CN108796710A - 一种非接触式纱线张力检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式纱线张力检测系统及方法，包括用于传导纱线的导纱轮，还包括由线阵CCD图像采集装置组成的探测头、FPGA芯片、用于为FPGA芯片供电的电源、PC上位机，线阵CCD图像采集装置包括平行光源、依次位于平行光源的通过路径上的棱镜、成像透镜和线阵CCD传感器，在平行光源照射下，纱线的阴影成像在线阵CCD传感器上，线阵CCD传感器检测纱线的阴影大小变化，将阴影大小变化信号传送到ADC转换器中，ADC转换器负责将接收到模拟信号转化为数字信号送进FPGA芯片中进行运算得出纱线的张力值。本发明可以在细纱机不间断工作的过程中，通过非接触的方式测量纺纱过程中的纱线张力值，比现有的接触式纱线测量方式有着更高的精度。

Description

一种非接触式纱线张力检测系统及方法

技术领域

本发明涉及工程与技术科学领域，特别是一种非接触式纱线张力检测系统及方法。

背景技术

中国是纺织大国，在纺织领域具有不可替代的地位，同时，人们对日常生活中所使用的纺织品的质量要求越来越高。在纺织加工过程中，纱线的张力是十分重要的参数，张力的大小与稳定直接关系到产品的质量、档次、生产效率以及后续加工的顺利进行。

一直以来，纱线张力控制是纺纱行业中的难题之一，困难来自两个方面：一是由于纱线张力的数值微小，难以测量、难以控制；二是由于纱线张力控制的成本过高。

目前在纺织行业中普遍使用直接接触式张力测试系统，检测过程中传感器测试元件与被测对象直接接触，不但磨损检测装置而且会对纱线的运行状态产生影响，不能真实反应纱线的张力及其变化。针对传统纱线张力接触测量方法的弊端，提出一种基于CCD技术的纱线张力非接触测量方法。

最近，利用CCD图像传感器获取纱线气圈图像，再利用数字图像处理技术获取纱线气圈边缘以及气圈的形态特征参数，最后根据张力与气圈形态特征参数相关的数学模型计算得出纱线张力的大小，然而，通过获取纱线气圈图像，主要是基于面阵CCD系统，在硬件要求上比较高。而通过测量纱线直径阴影的纱线直径阴影检测法则很少被考虑到。

纱线张力测量系统的主要性能指标包括：速度、精度、稳定性、便捷性以及应用范围等。以上所提出的基于获取纱线气圈图像的非接触式测量方法局限于测量纱线在卷绕过程中的纱线张力，使其在应用范围中受到一定程度的限制。

然而目前的技术处在如何提高纱线张力检测系统的测量精度，而通过获取纱线气圈图像的非接触式测量方法在测量直径较小的纱线的时候，其测量精度会大大下降；CCD是一种积分器件，它通过积分方式对测量的原始信号取样,面阵CCD在积分时间上相对较长，且处理难度高。最终会影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种非接触式纱线张力检测系统及方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种非接触式纱线张力检测系统，包括用于传导纱线的导纱轮，导纱轮由电机驱动，还包括由线阵CCD图像采集装置组成的探测头、FPGA芯片、用于为FPGA芯片供电的电源、PC上位机，所述线阵CCD图像采集装置包括平行光源、依次位于平行光源的通过路径上的棱镜、成像透镜和线阵CCD传感器，所述纱线穿过棱镜与成像透镜之间的间隙且纱线与线阵CCD传感器的光电阵列平行，线阵CCD传感器采集纱线直径的阴影相对应的电信号，线阵CCD传感器的输出端通过ADC转换器连接FPGA芯片的I/O口，ADC转换器将线阵CCD传感器采集纱线直径的阴影相对应的电信号转化为数字信号，FPGA芯片通过运算得出代表纱线张力值的数据，FPGA芯片的输出端通过电机驱动电路与电机连接，PC上位机通过USB单元与FPGA芯片进行数据传输。

进一步，所述FPGA芯片的输出端还连接有报警模块。

进一步，所述线阵CCD传感器采用日本TOSHIBA公司的TCD1209D图像传感器。

进一步，所述FPGA芯片采用Altera公司的EP4CE6芯片。

进一步，所述平行光源为发光二极管。

另外，本发明还提供了一种非接触式纱线张力检测方法，利用上述的非接触式纱线张力检测系统进行检测，具体步骤如下：

电机驱动导纱轮传导纱线运行时，纱线穿过棱镜与成像透镜之间的间隙，平行光源照射着纱线并通过棱镜与成像透镜后，纱线的阴影成像在线阵CCD传感器上，线阵CCD传感器检测纱线的阴影大小变化，将阴影大小变化信号传送到ADC转换器中，ADC转换器负责将接收到模拟信号转化为数字信号送进FPGA芯片中进行运算得出纱线的张力值，并通过PC上位机的显示器显示纱线的张力值结果。

