傳感器在現(xiàn)代漿紗機在線檢測和信息化中的實際應(yīng)用 - 全文

　　紡織是我國國民經(jīng)濟的重要支柱和出口創(chuàng)匯的重要來源，現(xiàn)代織造設(shè)備是紡織生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的保障。現(xiàn)代織造設(shè)備集精密機加工、電氣電子、液壓、氣動、儀表、油浴、中央潤滑、電腦控制于一體，復(fù)合多學(xué)科科技發(fā)展的最新成果。漿紗工序是紡織廠的心臟，“漿紗一分鐘，布機一個班”，國外也有好的紗漿，等于布織了一半的說法。然而漿紗機是實現(xiàn)漿紗工藝目標(biāo)的基礎(chǔ)，作為漿紗機中“神經(jīng)系統(tǒng)”的各種傳感器是實現(xiàn)自動檢測和控制各種工藝目標(biāo)的首要環(huán)節(jié)，是尖端電子技術(shù)在機電一體化的現(xiàn)代紡織領(lǐng)域的具體體現(xiàn)，是現(xiàn)代漿紗機區(qū)別于傳統(tǒng)漿紗機的重要標(biāo)志?，F(xiàn)代漿紗機的發(fā)展趨勢之一就是自動化（自動檢測與控制）和信息化（數(shù)據(jù)的及時、準(zhǔn)確、全面、數(shù)字化、圖形化、網(wǎng)絡(luò)化的反饋和處理）。傳感器的使用是現(xiàn)代漿紗機自動化和信息化建設(shè)的前提。紡織工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)摒棄過去“機械維護與電器維護彼此分離、管理人員、工藝人員與設(shè)備維修人員分離”的理念，才能適應(yīng)新的“機電一體化、工藝與設(shè)備相互滲透、相互融合”的新形勢。掌握傳感器這一高新技術(shù)在漿紗機上的具體應(yīng)用能有助于技術(shù)人員掌握設(shè)備的綜合性能，為設(shè)備維護、技術(shù)改造和產(chǎn)品升級打下基礎(chǔ)。因而有必要對于傳感器自漿紗機上的具體應(yīng)用進行探討。

　　1、漿紗機所用傳感器的主要類型及性能評價

　　1．1定義與主要類型

　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器定義為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，并滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，因而是檢測與自動控制和信息化的前提。新型漿紗機所用傳感器按工作原理：分為電阻（主要有熱敏、濕敏等）、電感、霍爾、超聲波、應(yīng)變片、光電等傳感器。按被測物理量分：有力、位移、速度、溫度、濕度及角度等傳感器。

　　1．2性能評價

　　傳感器的性能用其靜態(tài)特性和動態(tài)特性衡量，靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。動態(tài)特性常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)表示。

　　2、傳感器在新型漿紗機的應(yīng)用

　　傳感器在新型漿紗機上用于經(jīng)軸退繞直徑、回潮率、烘筒與漿槽溫度、各區(qū)張力、各區(qū)伸長率、運行速度、檢測等。

　　2．1鉑熱電阻式溫度傳感器用于溫度檢測與控制

　　2．1．1傳感器的選擇

　　在工業(yè)應(yīng)用中，溫度的檢測，有熱電偶和熱電阻兩種形式，熱電偶一般適用于測量500℃以上的較高溫度。對于500℃以下的中、低溫度，熱電偶的輸出的熱電勢很小，這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高，否則難以實現(xiàn)精確測量；而且在較低溫區(qū)域，冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。所以測量中、低溫度一般使用熱電阻溫度測量儀較為合適。漿紗機的烘筒的烘燥溫度一般低于150℃，漿液溫度小于或等于100℃，故可以采取熱電阻式傳感器。

　　2．1．2熱電阻傳感器的測溫原理與選擇

　　熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度。主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。金屬熱電阻的特點是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在工程控制中的應(yīng)用極其廣泛。

　　電阻值和溫度一般可以采用以下的近似關(guān)系式：

　　Rt=Rt0［1+α（t一t0）］

　　式中：Rt為溫度t時阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=O℃）時對應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。

