基于硅光電池的緯紗信號(hào)檢測(cè)

李耀杰 沈丹峰 王榮軍 王玉 李靖宇

摘要： 隨著噴氣織機(jī)技術(shù)水平和引緯速度的不斷提高，紗線檢測(cè)的漏檢和誤檢問題就顯得十分重要，目前紅外光電探緯器在使用時(shí)容易受其他因素干擾，且信號(hào)處理電路比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)漏檢和誤檢的情況。針對(duì)這些問題，文章采用一種新的光電檢測(cè)方法采集緯紗信號(hào)，并通過滑動(dòng)均值濾波算法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理。通過分析不同功率激光源、不同灰度紗線、不同直徑紗線對(duì)采集信號(hào)的影響，為紗線漏檢和誤檢次數(shù)統(tǒng)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)果表明：激光功率和紗線灰度變化會(huì)顯著影響漏檢和誤檢次數(shù)的變化，紗線直徑變化沒有明顯影響，隨著激光功率的不斷增加，漏檢和誤檢次數(shù)最小的紗線灰度等級(jí)也不斷增加，同時(shí)這種方法的漏檢率和誤檢率遠(yuǎn)低于紅外光電檢測(cè)的漏檢率和誤檢率。

關(guān)鍵詞： 光電檢測(cè)法;滑動(dòng)均值濾波算法;漏檢率;硅光電池;緯紗信號(hào)檢測(cè);激光源

中圖分類號(hào)： TS103.74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2021）12-0028-06

引用頁碼： 121106

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.12.006（篇序）

Abstract： With the continuous improvement of air-jet loom technology and weft insertion speed， the missed detection and false detection of yarn have become very important. At present， infrared photoelectric weft detectors are prone to the interference of other factors when operating， and the signal processing circuit is complicated， easily resulting in missed detection and false detection. In order to address these problems， a new photoelectric detection method was adopted to collect the weft signals， and the collected signals were processed using mean sliding filter algorithm. The influence of different power laser sources， different yarn gray level and different diameters on signal collection was analyzed to provide a basis for the statistics of the time of missed detection and false detection. The results have shown that changes in laser power and yarn gray level would significantly affect the changes in the times of missed detection and false detection， and the change in yarn diameter has no obvious effect. With continuous increase of the laser power， yarn gray level with the minimum missed detection and false detections keeps increasing. Also， the missed detection rate and false detection rate by using method study are much lower compared with infrared photoelectric detection method.

Key words： photoelectric detection method; mean sliding filter algorithm; missed detection rate; silicon photocell; weft signal detection; laser source

紡織工業(yè)是中國(guó)的重點(diǎn)支撐產(chǎn)業(yè)，有著非常廣闊的發(fā)展前景[1]。紡織機(jī)械上有紗線經(jīng)過的地方通常需要有適當(dāng)?shù)膹埩φ{(diào)節(jié)裝置和斷紗檢測(cè)裝置[2-3]。紗線檢測(cè)裝置性能的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，目前無梭織機(jī)緯紗檢測(cè)分為接觸式和非接觸式。其中接觸式紗線檢測(cè)有兩種：一種是采用杠桿式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)常面臨由于飛絮、油污等問題造成檢測(cè)裝置靈敏度降低，以及紗線張力的波動(dòng)引發(fā)誤停車等問題。另一種為接觸式壓電陶瓷檢測(cè)，多用于積極引緯方式的劍桿織機(jī)和片梭織機(jī)上。非接觸紗線檢測(cè)常見的有兩種：一種是采用圖像處理技術(shù)對(duì)緯紗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，但是緯紗的引緯是在鋼筘內(nèi)進(jìn)行的，CCD相機(jī)不易捕捉到紗線運(yùn)動(dòng)圖像，這種方法多應(yīng)用于細(xì)紗機(jī)等紗線運(yùn)動(dòng)沒有遮擋的場(chǎng)景[4]，因此在使用范圍上受到了限制。另一種是使用紅外光電探緯裝置[5-7]，多用于消極引緯方式的噴氣織機(jī)上，但是由于緯紗信號(hào)受到顏色、鋼筘信號(hào)、背景噪聲等因素干擾，容易產(chǎn)生誤判或漏判[8]。另外，紅外光電探緯器的結(jié)構(gòu)也會(huì)引起誤判或漏判的產(chǎn)生，例如探緯器的透鏡與殼體之間會(huì)隨著長(zhǎng)時(shí)間的鋼筘震動(dòng)而產(chǎn)生縫隙，使得飛絮進(jìn)入到探緯器內(nèi)部，形成探緯器的“呼吸效應(yīng)”，引起誤判或漏判的產(chǎn)生[9]。同時(shí)，隨著噴氣織機(jī)技術(shù)水平和引緯速度的不斷提高，紅外光電探緯器目前存在5‰的漏檢率和誤檢率[8]也會(huì)隨著車速提高而增加，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，非接觸式紗線漏檢率和誤檢率問題越來越突出。由于硅光電池具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，多用于檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)和微小變化的物理量，對(duì)于噴氣織機(jī)上引緯速度高、直徑小的緯紗檢測(cè)具有很大的研究前景。因此，本文研究設(shè)計(jì)了基于硅光電池光電效應(yīng)的激光探緯器，可降低企業(yè)成本，并通過滑動(dòng)均值算法提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，降低誤檢和漏檢的概率。