进一步，所述FPGA芯片运算纱线张力值的具体过程为：

假设纱线为弹性体，由材料力学，纱线的横向应变为：

ε1＝△d/d，

式中，△d为纱线在外力作用下的线径变化值；d为纱线原始直径；

纱线横向应变与轴向应变关系为：

Ε＝ε1/μ，

式中，μ为纱线泊松比；

轴向应力为：

δ＝P/S＝Eε＝Eε1/μ，

式中，S为纱线截面积；P为纱线张力；E为纱线弹性系数；

将S＝πd2/4及ε1＝△d/d式代入δ＝P/S＝Eε＝Eε1/μ中得：

P＝(πEd△d)/4π

由于线阵CCD传感器检测纱线的阴影大小变化即为△d，由公式P＝(πEd△d)/4π获得纱线张力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明通过非接触的方式测量细纱机在纺纱过程中纱线的张力，测量系统的检测头不与纱线有任何的接触，从而不会对纱线产生额外的压力和变形，可以明显地减少对纱线运行过程中的影响。可以在细纱机不间断工作的过程中，通过非接触的方式测量纺纱过程中的纱线张力值，比现有的接触式纱线测量方式有着更高的精度。

2、随着纺纱的速度不断的提高，由于纱线与接触式检测装置的机件摩擦特性的影响，纱线张力会相应地增加，从而导致纺织物的质量难以控制，而采用非接触式检测装置则不会出现这种情况。

3、本发明相对于其它非接触式的纱线张力检测系统具有支持更快的纺纱速度；且本发明的张力检测探头小巧，对测量环境要求相对较低，成本较低。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明的电路结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、图2所示，本实施例的一种非接触式纱线张力检测系统，包括用于传导纱线3的导纱轮(图中未画出)，导纱轮由电机驱动，还包括由线阵CCD图像采集装置组成的探测头、FPGA芯片6、用于为FPGA芯片6供电的电源、PC上位机7，所述线阵CCD图像采集装置包括平行光源1、依次位于平行光源1的通过路径上的棱镜2、成像透镜4和线阵CCD传感器5，所述纱线3穿过棱镜2与成像透镜4之间的间隙且纱线3与线阵CCD传感器5的光电阵列平行，线阵CCD传感器5采集纱线直径的阴影相对应的电信号，线阵CCD传感器5的输出端通过ADC转换器连接FPGA芯片6的I/O口，ADC转换器将线阵CCD传感器5采集纱线直径的阴影相对应的电信号转化为数字信号，FPGA芯片6通过运算得出代表纱线张力值的数据，FPGA芯片6的输出端通过电机驱动电路与电机连接，PC上位机7通过USB单元与FPGA芯片6进行数据传输。

采用本实施例的非接触式纱线张力检测系统即可进行纱线张力检测时，电机驱动导纱轮传导纱线3运行，纱线3穿过棱镜2与成像透镜4之间的间隙，平行光源1照射着纱线3并通过棱镜2与成像透镜4后，本实施例中平行光源1选用发光二极管可以直接由FPGA芯片6来驱动，纱线3的阴影成像在线阵CCD传感器5上，线阵CCD传感器5检测纱线3的阴影大小变化，将阴影大小变化信号传送到ADC转换器中，ADC转换器负责将接收到模拟信号转化为数字信号送进FPGA芯片6中进行运算得出纱线3的张力值，并通过PC上位机7的显示器显示纱线的张力值结果。

另外，本实施例中，所述FPGA芯片6的输出端还连接有报警模块，用于当FPGA芯片6检测得出纱线的张力值过小时来提示纱线可能存在断丝等情况时发出警告信号，报警模块可以用常用的蜂鸣器即可；同时在发出报警的同时，FPGA芯片6还能控制电机停止。

另外，本实施例中，在设计人员进行软件调试时，FPGA芯片6还会通过USB单元与PC上位机7进行数据传输。

另外，本实施例中，所述FPGA芯片6采用Altera公司的EP4CE6芯片；所述线阵CCD传感器5采用日本TOSHIBA公司的TCD1209D图像传感器。TOSHIBA的CCD产品具有高速，高感应电流，低暗电流，小像元等特点，被广泛应用于精密测量的领域中。ADC转换器则选用ADI公司的AD9945，它是一款适合CCD应用的完整模拟信号处理器。具有体积小、功耗低和功能强大等优点，内置12位A/D转换器，其最高工作频率可达40MHz，可以满足本系统中CCD图像传感器的采集频率要求。通过利用FPGA芯片6的I/O，利用FPGA芯片6主动配置引脚功能，对线阵CCD传感器5和ADC转换器进行相关的时序驱动，从而接收到ADC转换器的数据。

