摘  要： 研究了一種用于儲緯器緯紗圈數(shù)實時計量的紅外光電檢測系統(tǒng)。針對反射鏡表面污染和光源老化引起的傳感信號漂移問題，提出紅外光源驅(qū)動電流閉環(huán)控制策略。在模擬濾波電路基礎(chǔ)上，采用數(shù)字滑動均值算法和滑動峰峰值算法對傳感信號進(jìn)行后處理，有效抑制了隨機(jī)擾動造成的誤觸發(fā)事件。實驗結(jié)果驗證了所提方案在實際生產(chǎn)環(huán)境中的抗干擾性能以及對多種材質(zhì)及類型緯紗的適應(yīng)性，表明其在精細(xì)織造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： 儲緯器；緯紗檢測；紅外傳感；數(shù)字信號處理

0 引言

　　在織造工程中，儲緯器對緯紗圈數(shù)的精確計量與實時控制是其定長工作的前提[1]。漏檢測會造成緯紗浪費，而誤觸發(fā)則會導(dǎo)致布匹缺陷甚至紡織機(jī)頻繁停機(jī)。紅外光電檢測技術(shù)以其響應(yīng)速度快、非接觸等特點，已成為紡織裝備中紗線檢測的主要手段之一[2-3]。然而工業(yè)環(huán)境里，儲緯器連續(xù)運行過程中受紅外光源老化、反射鏡污染、緯紗規(guī)格變化、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等多重因素干擾，誤觸發(fā)和漏檢測時有發(fā)生，并已成為限制紡織生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提升的重要因素。

　　在對紅外傳感系統(tǒng)特性和儲緯器應(yīng)用環(huán)境干擾因素分析后發(fā)現(xiàn)：緯紗傳感信號中幅度較大且具有明顯偶發(fā)特征的隨機(jī)擾動是造成誤觸發(fā)的主要原因[4-5]；紅外器件老化、反射鏡污染等因素導(dǎo)致傳感信號幅度漂移是導(dǎo)致漏檢測的主要誘因。本文針對上述問題提出了相應(yīng)解決方案，并在工業(yè)環(huán)境中對檢測系統(tǒng)的有效性和可靠性進(jìn)行驗證。

1 系統(tǒng)工作原理

　　圖1為儲緯器的緯紗紅外檢測原理圖，采用反射型光路結(jié)構(gòu)，光電檢測傳感器由紅外發(fā)光管、受光管、遮光殼體、紅外濾鏡和反射鏡組成。在電流源激勵下紅外發(fā)光管發(fā)射出一定強度的紅外光經(jīng)空氣傳輸路徑照射至反射鏡，而后通過反射作用到達(dá)受光管，繼而產(chǎn)生一定強度的傳感信號輸出。當(dāng)紗線高速通過紅外組件與反射鏡中間的空氣間隙時，其遮擋作用必然會導(dǎo)致傳感信號瞬時幅度的變化，使得緯紗通過事件的精確檢測成為可能。

2 光源驅(qū)動控制

　　傳統(tǒng)的恒壓驅(qū)動方式下，儲緯器傳感信號直流強度的時域特性如圖2所示，其中圖2（a）是細(xì)度為60D（旦尼爾）的滌綸包覆紗放緯后傳感信號變化曲線。放緯時紗線上攜帶的潤滑劑逐漸黏附在反射鏡上，使得傳感信號強度在6 min內(nèi)便出現(xiàn)大幅度減弱的現(xiàn)象。圖2（b）是連續(xù)半年時間內(nèi)紅外傳感系統(tǒng)的發(fā)光管電流與傳感信號幅值變化曲線。最初的4個月時間內(nèi)發(fā)光管表現(xiàn)出持續(xù)老化特性，其驅(qū)動電流按近似線性的規(guī)律減小，導(dǎo)致傳感信號強度出現(xiàn)相似特性減弱漂移。