1?檢測(cè)方法

1.1?工作原理

目前較為常見的多為筘前式探緯器，如圖1所示，其具有便于織物更換等優(yōu)點(diǎn)。筘前式探緯器的工作原理主要是通過發(fā)光二極管發(fā)出波長(zhǎng)為950 nm的紅外光，經(jīng)過透光鏡的過濾后，最終用光敏三極管捕獲緯紗信號(hào)[10]。但是，捕獲后的緯紗信號(hào)中仍然存在大量的噪聲，如變頻器、電磁閥啟停等電磁干擾，以及鋼筘信號(hào)和背景光等[8]。簡(jiǎn)單的放大電路不能夠分辨出有用的信號(hào)，因此，為了避免這些因素的干擾，本文提出采用激光作為光源，硅光電池采集緯紗信號(hào)，最終通過滑動(dòng)均值算法分析出有用信號(hào)，工作原理如圖2所示。激光具有較高的亮度和較好的方向性，能夠避免背景光的干擾，同時(shí)，激光光線的直徑大于鋼筘的寬度，鋼筘在發(fā)生震動(dòng)時(shí)，所反射光的面積和強(qiáng)度大小均不發(fā)生變化，避免了鋼筘信號(hào)的干擾。緯紗在引緯過程中，紗線呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，自由端上下擺動(dòng)最為劇烈，依據(jù)紗線上下擺動(dòng)特征，到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)擺動(dòng)的紗線會(huì)遮擋光線，從而達(dá)到檢測(cè)出紗線的目的[11-14]。

1.2?硅光電池性能指標(biāo)

設(shè)計(jì)選用SGPX185MQ二腳直插式硅光電池，光譜響應(yīng)范圍320～1 050 nm，峰值波長(zhǎng)900 nm，響應(yīng)時(shí)間8 μs，實(shí)際生產(chǎn)中噴氣織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速一般為600～800 r/min，則每轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)完成一次引緯需要的時(shí)間為75～100 ms，可見該型號(hào)硅光電池響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求。另外，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中激光源波長(zhǎng)一般在650 nm左右，滿足硅光電池光譜響應(yīng)范圍的要求。

1.3?放大電路

由于采集的小信號(hào)極易受到外界的干擾，為了避免溫漂和其他干擾信號(hào)的影響，該放大電路設(shè)計(jì)成前置放大電路和后級(jí)放大電路[15-16]。前置電路為差分放大電路，如圖3所示，主要是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，該放大器的傳遞函數(shù)如式（1）所示，放大的倍數(shù)為電阻R3與電阻R1的比值所決定，經(jīng)計(jì)算可知前置放大電路放大倍數(shù)為78倍。為了減少交流信號(hào)的影響，在輸出端連接上一個(gè)電容C1為0.1 μF的電容，從而完成了信號(hào)的第一次放大。

