CN115356033A - 一种应用电涡流原理的张力传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用电涡流原理的张力传感器及其检测方法。张力传感器包括：支架、金属弹片、位移传动杆、陶瓷柱和电涡流检测电路；电涡流检测电路包括检测线圈；位移传动杆的一端与陶瓷柱连接，位移传动杆的另一端与金属弹片连接；金属弹片的一端固定于支架上，金属弹片的另一端位于检测线圈的上方，金属弹片与检测线圈之间具有间隙；陶瓷柱用于根据纱线的张力大小，推动位移传动杆，以使位移传动杆带动金属弹片向靠近或远离检测线圈的方向发生形变。采用上述技术方案，可以有效表征实际张力的大小，还可以提高张力检测的抗干扰性和检测精度。

Description

一种应用电涡流原理的张力传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及张力检测技术领域，尤其涉及一种应用电涡流原理的张力传感器及其检测方法。

背景技术

在传统的纺纱和织工艺中，纱线张力一直是影响纱线成型质量的关键参数，在纱线张力控制系统中，纱线张力的检测是最基本也是最重要的技术。

目前，国内外张力传感器分接触式和非接触式两种。接触式张力传感器是指传感器的测力杆直接检测纱线张力，因此检测精度高反应灵敏度高，是目前国内外主流的动态张力传感器，此类传感器由应变片式和压电陶瓷式两种。接触式张力传感器在信号采样方式上有一定优势，但是本身存在较大缺陷，如应变片式张力传感器必须将应变片用有机粘接剂粘到弹性体(如不锈钢)或者聚酯膜片上，迟滞性差，且只能采用单片应变片粘接，输出灵敏度低，不利于使用在高精度张力控制场景中；而压电陶瓷式张力传感器由于是非线性电压输出，因而在国内外暂未有广泛的实际应用。非接触式张力传感器有霍尔传感器，实际上它是检测纱线线速度再转换成张力信息，控制精度低，抗干扰能力差。接触式张力传感器目前国外只有少数厂家生产，价格较为昂贵。

发明内容

本发明提供了一种应用电涡流原理的张力传感器及其检测方法，以解决现有的张力传感器检测灵敏度不高、抗干扰能力差和迟滞性差的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种应用电涡流原理的张力传感器，包括：支架、金属弹片、位移传动杆、陶瓷柱和电涡流检测电路；所述电涡流检测电路包括检测线圈；

所述位移传动杆的一端与所述陶瓷柱连接，所述位移传动杆的另一端与所述金属弹片连接；所述金属弹片的一端固定于所述支架上，所述金属弹片的另一端位于所述检测线圈的上方，所述金属弹片与所述检测线圈之间具有间隙；所述陶瓷柱用于根据所述纱线的张力大小，推动所述位移传动杆，以使所述位移传动杆带动所述金属弹片向靠近或远离所述检测线圈的方向发生形变。

可选的，所述金属弹片通过榫卯结构固定于所述支架上。

可选的，所述电涡流检测电路还包括微处理器、谐振电路和信号处理电路；

所述谐振电路包括所述检测线圈和谐振电容，所述检测线圈和所述谐振电容并联连接；

所述微处理器分别与电源和所述谐振电路电连接；所述微处理器在所述电源的供电下输出PWM信号作为所述谐振电路的激励信号源；

所述信号处理电路与所述谐振电路电连接；所述信号处理电路用于获取所述谐振电路产生的谐振信号，并输出直流检测信号。

可选的，所述信号处理电路包括信号放大模块和整流模块；

所述信号放大模块的输入端与所述谐振电路电连接，所述信号放大模块的输出端与所述整流模块电连接；所述信号放大模块用于对所述谐振电路产生的谐振信号进行放大后输出谐振放大信号至所述整流模块；

