在線張力傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳傳亮，王成群，呂文濤，徐偉強(qiáng)

（1 浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018；2 浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引 言

在紡織及化纖等工業(yè)生產(chǎn)中，絲線的張力是一個(gè)十分重要的技術(shù)參數(shù)。張力的不均勻性會(huì)直接影響絲在筒管上的成型，還會(huì)影響著色的均勻性。因此，如何提高紗線生產(chǎn)過程中紗線張力檢測的靈敏度、精確度以及實(shí)時(shí)性，成為研究的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外常見的紗線張力傳感器主要有差動(dòng)電容式、磁電式、聲表面波式、光纖Bragg光柵式，以及基于CCD技術(shù)和基于光電傳感器技術(shù)的紗線張力傳感器。其中，前4種屬于接觸式張力傳感器，后2種屬于非接觸式張力傳感器。由于接觸式張力傳感器普遍采用三點(diǎn)彎曲測力結(jié)構(gòu)，引入了額外的導(dǎo)紗輪摩擦環(huán)節(jié)，長時(shí)間在線測量會(huì)對紗線的品質(zhì)造成一定的影響。因此，接觸式張力傳感器適用于紗線生產(chǎn)的離線巡檢環(huán)節(jié)，不可應(yīng)用于高速在線檢測的場景。非接觸式張力傳感器因其測量元件不需要接觸紗線，一定程度上避免了檢測過程對紗線質(zhì)量的影響。但是，由于檢測采用的技術(shù)容易受到檢測環(huán)境的影響，同樣不適用于高速在線檢測場景。隨著紡織技術(shù)高速發(fā)展，紗線和織物的加工速度也越來越高，傳統(tǒng)的紗線張力傳感器已無法完全滿足現(xiàn)代紡織工藝的需求。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于高速紡絲生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的在線張力傳感器。可以保證高速環(huán)境下對絲線的質(zhì)量無破壞，并可以進(jìn)行張力數(shù)據(jù)在線采集以及可視化顯示，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、智能化，進(jìn)而提高紡絲的質(zhì)量和效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張力傳感器的整體框架如圖1所示。系統(tǒng)主要由LPC1768主控模塊、張力檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電檢測模塊、通信模塊、系統(tǒng)電源模塊等6部分組成。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過步進(jìn)電機(jī)完成對2個(gè)輔助滑輪的移動(dòng)控制，組成三點(diǎn)彎曲張力檢測結(jié)構(gòu)；光電檢測模塊可進(jìn)一步保證2個(gè)輔助滑輪達(dá)到最佳的檢測位置，對其位置進(jìn)行精確定位；力傳感器完成紗線張力信息到電信號的轉(zhuǎn)換；信號處理模塊對力傳感器輸出的原始信號進(jìn)行放大處理；LPC1768主控芯片自帶的A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，完成模擬信號的數(shù)字化處理；處理后的數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并對紗線張力信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 傳感器總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of sensors

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LPC1768主控模塊

主控模塊采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的LPC1768作為主控芯片，LPC1768控制器含有豐富的內(nèi)部外設(shè)，使得該處理器非常適合運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。LPC1768芯片采用32位操作，工作電壓為3.3 V，工作頻率可高達(dá)100 MHz。其中包括4個(gè)UART、8通道的12位ADC、電機(jī)控制PWM、4個(gè)通用定時(shí)器、6輸出的通用PWM，以及多達(dá)70個(gè)的通用I／O引腳，可滿足相關(guān)的功能需求。

2.2 信號采集及處理模塊

力傳感器采用S型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較好的線性度和重復(fù)性，拉壓均可使用。此外，系統(tǒng)對傳感器零點(diǎn)和靈敏度溫度影響進(jìn)行了補(bǔ)償，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性。電阻式力傳感器輸出的是mV級的模擬小信號，容易受到檢測環(huán)境的干擾，因此接入INA128的輸入端，對其進(jìn)行信號放大。由于電阻式力傳感器最大輸出為5 mV，為方便檢測放大后的模擬信號，電壓范圍保證在±4 V之內(nèi)，因此放大倍數(shù)應(yīng)該取值在800左右，即80050 kΩ，（）≈62 Ω。放大電路如圖2所示。