　　2．1．3鉑熱電阻傳感器在漿紗機上的應(yīng)用

　　漿紗機主要采用的是金屬鉑熱電阻傳感器。鄭紡機GA308，SUCKER-S432漿紗機、等漿紗機采用的是Pt-100鉑熱電阻，測量范圍 0～200℃，最大電流20mA，相對于銅電阻，鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小。

　　鉑熱電阻溫度傳感器檢測并結(jié)合控制單元控制漿液溫度、烘燥溫度在工藝范圍之內(nèi)。該傳感器屬熱敏電阻傳感器。

　　2．1．4鉑熱電阻傳感器檢測溫度的方法

　　鉑熱電阻溫度傳感器檢測的烘筒或漿液溫度，經(jīng)過電橋輸出與溫度成比例的電壓信號，通過運算放大器進入A／D轉(zhuǎn)換器，將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過光電隔離器送入微處理器CPU，實際溫度與預(yù)定溫度之差經(jīng)CPU按一定規(guī)律運算輸出，經(jīng)光電隔離器、D／A轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動器后形成模擬電流信號；控制單元采用斷開式或位式控制方式，斷開式控制方式由電磁閥控制薄膜閥的啟閉，當(dāng)溫度低于設(shè)定值就打開蒸汽。這種方式對于熱慣量很大的烘筒來說，檢測精度就很差，現(xiàn)已經(jīng)為具有PID調(diào)節(jié)功能的位式控制方式所取代。

　　GA308、卡爾邁耶、津田駒HS20、HS40、祖克S432漿紗機等采用此方式，其特點是可以通過比例閥線性調(diào)節(jié)氣缸閥開度，控制蒸汽流量，即越接近設(shè)定值，蒸汽閥門越開越小，反之亦然，以控制溫度，其原理框圖見圖1。

　　2．2超聲波位移傳感器應(yīng)用于經(jīng)軸退繞直徑檢測

　　保證退繞區(qū)各經(jīng)軸間經(jīng)紗退繞張力一致是漿紗工藝控制的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)漿紗機采用千米夾紙條結(jié)合經(jīng)軸夾調(diào)節(jié)制動力來控制經(jīng)軸的退繞張力，保證各個經(jīng)軸退繞張力均勻一致，以減少機白回絲，祖克SUCKER-S432新型漿紗機的AB張力調(diào)節(jié)器采用機械張力檢測裝置檢測退繞張力，反饋至氣動比例調(diào)節(jié)閥與設(shè)定值比較后，輸出氣壓信號來調(diào)節(jié)退繞張力，仍是一種機械式反饋、控制裝置。

　　鄭紡機的GA301漿紗機采用超聲波傳感器檢測經(jīng)軸的退繞直徑，電腦控制自動調(diào)整制動氣缸的氣壓來保持退繞張力的恒定。超聲波傳感器利用的是超聲波的反射特性進行空間測量和定位。由于測試距離很短，故其衰減性可以忽略不計。

　　2．3測濕傳感器用于回潮率的檢測、反饋

　　漿紗回潮率是衡量漿紗質(zhì)量的重要指標(biāo)?；爻甭手苯佑绊憹{膜的彈性、漿紗耐磨性、織造開口清晰度、回潮率過高還會導(dǎo)致窄幅長碼布。因而對回潮率的檢測與控制具有至關(guān)重要的意義。漿紗機采用濕敏電阻傳感器測試漿紗回潮率。

　　2．3．1測試原理

　　紡織材料的導(dǎo)電性隨含水量而異，回潮率與漿紗電阻符合如下關(guān)系：

　　W=A+BlgR

　　式中：W為漿紗回潮率（％）；R為漿紗電阻（MΩ）；A，B為常數(shù)，由纖維的種類、紗線密度決定。

　　由于電阻和回潮率的對數(shù)成比例關(guān)系，當(dāng)回潮率發(fā)生很小變化時，電阻值卻變化很大，因而根據(jù)這種原理設(shè)計的測量儀器能達到很高的靈敏度和精度。

　　2．3．2測試方法

　　作為測濕傳感器的測濕電極給漿紗加上一定量的測量電壓，隨回潮率的變化，漿紗電阻發(fā)生變化，通過漿紗的電流也相應(yīng)變化，變化的電流在控制儀中放大并轉(zhuǎn)化成電壓信號，與預(yù)設(shè)的回潮率電壓相比較，然后由控制電路發(fā)出脈沖信號，控制漿紗機升降速（結(jié)合霍爾測速發(fā)電機）以控制回潮率。