所述整流模块用于对所述谐振放大信号进行整流后输出所述直流检测信号。

可选的，所述微处理器还分别与所述信号处理电路和上位机电连接；所述微处理器用于采集所述直流检测信号，并向所述上位机进行反馈。

可选的，所述电涡流传感器还包括：

温敏电阻，所述温敏电阻与所述检测线圈串联连接；

或者，温度传感器，设置于所述检测线圈所处区域处；所述微处理器还分别与所述温度传感器和所述信号处理电路电连接；所述微处理器还用于分别采集所述温度传感器的温度信号和所述直流检测信号，并根据所述温度信号，对所述直流检测信号进行补偿。

根据本发明的另一方面，提供了一种应用电涡流原理的张力传感器的检测方法，应用于本发明任意实施所述的张力传感器，所述检测方法包括：

在所述陶瓷柱与所述纱线接触时，所述陶瓷柱根据所述纱线的张力大小，推动所述位移传动杆，以使所述位移传动杆带动所述金属弹片向靠近或远离所述检测线圈的方向发生形变；

所述电涡流检测电路的检测线圈根据所述金属弹片的形变量产生电信号；

所述电涡流检测电路根据所述电信号，确定所述纱线的张力。

本发明实施例的技术方案，通过将位移传动杆的一端与陶瓷柱连接，另一端与金属弹片连接，陶瓷柱可受纱线张力大小推动位移传动杆，位移传动杆可随着纱线张力大小带动金属弹片发生形变，可使得纱线张力的变化可以最大程度完整的传递到金属弹片，由此使得最终电路计算张力大小时，可以有效表征实际张力的大小；且金属弹片的一端固定于支架上，降低了张力传感器在检测过程中支架的位移，可避免外界环境因素影响造成金属弹片发生形变，提高张力检测的抗干扰性；此外，金属弹片的另一端位于检测线圈上方，金属弹片与检测线圈之间具有间隙，金属弹片相对检测线圈的距离较小，可使得电涡流检测电路感知得到的电信号灵敏度较高，检测精度更高。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明实施例提供的一种应用电涡流原理的张力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电涡流检测电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种电涡流检测电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种电涡流检测电路的结构示意图

图5为本发明实施例提供的一种应用电涡流原理的张力传感器的检测方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实例提出了一种张力传感器应用电涡流原理的张力传感器，用于检测纱线的张力，图1为本发明实施例提供的一种应用电涡流原理的张力传感器的结构示意图。如图1所示，应用电涡流原理的张力传感器包括支架504、金属弹片503、位移传动杆502、陶瓷柱501和电涡流检测电路(图中未示出)，电涡流检测电路包括检测线圈505。

继续参考图1，位移传动杆502的一端与陶瓷柱501连接，位移传动杆502的另一端与金属弹片503连接；金属弹片503的一端固定于支架504上，金属弹片503的另一端位于检测线圈505上方，金属弹片503与检测线圈505具有间隙。

具体的，在实际进行张力检测的过程中，陶瓷柱501与纱线直接接触，并根据纱线的张力大小，推动位移传动杆502，以使位移传动杆502带动金属弹片503向靠近或远离检测线圈505的方向发生形变。检测线圈505与金属弹片503之间有固定的间隙，当纱线在陶瓷柱501上运动时，在纱线张力的作用下，陶瓷柱501带动位移传动杆502迫使金属弹片503发生形变，通过检测此时检测线圈磁场的变化得到对应的纱线张力关系。

示例性的，采用纳米级粗糙度的陶瓷柱501作为纱线的接触面，可减小纱线与陶瓷柱501的接触面摩擦带来的检测误差。

本发明实施例，通过将位移传动杆的一端与陶瓷柱连接，另一端与金属弹片连接，陶瓷柱可受纱线张力大小推动位移传动杆，位移传动杆可随着纱线张力大小带动金属弹片发生形变，可使得纱线张力的变化可以最大程度完整的传递到金属弹片，由此使得最终电路计算张力大小时，可以有效表征实际张力的大小；且金属弹片的一端固定于支架上，降低了张力传感器在检测过程中支架的位移，可避免外界环境因素影响造成金属弹片发生形变，提高张力检测的抗干扰性；此外，金属弹片的另一端位于检测线圈上方，金属弹片与检测线圈之间具有间隙，金属弹片相对检测线圈的距离较小，可使得电涡流检测电路感知得到的电信号灵敏度较高，检测精度更高。