圖2 信號處理模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of the signal processing module

圖2中，IN-與IN＋連接力傳感器的電勢輸出端，IN1為放大之后的信號，將該信號送入到LPC1768主控芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換等相關(guān)運(yùn)算。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用Allegro MicroSystem公司生產(chǎn)的A3979SLP作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，芯片內(nèi)含脈沖分配器使每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)就走一步，不需要相序表、高頻控制線或復(fù)雜的程序接口。而且內(nèi)部還含有同步整流控制電路，可以實(shí)現(xiàn)滯后熱關(guān)機(jī)、欠壓鎖定、交叉電流保護(hù)功能，芯片輸出高達(dá)35 V和±2.5 A。芯片內(nèi)部包括一個(gè)固定關(guān)閉時(shí)間的電流調(diào)節(jié)器，能夠在慢、快或混合衰減模式下運(yùn)行，進(jìn)一步降低電機(jī)的可聽噪聲，提高步進(jìn)精度，降低功耗。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.3 Stepping motor drive circuit diagram

2.4 通信模塊

通信模塊主要包括串口通信和以太網(wǎng)通信，負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)通信。上位機(jī)通過串口通信發(fā)送校準(zhǔn)指令給下位機(jī)，并通過串口通信實(shí)時(shí)在線顯示下位機(jī)采集到的紗線張力信息；下位機(jī)接收并執(zhí)行上位機(jī)的指令，控制A3979SLP驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。通過以太網(wǎng)的方式，將各個(gè)張力傳感器連接起來，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)大規(guī)模通信。以太網(wǎng)通信電路如圖4所示。采用雙以太網(wǎng)通信方式，兼容性好，通信速率快，便于調(diào)試與監(jiān)控。

圖4 以太網(wǎng)通信模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of the Ethernet communication module

2.5 光電檢測模塊

系統(tǒng)增加光電檢測模塊，確保輔助滑輪不越界，并始終處于最佳的檢測結(jié)構(gòu)。光電檢測開關(guān)精度高、響應(yīng)速度快，并且不與被檢測物體直接接觸，減少了磨損。當(dāng)擋片、即輔助滑輪擋住光電開關(guān)中發(fā)光二極管的光，光電檢測模塊PHS端口輸出低電平信號，主控制器通過判斷接收到的信號來控制步進(jìn)電機(jī)停止。光電檢測模塊電路如圖5所示。

圖5 光電檢測模塊電路圖Fig.5 Circuit diagram of the photoelectric detection module

2.6 電源模塊

為了保證電路正常工作，需要提供2種供電電源。其中，5 V直流電源由12 V直流電源經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2576R-ADJ獲得，計(jì)算公式為：

其中，V表示穩(wěn)壓器取樣電路的基準(zhǔn)電壓，這里為1.23 V。

5 V電源直接為傳感器模塊、光電檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等供電，并經(jīng)AMS1117-3.3穩(wěn)壓模塊壓降到3.3 V，為LPC1768主控芯片、通信模塊等供電。電源模塊電路如圖6所示。

圖6 電源模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of the power module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 主函數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)加電后，工作流程主要包括系統(tǒng)及各模塊初始化；上位機(jī)發(fā)送校準(zhǔn)參數(shù)指令；主控芯片控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，直至輔助輪到達(dá)最佳檢測位置；張力檢測單元采集張力信息，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上顯示。其中，輔助滑輪在步進(jìn)電機(jī)的控制下達(dá)到最佳的檢測位置，組成最佳檢測結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。若輔助滑輪超過最佳檢測位置，會(huì)被光電模塊檢測到，并迅速反饋到主控芯片，控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步保證了張力檢測時(shí)為最佳的檢測結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)檢測到20 s內(nèi)無數(shù)據(jù)處理，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，并判斷是否重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

