在線張力傳感器的設計與實現

陳傳亮，王成群，呂文濤，徐偉強

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

0 引 言

在紡織及化纖等工業生產中，絲線的張力是一個十分重要的技術參數。張力的不均勻性會直接影響絲在筒管上的成型，還會影響著色的均勻性。因此，如何提高紗線生產過程中紗線張力檢測的靈敏度、精確度以及實時性，成為研究的熱點。目前，國內外常見的紗線張力傳感器主要有差動電容式、磁電式、聲表面波式、光纖Bragg光柵式，以及基于CCD技術和基于光電傳感器技術的紗線張力傳感器。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彎曲測力結構，引入了額外的導紗輪摩擦環節，長時間在線測量會對紗線的品質造成一定的影響。因此，接觸式張力傳感器適用于紗線生產的離線巡檢環節，不可應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量的影響。但是，由于檢測采用的技術容易受到檢測環境的影響，同樣不適用于高速在線檢測場景。隨著紡織技術高速發展，紗線和織物的加工速度也越來越高，傳統的紗線張力傳感器已無法完全滿足現代紡織工藝的需求。

針對以上問題，本文設計了一款應用于高速紡絲生產環節中的在線張力傳感器。可以保證高速環境下對絲線的質量無破壞，并可以進行張力數據在線采集以及可視化顯示，可以實現生產過程的自動化、智能化，進而提高紡絲的質量和效率。

1 系統設計

張力傳感器的整體框架如圖1所示。系統主要由LPC1768主控模塊、張力檢測模塊、電機驅動模塊、光電檢測模塊、通信模塊、系統電源模塊等6部分組成。其中，電機驅動模塊通過步進電機完成對2個輔助滑輪的移動控制，組成三點彎曲張力檢測結構；光電檢測模塊可進一步保證2個輔助滑輪達到最佳的檢測位置，對其位置進行精確定位；力傳感器完成紗線張力信息到電信號的轉換；信號處理模塊對力傳感器輸出的原始信號進行放大處理；LPC1768主控芯片自帶的A／D模數轉換模塊，完成模擬信號的數字化處理；處理后的數據通過通信模塊傳輸到上位機，并對紗線張力信息進行實時顯示。

圖1 傳感器總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of sensors

2 硬件電路設計

2.1 LPC1768主控模塊

主控模塊采用ARM Cortex-M3內核的LPC1768作為主控芯片，LPC1768控制器含有豐富的內部外設，使得該處理器非常適合運動控制應用。LPC1768芯片采用32位操作，工作電壓為3.3 V，工作頻率可高達100 MHz。其中包括4個UART、8通道的12位ADC、電機控制PWM、4個通用定時器、6輸出的通用PWM，以及多達70個的通用I／O引腳，可滿足相關的功能需求。

2.2 信號采集及處理模塊

力傳感器采用S型結構，該結構具有較好的線性度和重復性，拉壓均可使用。此外，系統對傳感器零點和靈敏度溫度影響進行了補償，保證了傳感器的長期穩定性。電阻式力傳感器輸出的是mV級的模擬小信號，容易受到檢測環境的干擾，因此接入INA128的輸入端，對其進行信號放大。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，因此放大倍數應該取值在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主控芯片進行模數轉換等相關運算。

2.3 電機驅動模塊

電機驅動模塊采用Allegro MicroSystem公司生產的A3979SLP作為步進電機驅動芯片，芯片內含脈沖分配器使每輸入一個脈沖，電機就走一步，不需要相序表、高頻控制線或復雜的程序接口。而且內部還含有同步整流控制電路，可以實現滯后熱關機、欠壓鎖定、交叉電流保護功能，芯片輸出高達35 V和±2.5 A。芯片內部包括一個固定關閉時間的電流調節器，能夠在慢、快或混合衰減模式下運行，進一步降低電機的可聽噪聲，提高步進精度，降低功耗。步進電機驅動電路如圖3所示。

圖3 步進電機驅動電路圖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通信，負責上位機和下位機通信。上位機通過串口通信發送校準指令給下位機，并通過串口通信實時在線顯示下位機采集到的紗線張力信息；下位機接收并執行上位機的指令，控制A3979SLP驅動模塊驅動步進電機。通過以太網的方式，將各個張力傳感器連接起來，實現多站點大規模通信。以太網通信電路如圖4所示。采用雙以太網通信方式，兼容性好，通信速率快，便于調試與監控。