可选的，金属弹片503可通过榫卯结构固定于支架504上，可有效保证连接的稳定性。为进一步保证连接效果，还可以结合螺丝将金属弹片503固定于支架504上。

可选的，图2为本发明实施例提供的一种电涡流检测电路的结构示意图。如图2所示，电涡流检测电路包括微处理器100、谐振电路110和信号处理电路200。其中，谐振电路110包括并连连接的检测线圈L1和谐振电容C1；微处理器100分别与电源和谐振电路110电连接；微处理器110用于将电源的供电信号转换为PWM信号作为谐振电路110的激励信号源；信号处理电路200与谐振电路110电连接；信号处理电路200用于获取谐振电路100产生的谐振信号，并输出直流检测信号。

其中，微处理器包括但不限于MCU、MPU等具有运算和/或控制功能的装置。具体的，张力传感器包括金属弹片，金属弹片与检测线圈保持一定的距离，金属弹片用于在张力的作用下向靠近或远离检测线圈L1的方向发生形变；微处理器100输出固定频率的PWM信号至谐振电路110，谐振电路110也产生相同频率的谐振信号，金属弹片靠近或远离检测线圈L1时，受涡流效应影响，使得检测线圈L1的感抗发生变化，相应的，谐振电路100产生的谐振信号幅值也发生变化，经过信号处理电路200处理后可输出相应变化的直流检测信号，根据直流检测信号可以实现张力的检测。可以理解的是，PWM信号的频率和占空比可以根据实际需求设定，进而达到不同的检测精度；通过微处理器设置和采用不同的检测线圈和谐振电容，也可以实现不同的谐振频率；根据需求可以设计检测线圈的结构，例如线圈匝数、尺寸、厚度等，可以调节张力传感器的检测量程和输出范围，满足不同的应用场景。

本发明实施例，通过检测线圈检测张力传感器的金属弹片的形变，并且通过并连连接检测线圈和谐振电容形成谐振电路产生谐振信号，电路结构简单，能够根据金属弹片与检测线圈距离的变化带来的谐振信号变化进行张力的检测，提高了张力传感器的迟滞性；通过将微处理器与谐振电路电连接，微处理器可以在电源的供电信号下输出固定频率的PWM信号作为谐振电路的激励信号源，使得谐振电路能够产生相同频率的谐振信号，谐振信号频率固定，不易受外部因素影响，提高了张力检测的抗干扰能力；通过信号处理电路可以将谐振信号转化为直流检测信号，提高了张力检测的灵敏度。

可选的，继续参考图2,信号处理电路200包括信号放大模块210和整流模块220。其中，信号放大模块210的输入端211与谐振电路110电连接，信号放大模块210的输出端212与整流模块220电连接。信号放大模块210用于对谐振电路110产生的谐振信号进行放大后输出谐振放大信号至整流模块220；整流模块220用于对谐振放大信号进行整流后输出直流检测信号。

示例性的，金属弹片发生的形变大小有限，谐振电路110产生的谐振信号的变化较小，通过信号放大模块210可以放大谐振信号，相比于谐振电路110产生的谐振信号，信号放大模块210放大后的谐振放大信号的变化情况更容易检测出来；通过整流模块220将谐振放大信号整流为直流检测信号，可以更为直观、简单的检测出谐振放大信号的变化，以便于张力检测，提高了检测的灵敏性和迟滞性。

可选的，继续参考图2，微处理器100分别与信号处理电路200和上位机电连接，微处理器100用于采集直流检测信号，并向上位机进行反馈。示例性的，微处理器100可以接收信号处理电路200输出的直流检测信号，微处理器100根据直流检测信号向上位机输出反馈信号。上位机包括但不限于显示器等设备，可以根据微处理器100输出的反馈信号显示张力数据。