后級(jí)放大電路主要是起到對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大和低通濾波的作用，如圖4所示，該放大器的放大倍數(shù)是由電阻R5和電阻R6的比值所決定的，經(jīng)計(jì)算可知放大倍數(shù)為30倍。同時(shí)，C2和R6構(gòu)成了RC低通濾波器，該濾波器的截止頻率計(jì)算函數(shù)如式（2）所示，經(jīng)計(jì)算可知截止頻率為530 Hz，避免了變頻器等高頻電磁干擾，完成信號(hào)放大和濾波作用。

2?信號(hào)處理

2.1?數(shù)據(jù)采集

A/D轉(zhuǎn)換芯片是采集模塊的重要組成部分，決定了數(shù)據(jù)采集的速度和精度，本文選用由Analog Device公司生產(chǎn)具有12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D7864芯片。該芯片具有12位并行數(shù)據(jù)輸出接口，單次轉(zhuǎn)換周期為1.65 μs[17]，能夠保證數(shù)據(jù)采集時(shí)的速度和精度。

2.2?滑動(dòng)均值濾波算法

數(shù)據(jù)信號(hào)在采集的過程中會(huì)受到電磁信號(hào)、織機(jī)震動(dòng)等因素的干擾，為了減小這些噪聲的干擾，本文采用一種去極大極小值滑窗均值濾波算法[18]，來完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而做出是否探測(cè)到緯紗的判斷。設(shè)u（n）為探緯器n時(shí)刻的采樣值，L為滑窗均值濾波器的窗口長(zhǎng)度，則n時(shí)刻濾波器的輸出x（n）為：

式中：L=2m+1，m為滑動(dòng)窗口的中間值。

由式（3）可知，滑動(dòng)均值濾波算法采集L個(gè)數(shù)據(jù)并分別存入L個(gè)內(nèi)存單元，完成L個(gè)稱重?cái)?shù)據(jù)的初次采樣后，每采樣一次L個(gè)內(nèi)存單元按順序移出一個(gè)最初的數(shù)據(jù)，并移入本次采樣的數(shù)據(jù)，去除本次L個(gè)數(shù)據(jù)的最大最小值后，求取剩余L-2個(gè)數(shù)據(jù)的均值[19]。

3?實(shí)?驗(yàn)

在JAT-810噴氣織機(jī)（日本豐田）上進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)緯紗到達(dá)時(shí)間（主軸轉(zhuǎn)角230°±5°）進(jìn)行相應(yīng)引緯工藝參數(shù)的設(shè)定，包括主、輔噴嘴氣壓和引緯時(shí)間設(shè)定?？紤]到可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的因素有：紗線材質(zhì)、引緯速度、紗線直徑、紗線顏色。因此，選用精梳純棉紗和滌棉紗（T65/JC35）兩種材質(zhì);主軸速度600 r/min和800 r/min兩種速度;紗線直徑選用0.1 mm（90英支）、0.2 mm（25英支）和0.4 mm（6英支）三種直徑;紗線顏色選擇白、藍(lán)、紅、黃四種顏色。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析，紗線材質(zhì)的不同和引緯速度的快慢對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響較小，紗線顏色對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響與紗線顏色的灰度強(qiáng)度信息有關(guān)，在這四種因素中紗線直徑變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響最為明顯。因此，為了避免研究變量太多增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，本文在這四種參數(shù)中只對(duì)測(cè)量結(jié)果影響最大的紗線直徑和紗線灰度進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，主要采用三種直徑的精梳純棉色紗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.1?紗線直徑影響

考慮到硅光電池對(duì)于不同激光強(qiáng)度輸出電壓值和不同直徑紗線響應(yīng)幅值的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中分別使用功率為5、10、20 mw的激光源和直徑為0.1、0.2、0.4 mm的紗線。