圖4 以太網通信模塊電路圖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構。光電檢測開關精度高、響應速度快，并且不與被檢測物體直接接觸，減少了磨損。當擋片、即輔助滑輪擋住光電開關中發光二極管的光，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電機停止。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直流電源經電壓轉換芯片LM2576R-ADJ獲得，計算公式為：

其中，V表示穩壓器取樣電路的基準電壓，這里為1.23 V。

5 V電源直接為傳感器模塊、光電檢測模塊、電機驅動模塊等供電，并經AMS1117-3.3穩壓模塊壓降到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 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

3.1.1 主函數設計

系統軟件流程如圖7所示。系統加電后，工作流程主要包括系統及各模塊初始化；上位機發送校準參數指令；主控芯片控制步進電機運動，直至輔助輪到達最佳檢測位置；張力檢測單元采集張力信息，并傳輸到上位機上顯示。其中，輔助滑輪在步進電機的控制下達到最佳的檢測位置，組成最佳檢測結構進行檢測。若輔助滑輪超過最佳檢測位置，會被光電模塊檢測到，并迅速反饋到主控芯片，控制步進電機停止運動，進一步保證了張力檢測時為最佳的檢測結構。如果系統檢測到20 s內無數據處理，則系統會進行報警，并判斷是否重新啟動系統。

圖7 主函數程序流程圖Fig.7 Flowchart of main function program

3.1.2 電機速度控制設計

由于步進電機在整個運動過程中，需要經過加速-勻速-減速的過程，為了減小振動對信號采集的影響及精準定位，本文采用型曲線，對步進電機進行加減速的控制。速度控制是通過控制系統的脈沖頻率或者周期來實現的。首先，計算出脈沖時間數列對應的定時器的載入值，并通過實驗數據計算出最佳檢測結構，對應步進電機的總步數，保存在主控芯片中。通過查閱參數值表即可實現步進電機指定速度的控制。步進電機型曲線控制流程如圖8所示。

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

3.2 上位機軟件設計

為了讓用戶更加直觀地查看檢測結果，設計了一個上位機顯示界面。上位機界面是使用QT軟件開發設計得到的。上位機軟件界面如圖9所示。圖9中，右邊窗口（實時張力變化）顯示實時的紗線張力數值變化曲線；中間位置（張力大小）顯示擬合后的張力數值。應用中可根據需要，隨時進行開始、停止張力檢測系統以及張力信息界面刷新操作。

圖9 上位機軟件界面Fig.9 The interface of upper computer software

4 實驗測試與分析

4.1 測試平臺

在系統軟硬件分析結束后，將依據系統硬件部分的設計來展開實物的搭建工作，并根據軟件部分的設計進行系統的調試，根據實驗測量的結果來判斷是否已達到預期的設計目標。實驗測試平臺如圖10所示。

圖10 實驗測試平臺Fig.10 Experimental test platform

4.2 實驗結果與分析

實驗過程中，使用砝碼模擬提供紗線張力，采集到的數據經過放大、模數轉換等處理后，張力值顯示在上位機上。傳感器采集到的張力值與相對應的砝碼重量往往不是線性關系，因此需要使用最小二乘法構建數學模型，可以較好地減少干擾信號與測量誤差帶來的影響。在標定過程中，使用標準砝碼間隔5 g質量，由小到大、再由大到小重復多次測量，可以有效減少測量過程中的人為誤差，最終測得0～150 gN的張力變化數據。為保證實驗數據的準確性，每次改變砝碼加載質量后會停頓30 s，記錄10次數據并求出平均值。

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

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

通過對表1的數據進行擬合分析后發現，實驗采集到的樣本點幾乎在一條直線上，如圖11所示。擬合結果證明該紗線張力傳感器在進行AD采樣時，在標定范圍內有很好的線性。

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

5 結束語

本文探討了基于LPC1768為核心的紗線張力傳感器設計，通過間歇式檢測紗線張力信息，解決了傳統紗線張力傳感器耐磨性差以及數據測量誤差大的問題。實驗結果表明：該紗線張力傳感器在標定范圍內有很好的線性，并且實時性好，穩定性強，同時紗線張力檢測的智能化、自動化進一步提高，對勞動力的解放具有積極的意義，并在紗線生產場景中顯示出較好的實用價值。