可选的，继续参考图2，张力传感器的电涡流检测电路还包括：输出电路300，微处理器100通过输出电路300与上位机电连接。其中，微处理器100还用于采集直流检测信号，并输出张力检测信号至输出电路300；输出电路300用于根据张力检测信号，输出与金属弹片受到的张力呈线性关系的输出信号至上位机。

示例性的，输出电路300可以根据张力检测信号输出数字信号和/或模拟模信号，也可以根据张力检测信号输出与金属弹片受到的张力对应且呈线性关系的输出信号，提高张力传感器的电涡流检测电路的信号输出能力。可以理解的是，输出电路300输出的信号可以是电流信号，也可以是电压信号和/或数字通讯信号，输出电路300可以根据实际需求输出适用的信号，以提高张力传感器的环境适应性，可以扩展更多的应用场景，例如本发明实施例提供的张力传感器及其电涡流检测电路可以应用于无人机、机器人、工业自动化领域中需要检测张力的应用场景。

可选的，继续参考图2，输出电路300包括第四级运算放大器OP4，第四级运算放大器OP4的同相输入端041与微处理器100电连接，第四级运算放大器OP4的反相输入端042与第四级运算放大器OP4的输出端043电连接，第四级运算放大器OP4的输出端与上位机电连接。通过第四级运算放大器OP4，可以改变输出电路300的输出电压，使得输出电路300输出与张力呈线性关系的电压信号，提高张力传感器的输出能力。

可选的，图3为本发明实施例提供的又一种电涡流检测电路的结构示意图。如图3所示，张力传感器的电涡流检测电路还包括温敏电阻R0，温敏电阻R0与检测线圈L1串联连接。温敏电阻R0的阻值随温度变化，可以反向补偿检测线圈L1的阻值变化。示例性的，若温度升高时，受温度影响的检测线圈L1的电信号增大了，温敏电阻R0的阻值会随温度上升发生变化，使得检测线圈L1的电信号减小，补偿检测线圈L1的温度变化，使得信号处理电路200输出的直流检测信号不受温度影响，减小检测结果的温漂，提高张力传感器及其电涡流检测电路的温度适应性。

可选的，图4为本发明实施例提供的又一种电涡流检测电路的结构示意图。如图4所示，张力传感器的电涡流检测电路还包括温度传感器400，设置于检测线圈L1所处区域处；微处理器100还分别与温度传感器400和信号处理电路200电连接。其中，微处理器100还用于分别采集温度传感器400的温度信号和直流检测信号，并根据温度信号，对直流检测信号进行补偿。具体的，微处理器100根据温度传感器400的温度信号对直流检测信号直接进行温度补偿，减小检测结果的温漂，提高张力传感器及其电涡流检测电路的温度适应性。

基于同样的发明思路，本发明实施例提供一种应用电涡流原理的张力传感器的检测方法，该检测方法应用于本发明任一实施例所述的应用电涡流原理的张力传感器。图5为本发明实施例提供的一种应用电涡流原理的张力传感器的检测方法的流程框图，如图5所示，该检测方法包括：

S110、在陶瓷柱与纱线接触时，陶瓷柱根据纱线的张力大小，推动位移传动杆，以使位移传动杆带动金属弹片向靠近或远离检测线圈的方向发生形变。

S120、电涡流检测电路的检测线圈根据金属弹片的形变量产生电信号。

S130、电涡流检测电路根据电信号，确定纱线的张力。

示例性的，在实际测量时，将纱线放置陶瓷柱上，随着纱线张力的增大，纱线会通过陶瓷柱和位移传动杆使得金属弹片逐渐向靠近检测线圈的方向移动；由于金属弹片与检测线圈的相对位置发生变化，产生感应电动势，使得电涡流检测电路的检测线圈内的电信号发生相应的变化；电涡流电路可采集电信号及其变化量，计算可获取张力的大小。

