摘  要： 研究了一種用于儲(chǔ)緯器緯紗圈數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)量的紅外光電檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)反射鏡表面污染和光源老化引起的傳感信號(hào)漂移問題，提出紅外光源驅(qū)動(dòng)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(dòng)均值算法和滑動(dòng)峰峰值算法對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行后處理，有效抑制了隨機(jī)擾動(dòng)造成的誤觸發(fā)事件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的抗干擾性能以及對(duì)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(chǔ)緯器；緯紗檢測(cè)；紅外傳感；數(shù)字信號(hào)處理

0 引言

　　在織造工程中，儲(chǔ)緯器對(duì)緯紗圈數(shù)的精確計(jì)量與實(shí)時(shí)控制是其定長(zhǎng)工作的前提[1]。漏檢測(cè)會(huì)造成緯紗浪費(fèi)，而誤觸發(fā)則會(huì)導(dǎo)致布匹缺陷甚至紡織機(jī)頻繁停機(jī)。紅外光電檢測(cè)技術(shù)以其響應(yīng)速度快、非接觸等特點(diǎn)，已成為紡織裝備中紗線檢測(cè)的主要手段之一[2-3]。然而工業(yè)環(huán)境里，儲(chǔ)緯器連續(xù)運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)等多重因素干擾，誤觸發(fā)和漏檢測(cè)時(shí)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(duì)紅外傳感系統(tǒng)特性和儲(chǔ)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(hào)中幅度較大且具有明顯偶發(fā)特征的隨機(jī)擾動(dòng)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(hào)幅度漂移是導(dǎo)致漏檢測(cè)的主要誘因。本文針對(duì)上述問題提出了相應(yīng)解決方案，并在工業(yè)環(huán)境中對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的有效性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)工作原理

　　圖1為儲(chǔ)緯器的緯紗紅外檢測(cè)原理圖，采用反射型光路結(jié)構(gòu)，光電檢測(cè)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(lì)下紅外發(fā)光管發(fā)射出一定強(qiáng)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(qiáng)度的傳感信號(hào)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(shí)，其遮擋作用必然會(huì)導(dǎo)致傳感信號(hào)瞬時(shí)幅度的變化，使得緯紗通過事件的精確檢測(cè)成為可能。

2 光源驅(qū)動(dòng)控制

　　傳統(tǒng)的恒壓驅(qū)動(dòng)方式下，儲(chǔ)緯器傳感信號(hào)直流強(qiáng)度的時(shí)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(hào)變化曲線。放緯時(shí)紗線上攜帶的潤(rùn)滑劑逐漸黏附在反射鏡上，使得傳感信號(hào)強(qiáng)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(shí)間內(nèi)紅外傳感系統(tǒng)的發(fā)光管電流與傳感信號(hào)幅值變化曲線。最初的4個(gè)月時(shí)間內(nèi)發(fā)光管表現(xiàn)出持續(xù)老化特性，其驅(qū)動(dòng)電流按近似線性的規(guī)律減小，導(dǎo)致傳感信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)相似特性減弱漂移。

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

　　圖3中運(yùn)算放大器U1A和U1B及其外圍器件組成了PI閉環(huán)補(bǔ)償控制器，其輸入信號(hào)為傳感信號(hào)直流強(qiáng)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(hào)。

　　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(shí)，反饋電壓VI隨之改變，則PI負(fù)反饋調(diào)節(jié)生效對(duì)ID進(jìn)行調(diào)節(jié)以建立新的平衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射鏡污染及光源老化的補(bǔ)償調(diào)節(jié)并使得紅外傳感系統(tǒng)始終在設(shè)計(jì)的最佳直流強(qiáng)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(zhǎng)期特性如圖4所示。在電流源閉環(huán)調(diào)節(jié)下信號(hào)直流強(qiáng)度不論在短期還是長(zhǎng)期的測(cè)試中均不會(huì)發(fā)生漂移且其波動(dòng)幅度也處于相對(duì)較小的范圍內(nèi)。