　　為了增強傳感信號的穩(wěn)定性，根據(jù)紅外發(fā)光管是電流驅(qū)動型發(fā)光元件的特性，在采用精密受控電流源驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上，以傳感信號恒定直流強度為控制目標(biāo)引入了比例積分（PI）閉環(huán)補償機(jī)制，提出了圖3所示的紅外發(fā)光管驅(qū)動電路。

　　圖3中運算放大器U1A和U1B及其外圍器件組成了PI閉環(huán)補償控制器，其輸入信號為傳感信號直流強度設(shè)定值和反饋值，其中設(shè)定值Vref經(jīng)精密電阻分壓電路獲取，反饋值則為圖1中I/V變換后的信號。

　　在任意平衡狀態(tài)下，反饋電壓VI=Vref。當(dāng)反射鏡或發(fā)光管發(fā)光效率改變時，反饋電壓VI隨之改變，則PI負(fù)反饋調(diào)節(jié)生效對ID進(jìn)行調(diào)節(jié)以建立新的平衡，實現(xiàn)對反射鏡污染及光源老化的補償調(diào)節(jié)并使得紅外傳感系統(tǒng)始終在設(shè)計的最佳直流強度下工作。

　　經(jīng)上述改進(jìn)后，紅外傳感器在使用滌綸包覆紗情況下的短期特性和使用普通紗線情況下的長期特性如圖4所示。在電流源閉環(huán)調(diào)節(jié)下信號直流強度不論在短期還是長期的測試中均不會發(fā)生漂移且其波動幅度也處于相對較小的范圍內(nèi)。

3 傳感信號處理

　　3.1 前置模擬濾波

　　為滿足微細(xì)紗線高速檢測要求，電路放大倍數(shù)遠(yuǎn)大于通用信號調(diào)理電路，加上工作環(huán)境受電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、工廠電氣環(huán)境多重因素影響，傳感信號受到了嚴(yán)重的噪聲干擾。因此，分別對儲緯器待機(jī)、轉(zhuǎn)動和工作三種狀態(tài)下信號的頻域特性進(jìn)行分析。

　　三種典型狀態(tài)下傳感信號的FFT頻譜如圖5所示。其中待機(jī)狀態(tài)下傳感信號在低頻域有幅度較大的50 Hz工頻分量及其諧波分量，主要是來源于電源干擾。儲緯器轉(zhuǎn)動時的傳感信號中除工頻噪聲外另含幅值較大的高頻噪聲，其中心頻率為10 kHz，與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）頻率一致。因有效緯紗通過信號為脈沖突變信號，且脈沖頻率受緯紗噴射速度影響有較大幅度波動，故工作狀態(tài)下其頻帶廣泛分布在1 kHz~12 kHz范圍內(nèi)。

　　為了在保留緯紗通過信號的前提下抑制上述高頻和低頻噪聲，采用無源低通和無源高通串聯(lián)組合濾波對初始放大后的紅外傳感信號進(jìn)行處理，濾波電路如圖6所示。其傳遞函數(shù)如式（1）所示。

　　處理后信號如圖7所示。傳感信號中低頻和高頻噪聲得到了有效抑制，低噪相對有效信號已處于較小水平。但儲緯器實際運行工程中仍時常觀察到個別紗線通過信號幅值欠佳以及信號中夾雜幅值較大具有偶發(fā)特性的隨機(jī)噪聲。通過對濾波電路輸出波形分析發(fā)現(xiàn)，緯紗通過信號和隨機(jī)噪聲在時域中存在以下不同點：（1）緯紗信號和隨機(jī)噪聲的時域積分相差較大；（2）緯紗信號具有震蕩特性，由正向信號和負(fù)向信號組成，而隨機(jī)噪聲則無該特性。

　　3.2 數(shù)字信號增強

　　為了消除隨機(jī)噪聲的干擾增強信號的信噪比，在模擬濾波電路之后引入數(shù)字信號處理。選用TI公司DSP芯片TMS320f28027作為信號采集處理單元。目標(biāo)信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣后轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散數(shù)字信號X（n）。