可以理解的是，纱线带动金属弹片发生形变后，可通过多种方式读出当前纱线的张力数据。例如可通过上位机直接读取当前纱线的张力数据；也可通过读取电涡流检测电路输出的数字信号和/或模拟模信号，仿真/拟合得到当前纱线的张力数据，整个过程中无需对纱线进行额外的处理。

本发明实施例所提供的应用电涡流原理的张力传感器的检测方法应用于本发明任一实施例所述的应用电涡流原理的张力传感器，具备相应的有益效果。

由于张力传感器在检测张力过程中使用到的部件较多，部件相对位置稍有不同或尺寸稍有差异就会使得检测结果不同，在正式检测之前可通过微处理器对受力信息进行校准、补偿，校准金属弹片的形变与输出的直流检测信号的关系。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的模块，重新组合、增加或删除。例如，本发明中记载的各模块可以同时应用于张力传感器，也可以通过不同的组合应用于张力传感器，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用电涡流原理的张力传感器，用于检测纱线的张力，其特征在于，包括：支架、金属弹片、位移传动杆、陶瓷柱和电涡流检测电路；所述电涡流检测电路包括检测线圈；

所述位移传动杆的一端与所述陶瓷柱连接，所述位移传动杆的另一端与所述金属弹片连接；所述金属弹片的一端固定于所述支架上，所述金属弹片的另一端位于所述检测线圈的上方，所述金属弹片与所述检测线圈之间具有间隙；所述陶瓷柱用于根据所述纱线的张力大小，推动所述位移传动杆，以使所述位移传动杆带动所述金属弹片向靠近或远离所述检测线圈的方向发生形变。

2.根据权利要求1所述的应用电涡流原理的张力传感器，其特征在于，所述金属弹片通过榫卯结构固定于所述支架上。

3.根据权利要求1所述的应用电涡流原理的张力传感器，其特征在于，所述电涡流检测电路还包括微处理器、谐振电路和信号处理电路；

所述谐振电路包括所述检测线圈和谐振电容，所述检测线圈和所述谐振电容并联连接；

所述微处理器分别与电源和所述谐振电路电连接；所述微处理器在所述电源的供电信号下输出PWM信号作为所述谐振电路的激励信号源；

所述信号处理电路与所述谐振电路电连接；所述信号处理电路用于获取所述谐振电路产生的谐振信号，并输出直流检测信号。

4.根据权利要求3所述的应用电涡流原理的张力传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括信号放大模块和整流模块；

所述信号放大模块的输入端与所述谐振电路电连接，所述信号放大模块的输出端与所述整流模块电连接；所述信号放大模块用于对所述谐振电路产生的谐振信号进行放大后输出谐振放大信号至所述整流模块；

所述整流模块用于对所述谐振放大信号进行整流后输出所述直流检测信号。

5.根据权利要求3所述的应用电涡流原理的张力传感器，其特征在于，所述微处理器还分别与所述信号处理电路和上位机电连接；所述微处理器用于采集所述直流检测信号，并向所述上位机进行反馈。

6.根据权利要求3所述的应用电涡流原理的张力传感器，其特征在于，所述电涡流检测电路还包括：

温敏电阻，所述温敏电阻与所述检测线圈串联连接；

或者，温度传感器，设置于所述检测线圈所处区域处；所述微处理器还分别与所述温度传感器和所述信号处理电路电连接；所述微处理器还用于分别采集所述温度传感器的温度信号和所述直流检测信号，并根据所述温度信号，对所述直流检测信号进行补偿。

7.一种应用电涡流原理的张力传感器的检测方法，应用于权利要求1-6任一项所述的张力传感器，其特征在于，所述检测方法包括：

在所述陶瓷柱与所述纱线接触时，所述陶瓷柱根据所述纱线的张力大小，推动所述位移传动杆，以使所述位移传动杆带动所述金属弹片向靠近或远离所述检测线圈的方向发生形变；

所述电涡流检测电路的检测线圈根据所述金属弹片的形变量产生电信号；

所述电涡流检测电路根据所述电信号，确定所述纱线的张力。

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