圖7 主函數(shù)程序流程圖Fig.7 Flowchart of main function program

3.1.2 電機(jī)速度控制設(shè)計(jì)

由于步進(jìn)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，需要經(jīng)過加速-勻速-減速的過程，為了減小振動(dòng)對信號采集的影響及精準(zhǔn)定位，本文采用型曲線，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速的控制。速度控制是通過控制系統(tǒng)的脈沖頻率或者周期來實(shí)現(xiàn)的。首先，計(jì)算出脈沖時(shí)間數(shù)列對應(yīng)的定時(shí)器的載入值，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出最佳檢測結(jié)構(gòu)，對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的總步數(shù)，保存在主控芯片中。通過查閱參數(shù)值表即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)指定速度的控制。步進(jìn)電機(jī)型曲線控制流程如圖8所示。

圖8 S型曲線步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖Fig.8 Control program flowchart of S-shaped curve stepping motor

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了讓用戶更加直觀地查看檢測結(jié)果，設(shè)計(jì)了一個(gè)上位機(jī)顯示界面。上位機(jī)界面是使用QT軟件開發(fā)設(shè)計(jì)得到的。上位機(jī)軟件界面如圖9所示。圖9中，右邊窗口（實(shí)時(shí)張力變化）顯示實(shí)時(shí)的紗線張力數(shù)值變化曲線；中間位置（張力大小）顯示擬合后的張力數(shù)值。應(yīng)用中可根據(jù)需要，隨時(shí)進(jìn)行開始、停止張力檢測系統(tǒng)以及張力信息界面刷新操作。

圖9 上位機(jī)軟件界面Fig.9 The interface of upper computer software

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

4.1 測試平臺(tái)

在系統(tǒng)軟硬件分析結(jié)束后，將依據(jù)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)來展開實(shí)物的搭建工作，并根據(jù)軟件部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果來判斷是否已達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)Fig.10 Experimental test platform

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過程中，使用砝碼模擬提供紗線張力，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，張力值顯示在上位機(jī)上。傳感器采集到的張力值與相對應(yīng)的砝碼重量往往不是線性關(guān)系，因此需要使用最小二乘法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，可以較好地減少干擾信號與測量誤差帶來的影響。在標(biāo)定過程中，使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼間隔5 g質(zhì)量，由小到大、再由大到小重復(fù)多次測量，可以有效減少測量過程中的人為誤差，最終測得0～150 gN的張力變化數(shù)據(jù)。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次改變砝碼加載質(zhì)量后會(huì)停頓30 s，記錄10次數(shù)據(jù)并求出平均值。

表1是測量的一組數(shù)據(jù)，根據(jù)表1中的檢測數(shù)據(jù)、并利用最小二乘法，求出張力傳感器的值輸出與紗線張力（紗線負(fù)載）之間的函數(shù)方程關(guān)系，對此可表示為：

表1 標(biāo)定張力值與對應(yīng)AD采樣值對照表Tab.1 Comparison between calibrated tension value and corresponding AD sampling values

通過對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)采集到的樣本點(diǎn)幾乎在一條直線上，如圖11所示。擬合結(jié)果證明該紗線張力傳感器在進(jìn)行AD采樣時(shí)，在標(biāo)定范圍內(nèi)有很好的線性。

圖11 張力擬合曲線Fig.11 Tension fitting curve

5 結(jié)束語

本文探討了基于LPC1768為核心的紗線張力傳感器設(shè)計(jì)，通過間歇式檢測紗線張力信息，解決了傳統(tǒng)紗線張力傳感器耐磨性差以及數(shù)據(jù)測量誤差大的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該紗線張力傳感器在標(biāo)定范圍內(nèi)有很好的線性，并且實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，同時(shí)紗線張力檢測的智能化、自動(dòng)化進(jìn)一步提高，對勞動(dòng)力的解放具有積極的意義，并在紗線生產(chǎn)場景中顯示出較好的實(shí)用價(jià)值。