作为本发明的另一种实施例，用本实施例的非接触式纱线张力检测系统进行纱线张力检测时，电机驱动导纱轮传导纱线3运行，纱线3穿过棱镜2与成像透镜4之间的间隙，平行光源1照射着纱线3并通过棱镜2与成像透镜4后，本实施例中平行光源1选用发光二极管可以直接由FPGA芯片6来驱动，纱线3的阴影成像在线阵CCD传感器5上，线阵CCD传感器5检测纱线3的阴影大小变化，将阴影大小变化信号传送到ADC转换器中，ADC转换器负责将接收到模拟信号转化为数字信号送进FPGA芯片6中进行运算得出纱线3的张力值，并通过PC上位机7的显示器显示纱线的张力值结果。FPGA芯片运算纱线张力值的具体过程为：

假设纱线为弹性体，由材料力学，纱线的横向应变为：

ε1＝△d/d (1)

式中，△d为纱线在外力作用下的线径变化值；d为纱线原始直径；

纱线横向应变与轴向应变关系为：

Ε＝ε1/μ (2)

式中，μ为纱线泊松比；

轴向应力为：

δ＝P/S＝Eε＝Eε1/μ (3)

式中，S为纱线截面积；P为纱线张力；E为纱线弹性系数；

将S＝πd2/4及式(1)代入式(3)中得：

P＝(πEd△d)/4π (4)

由于线阵CCD传感器检测纱线的阴影大小变化即为△d，由公式(4)即可获得纱线张力。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非接触式纱线张力检测系统，包括用于传导纱线的导纱轮，导纱轮由电机驱动，其特征在于，还包括由线阵CCD图像采集装置组成的探测头、FPGA芯片、用于为FPGA芯片供电的电源、PC上位机，所述线阵CCD图像采集装置包括平行光源、依次位于平行光源的通过路径上的棱镜、成像透镜和线阵CCD传感器，所述纱线穿过棱镜与成像透镜之间的间隙且纱线与线阵CCD传感器的光电阵列平行，线阵CCD传感器采集纱线直径的阴影相对应的电信号，线阵CCD传感器的输出端通过ADC转换器连接FPGA芯片的I/O口，ADC转换器将线阵CCD传感器采集纱线直径的阴影相对应的电信号转化为数字信号，FPGA芯片通过运算得出代表纱线张力值的数据，FPGA芯片的输出端通过电机驱动电路与电机连接，PC上位机通过USB单元与FPGA芯片进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的非接触式纱线张力检测系统，其特征在于：所述FPGA芯片的输出端还连接有报警模块。

3.根据权利要求1所述的非接触式纱线张力检测系统，其特征在于：所述线阵CCD传感器采用日本TOSHIBA公司的TCD1209D图像传感器。

4.根据权利要求1所述的非接触式纱线张力检测系统，其特征在于：所述FPGA芯片采用Altera公司的EP4CE6芯片。

5.根据权利要求1所述的非接触式纱线张力检测系统，其特征在于：所述平行光源为发光二极管。

6.一种非接触式纱线张力检测方法，其特征在于：利用权利要求1-5中任一所述的非接触式纱线张力检测系统进行检测，具体步骤如下：

电机驱动导纱轮传导纱线运行时，纱线穿过棱镜与成像透镜之间的间隙，平行光源照射着纱线并通过棱镜与成像透镜后，纱线的阴影成像在线阵CCD传感器上，线阵CCD传感器检测纱线的阴影大小变化，将阴影大小变化信号传送到ADC转换器中，ADC转换器负责将接收到模拟信号转化为数字信号送进FPGA芯片中进行运算得出纱线的张力值，并通过PC上位机的显示器显示纱线的张力值结果。

7.根据权利要求6所述的非接触式纱线张力检测方法，其特征在于：所述FPGA芯片运算纱线张力值的具体过程为：

假设纱线为弹性体，由材料力学，纱线的横向应变为：

ε1＝△d/d，

式中，△d为纱线在外力作用下的线径变化值；d为纱线原始直径；

纱线横向应变与轴向应变关系为：

Ε＝ε1/μ，

式中，μ为纱线泊松比；

轴向应力为：

δ＝P/S＝Eε＝Eε1/μ，

式中，S为纱线截面积；P为纱线张力；E为纱线弹性系数；

将S＝πd2/4及ε1＝△d/d式代入δ＝P/S＝Eε＝Eε1/μ中得：

P＝(πEd△d)/4π

由于线阵CCD传感器检测纱线的阴影大小变化即为△d，由公式P＝(πEd△d)/4π获得纱线张力。