　　相對DSP有限的SRAM存儲空間，上述離散數(shù)字信號的數(shù)據(jù)量過于龐大。為此采用一種基于數(shù)組循環(huán)存儲的滑動數(shù)據(jù)處理方式。其實質(zhì)是將數(shù)字信號按時間順序存入一個固定寬度的先入先出（FIFO）數(shù)組中。根據(jù)濾波器輸出信號的特征1，如式（2）采用滑動均值算法的方法對數(shù)字信號X（n）進(jìn)行處理。

　　Y（n）=（X（n-m+1）+X（n-m）+…+X（n））/m（2）

　　此舉目的在于利用均值處理的類積分特性降低信號中的隨機(jī)噪聲和毛刺。經(jīng)滑動均值處理后的輸出等效信號Y（n）如圖8所示，可見隨機(jī)噪聲已經(jīng)被抑制在一個較低的水平。

　　針對緯紗通過信號的震蕩特性，如式（3）對均值輸出信號Y（n）再做滑動峰峰值計算處理得到信號Z（n）。經(jīng)上述處理后的信號如圖9所示，傳感信號中幅值欠佳的緯紗通過信號得到了進(jìn)一步增強，隨機(jī)噪聲已幾乎不可見，足以滿足檢測的高精度。最后通過將Z（n）與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，實現(xiàn)緯紗通過事件的精確計量。

　　Z（n）=max{Y（n-m+1），Y（n-m），…，Y（n）}-min{Y（n-m+1），Y（n-m），…，Y（n）}（3）

4 實驗驗證

　　構(gòu)建緯紗實時檢測實驗系統(tǒng)，將其搭載于直流永磁同步儲緯器上。同時，選用引春噴水織機(jī)JW-751CH在寧波萬信紡織廠對檢測系統(tǒng)的紗線類型適應(yīng)性和抗干擾性能進(jìn)行長期測試。

　　4.1 紗線適應(yīng)性

　　以傳統(tǒng)的開環(huán)恒壓驅(qū)動型傳感器為對照組，改進(jìn)后的閉環(huán)電流驅(qū)動型傳感器為實驗組進(jìn)行緯紗適應(yīng)性對比實驗。以儲緯器連續(xù)工作30天，每天平均漏檢測次數(shù)作為性能指標(biāo)。選取細(xì)度均為60D的滌綸絲、氨綸絲、滌綸包覆紗、氨綸包覆紗進(jìn)行實驗，它們的潤滑劑含量從無依次增加。表1的實驗結(jié)果表明：漏檢測的產(chǎn)生與反射鏡污染密切相關(guān)，且次數(shù)和紗線上攜帶的潤滑劑劑量是呈正相關(guān)的，在極端污染的情況下反射鏡反射效率的大幅度改變將致使織造工作的完全中斷。

　　4.2 抗干擾性能

　　在其他條件相同的情況下，以有無數(shù)字信號增強分為實驗組和對照組進(jìn)行緯紗紅外檢測系統(tǒng)的抗干擾對比實驗。因隨機(jī)噪聲具有偶發(fā)特性，故將儲緯器連續(xù)工作30天，每天平均誤檢測作為性能衡量指標(biāo)。從表2的實驗結(jié)果分析，相比于對照組有數(shù)字信號增強的實驗組對隨機(jī)噪聲有較強的抗干擾能力，誤觸發(fā)次數(shù)大大降低。這充分說明滑動平均和滑動峰峰值組合算法的信號處理方案能夠有效地抑制隨機(jī)噪聲。

5 結(jié)論

　　通過實際工業(yè)織造環(huán)境中的長期實驗得到的實驗數(shù)據(jù)表明：（1）紅外光源驅(qū)動電流閉環(huán)控制對傳感信號漂移有較好的補償作用，提高了檢測系統(tǒng)對緯紗材質(zhì)及類型的適應(yīng)性，降低了漏檢率；（2）數(shù)字信號增強方案能夠有效地抑制隨機(jī)噪聲，提高了信號的信噪比，改善了系統(tǒng)的抗干擾性能，顯著降低紗線圈數(shù)誤觸發(fā)的概率。同時實驗結(jié)果表明，該緯紗光電檢測系統(tǒng)在精細(xì)織造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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