使用功率5 mw的激光源，分別探測(cè)直徑0.1、0.2、0.4 mm的緯紗，測(cè)得的結(jié)果如圖5（a）所示。光線受到直徑0.1、0.2 mm紗線的遮擋時(shí)，硅光電池輸出的電壓都在0.34～0.35 V附近變化，不足以區(qū)分直徑0.1、0.2 mm紗線。

使用功率10 mw的激光源，測(cè)得的結(jié)果如圖5（b）所示。直徑0.1 mm紗線的最低電壓值在0.48 V左右變化，直徑0.2 mm紗線的最低電壓值在0.43 V左右變化，直徑0.4 mm紗線的最低電壓值在0.4 V左右變化，因此10 mw激光源可以通過最低電壓值的大小辨別出不同紗線的直徑。

使用功率20 mw的激光源，測(cè)得的結(jié)果如圖5（c）所示。光線受到直徑0.1、0.2 mm紗線的遮擋時(shí)，硅光電池輸出的電壓都在0.43～0.45 V附近變化，不足以區(qū)分直徑0.1、0.2 mm紗線。

3.2?紗線灰度差異影響

在實(shí)際織造過程中，根據(jù)織物種類的不同，紗線顏色會(huì)有不同的變化。董曉亮等[20]采用光電傳感器只檢測(cè)出兩種顏色的紗線，且測(cè)量結(jié)果較為接近，因此紗線顏色的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小。在測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)，紗線的灰度變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，且紗線灰度等級(jí)與測(cè)量結(jié)果有一定的變化規(guī)律。使用相機(jī)對(duì)選取不同深淺的色紗進(jìn)行拍照，通過真彩色到灰度的變化如式（4）所示，把色紗轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶燃啠瑢⒒叶确秶?～255均分為5個(gè)等級(jí)（201～255為1級(jí);151～200為2級(jí);101～150為3級(jí);51～100為4級(jí);0～50為5級(jí)），得到不同灰度等級(jí)紗線，如圖6所示。

Gray=R×0.299+G×0.587+B×0.114（4）

式中：Gray表示單通道灰度值;R表示三通道真彩色圖像紅色值;G表示三通道真彩色圖像綠色值;B表示三通道真彩色圖像藍(lán)色值。

選取直徑為0.2 mm且灰度從淺到深變化的紗線，在功率5、10、20 mw的激光源照射下，測(cè)量電壓信號(hào)的變化情況，結(jié)果如表1—表3所示。

為了更清晰地分析峰值信號(hào)電壓與紗線灰度等級(jí)關(guān)系，本文繪制兩者在功率5、10、20 mw條件下的曲線變化，如圖7所示。

為了方便觀察紗線灰度與電壓變化的線性關(guān)系，本文在圖7中做出三條曲線的切線，且最大限度與曲線重合，用黑色虛線表示。從圖7可以看出，在功率5 mw激光源照射下，1、2、3級(jí)紗線灰度與電壓變化滿足線性變化，紗線灰度4、5級(jí)的電壓值沒有明顯增加。因此，功率5 mw激光源能夠通過電壓值分辨出灰度1、2、3級(jí)的紗線。

在功率10 mw激光源照射下，紗線灰度2、3、4級(jí)與電壓變化滿足線性變化，1級(jí)紗線灰度電壓值增加較大，5級(jí)紗線灰度電壓值增加較小。因此，功率10 mw激光源能夠通過電壓值分辨出灰度2、3、4級(jí)的紗線。

在功率20 mw激光源照射下，紗線灰度2、3、4、5級(jí)與電壓變化滿足線性變化，1級(jí)紗線灰度電壓值增加較大。因此，功率20 mw激光源能夠通過電壓值分辨出灰度2、3、4、5級(jí)的紗線。

綜上所述，5 mw激光源有利于分辨出灰度等級(jí)較低的紗線，10、20 mw激光源有利于分辨出灰度等級(jí)較高的紗線。

4?分析與討論

通過前文分析可知，功率10 mw激光源能夠很好地區(qū)分出不同直徑的紗線，5 mw激光源有利于分辨出灰度等級(jí)較低的紗線，10、20 mw激光源有利于分辨出灰度等級(jí)較高的紗線。為了進(jìn)一步檢測(cè)這種方法對(duì)紗線漏檢和誤檢的情況，本文選用功率5、10、20 mw的激光源、直徑為0.1、0.2 mm的紗線、灰度等級(jí)為1、3、5級(jí)的紗線，并在噴氣織機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

