置进行检修。

Claims (6)

1.一种棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置，在棉流通道的异纤维检测识别区、异纤维检测识别区与异纤维清除区的连接处以及异纤维清除区的通道壁上各固定连接一个检测模块，其特征是：每个检测模块都由承载板（12）、巨磁阻传感器（17）、金属片（15）和永磁珠（16）组成，承载板（12）固定镶嵌在棉流通道的通道壁内，承载板（12）内表面正中间处固定镶嵌有巨磁阻传感器（17），巨磁阻传感器（17）中的巨磁阻（14）经导线连接信号处理模块8；巨磁阻传感器（17）的内表面中间处固定连接金属片（15）的外端，金属片（15）的内端向棉流通道的中心延伸，在金属片（15）的内端中间处固定有一个永磁珠（16）。

2.根据权利要求1所述棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置，其特征是：巨磁阻（14）是长方体结构，巨磁阻（14）除内表面外的其余表面上都喷涂有一层磁性屏蔽层（13）。

3.根据权利要求1所述棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置，其特征是：承载板（12）和巨磁阻传感器（17）都是长方体结构，承载板（12）的内外表面与棉流通道（2）的通道内外壁平齐，巨磁阻传感器（17）的外形尺寸小于承载板（12）的外形尺寸，巨磁阻传感器（17）的内表面与承载板（12）的内表面平齐。

4.根据权利要求1所述棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置，其特征是：金属片（15）采用有弹性形变的碳素弹簧钢或合金弹簧钢制作。

5.一种如权利要求1所述棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置的测速方法，其特征是包括以下步骤：

A、棉流在棉流通道中运动吹动其内的金属片（15），不同速度的棉流对金属片（15）产生不同大小推力，导致永磁珠（16）与巨磁阻（14）的相对位置发生变化，巨磁阻（14）将输出电流I输入至信号处理器模块（8）；

B、信号处理器模块（8）通过公式R=U/I分别计算出三个检测模块的巨磁阻的电阻R_A、R_B和R_C，U是供给巨磁阻14的恒定电压；

C、信号处理器模块（8）通过内设的神经网络模型计算出对应的棉流速度分别是v _A 、v _B 和v _C ，并计算出棉流速度v _A 、v _B 和v _C 的平均速度V，即最终的棉流速度。

6.根据权利要求5所述棉花异纤维检测剔除机棉流通道测速装置的测速方法，其特征是：步骤A中，通过不同棉流速度吹过棉流通道并获取相应的巨磁阻（14）的电阻R的实验方法来获取足够的样本数据，选取部分实验数据作为泛化样本数据，其他的数据作为训练样本数据，并设置误差目标值及学习因子用于网络训练，将训练好的神经网络模型预设在信号处理器模块（8）中，巨磁阻（14）的电阻R为神经网络模型的输入，将棉流速度为神经网络模型的输出。