3 傳感信號(hào)處理

　　3.1 前置模擬濾波

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

　　三種典型狀態(tài)下傳感信號(hào)的FFT頻譜如圖5所示。其中待機(jī)狀態(tài)下傳感信號(hào)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(chǔ)緯器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的傳感信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）頻率一致。因有效緯紗通過信號(hào)為脈沖突變信號(hào)，且脈沖頻率受緯紗噴射速度影響有較大幅度波動(dòng)，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(hào)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(duì)初始放大后的紅外傳感信號(hào)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(hào)如圖7所示。傳感信號(hào)中低頻和高頻噪聲得到了有效抑制，低噪相對(duì)有效信號(hào)已處于較小水平。但儲(chǔ)緯器實(shí)際運(yùn)行工程中仍時(shí)常觀察到個(gè)別紗線通過信號(hào)幅值欠佳以及信號(hào)中夾雜幅值較大具有偶發(fā)特性的隨機(jī)噪聲。通過對(duì)濾波電路輸出波形分析發(fā)現(xiàn)，緯紗通過信號(hào)和隨機(jī)噪聲在時(shí)域中存在以下不同點(diǎn)：（1）緯紗信號(hào)和隨機(jī)噪聲的時(shí)域積分相差較大；（2）緯紗信號(hào)具有震蕩特性，由正向信號(hào)和負(fù)向信號(hào)組成，而隨機(jī)噪聲則無該特性。

　　3.2 數(shù)字信號(hào)增強(qiáng)

　　為了消除隨機(jī)噪聲的干擾增強(qiáng)信號(hào)的信噪比，在模擬濾波電路之后引入數(shù)字信號(hào)處理。選用TI公司DSP芯片TMS320f28027作為信號(hào)采集處理單元。目標(biāo)信號(hào)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(hào)X（n）。

　　相對(duì)DSP有限的SRAM存儲(chǔ)空間，上述離散數(shù)字信號(hào)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(chǔ)的滑動(dòng)數(shù)據(jù)處理方式。其實(shí)質(zhì)是將數(shù)字信號(hào)按時(shí)間順序存入一個(gè)固定寬度的先入先出（FIFO）數(shù)組中。根據(jù)濾波器輸出信號(hào)的特征1，如式（2）采用滑動(dòng)均值算法的方法對(duì)數(shù)字信號(hào)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(hào)中的隨機(jī)噪聲和毛刺。經(jīng)滑動(dòng)均值處理后的輸出等效信號(hào)Y（n）如圖8所示，可見隨機(jī)噪聲已經(jīng)被抑制在一個(gè)較低的水平。

　　針對(duì)緯紗通過信號(hào)的震蕩特性，如式（3）對(duì)均值輸出信號(hào)Y（n）再做滑動(dòng)峰峰值計(jì)算處理得到信號(hào)Z（n）。經(jīng)上述處理后的信號(hào)如圖9所示，傳感信號(hào)中幅值欠佳的緯紗通過信號(hào)得到了進(jìn)一步增強(qiáng)，隨機(jī)噪聲已幾乎不可見，足以滿足檢測(cè)的高精度。最后通過將Z（n）與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)緯紗通過事件的精確計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　構(gòu)建緯紗實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將其搭載于直流永磁同步儲(chǔ)緯器上。同時(shí)，選用引春噴水織機(jī)JW-751CH在寧波萬信紡織廠對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的紗線類型適應(yīng)性和抗干擾性能進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試。

　　4.1 紗線適應(yīng)性

　　以傳統(tǒng)的開環(huán)恒壓驅(qū)動(dòng)型傳感器為對(duì)照組，改進(jìn)后的閉環(huán)電流驅(qū)動(dòng)型傳感器為實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行緯紗適應(yīng)性對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以儲(chǔ)緯器連續(xù)工作30天，每天平均漏檢測(cè)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(shí)驗(yàn)，它們的潤(rùn)滑劑含量從無依次增加。表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：漏檢測(cè)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(rùn)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(hào)增強(qiáng)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行緯紗紅外檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾對(duì)比實(shí)驗(yàn)。因隨機(jī)噪聲具有偶發(fā)特性，故將儲(chǔ)緯器連續(xù)工作30天，每天平均誤檢測(cè)作為性能衡量指標(biāo)。從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，相比于對(duì)照組有數(shù)字信號(hào)增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)組對(duì)隨機(jī)噪聲有較強(qiáng)的抗干擾能力，誤觸發(fā)次數(shù)大大降低。這充分說明滑動(dòng)平均和滑動(dòng)峰峰值組合算法的信號(hào)處理方案能夠有效地抑制隨機(jī)噪聲。

5 結(jié)論

　　通過實(shí)際工業(yè)織造環(huán)境中的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：（1）紅外光源驅(qū)動(dòng)電流閉環(huán)控制對(duì)傳感信號(hào)漂移有較好的補(bǔ)償作用，提高了檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)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(hào)增強(qiáng)方案能夠有效地抑制隨機(jī)噪聲，提高了信號(hào)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(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該緯紗光電檢測(cè)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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