為了直觀地觀察出紗線灰度、直徑、功率與紗線漏檢/誤檢次數(shù)的關(guān)系，依據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪制出它們之間的變化曲線，如圖8所示。從圖8可以看出，在激光功率相同時(shí)，紗線直徑的變化對(duì)紗線漏檢/誤檢的次數(shù)沒有明顯的影響，但是不同紗線灰度對(duì)紗線漏檢/誤檢的次數(shù)有非常明顯的影響。功率5 mw時(shí)，紗線漏檢/誤檢次數(shù)隨著紗線灰度等級(jí)的增加而增加;功率10 mw時(shí)，紗線灰度3級(jí)對(duì)應(yīng)的漏檢/誤檢次數(shù)最小，兩端的漏檢/誤檢次數(shù)最大;功率20 mw時(shí)，紗線漏檢/誤檢次數(shù)隨著紗線灰度等級(jí)增加而降低。雖然紗線漏檢/誤檢次數(shù)隨著紗線灰度等級(jí)不斷發(fā)生改變，不同功率下的紗線漏檢/誤檢率都不超過1.8‰。

綜上所述，紗線灰度為1級(jí)或以下時(shí)，功率5 mw檢測(cè)紗線漏檢/誤檢次數(shù)最小;紗線灰度為2、3、4級(jí)時(shí)，功率10 mw檢測(cè)紗線漏檢/誤檢次數(shù)最小;紗線灰度為5級(jí)時(shí)，功率20 mw檢測(cè)紗線漏檢/誤檢次數(shù)最小。同時(shí)，不同功率下的紗線漏檢/誤檢率都不超過1.8‰。

同時(shí)結(jié)果也表明，這種檢測(cè)方法的漏檢率和誤檢率遠(yuǎn)低于紅外光電5‰的漏檢率和誤檢率，能夠有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和織造效率。

5?結(jié)?論

本文提出的檢測(cè)方法不僅可以對(duì)于緯紗的檢測(cè)，還可以進(jìn)行經(jīng)紗檢測(cè)，準(zhǔn)確檢測(cè)緯紗有助于調(diào)節(jié)織機(jī)工藝參數(shù)，降低紗線斷裂次數(shù)和耗氣量，同時(shí)探究不同因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，也能獲得檢測(cè)紗線直徑等更多的特征信息。在紗線光電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，通過滑動(dòng)均值濾波算法和放大電路能夠清晰地在采集信號(hào)中觀測(cè)到紗線特征信號(hào)，并且分析了紗線直徑、激光源功率大小、紗線灰度對(duì)采集信號(hào)的影響，以及這些因素對(duì)紗線漏檢率和誤檢率的影響。

1） 激光功率大小對(duì)紗線直徑的電壓信號(hào)測(cè)量值有著直接的影響，測(cè)試結(jié)果表明，在功率5、10、20 mw激光源中，功率10 mw激光源能夠清晰地分辨出不同直徑的紗線，以及不同直徑紗線所對(duì)應(yīng)電壓值大小。

2） 通過紗線灰度差異對(duì)輸出電壓信號(hào)測(cè)量值的影響進(jìn)行分析可知，5 mw激光源有利于分辨出灰度等級(jí)較低的紗線，10、20 mw激光源有利于分辨出灰度等級(jí)較高的紗線。

3） 在紗線灰度、直徑、功率對(duì)紗線漏檢/誤檢次數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，為了保證紗線漏檢/誤檢次數(shù)最小，紗線灰度與激光功率大小呈正比關(guān)系。同時(shí)，這種檢測(cè)方法的漏檢率和誤檢率遠(yuǎn)低于紅外光電5‰的漏檢率和誤檢率，能夠有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和織造效率。

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