　　GA301漿紗機采用美國Strandberg公司生產(chǎn)的M601測濕儀；祖克SUCKER-S432漿紗機采用RMSR-7K測濕儀等，均屬于濕敏電阻傳感器。

　　2．4電阻應(yīng)變片式張力傳感器檢測漿紗張力

　　漿紗各區(qū)張力是漿紗重要工藝內(nèi)容，一般漿紗各區(qū)張力的控制原則是：小退繞張力、微漿槽張力、勻烘燥張力、中分絞張力、大卷繞張力。為實現(xiàn)這一工藝目的，就需要對漿紗個各區(qū)進行檢測，這是工藝調(diào)節(jié)控制的前提。

　　2．4．1應(yīng)變片張力傳感器的應(yīng)用

　　應(yīng)變片式張力傳感器用來檢測漿紗機各區(qū)（漿槽、烘燥、分絞及卷繞）的張力大小，并采用雙曲線鐵炮（如祖克SUCKER-S432漿紗機）、雙曲線鐵炮+XP1（如***大雅TAYA500、鄭紡機GA301漿紗機等）以及較為先進的各區(qū)變頻調(diào)速器控制個單元電機速度（如鄭紡機GA308，蘇州圣元 ASGA368）以調(diào)節(jié)各區(qū)速比以調(diào)節(jié)張力。

　　卡爾邁耶、津田駒漿紗機采用應(yīng)變片式壓力傳感器來檢測退繞張力，經(jīng)紗張力的合力作用于位于檢測輥軸承底部的壓力傳感器，傳感器發(fā)出的電流或電壓信號輸入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將測量值和設(shè)定值進行比較、計算，改變對電控比例閥的控制電流或電壓，調(diào)整比例閥的輸出氣壓，使加壓氣缸改變對經(jīng)軸的制動阻尼，直至測量值與設(shè)定值相等。從而保持退繞張力的恒定，這種控制形式由于檢測輥固定，不需擺動，可以減少慣性的影響，靈敏度高于祖克漿紗機。

　　2．4．2電阻應(yīng)變式傳感器工作原理

　　基于電阻應(yīng)變效應(yīng)原理，用金屬電阻絲制作成電阻應(yīng)變片，將其粘貼在彈性體上。測量時，當(dāng)彈性體受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。

　　電阻應(yīng)變計把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成△R／R后（△R為阻值絕對變化量，R為電阻值）。應(yīng)變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計的△R／R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。

　　惠斯登電橋的優(yōu)點是抑制溫度變化的影響、抑制干擾、補償方便等。電橋如圖2所示，U0為供橋電源電壓，R1，R2，R3，R4為橋臂，Usc為電橋輸出電壓。 Usc=0時電橋平衡，則平衡條件為：R1／R2=R4／R3或R1R3=R2R4這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等或相對兩臂電阻的乘積相等。將應(yīng)變片作為臂電阻接在電橋電路，當(dāng)彈性體力變形時，應(yīng)變片電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，使電橋失去平衡，Usc≠0，電橋輸出電壓絕對值與傳感器受力成正比。

　　2．5接近開關(guān)傳感器及光電編碼器用于漿紗機伸長率檢測和速度檢測

　　伸長率是上漿的重要工藝參數(shù)，過高的伸長率將使得漿紗的彈性過多，紗線在織造中抵抗反復(fù)負荷的能力下降，造成織造時斷頭率增加。

　　伸長率的檢測可以采用接近開關(guān)式傳感器或光電編碼器。

　　2．5．1接近開關(guān)傳感器用于漿紗伸長率檢測

　　在各類開關(guān)中，有一種對接近它物件有“感知”能力的元件即：位移傳感器。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性達到控制開關(guān)通或斷的目的，這就是接近開關(guān)。如果被檢測物體是按一定的時間間隔（如磁性齒輪）逐個移向接近開關(guān)，又逐個地離開，這樣不斷地重復(fù)（不同的接近開關(guān)，對檢測對象的響應(yīng)能力是不同的。這種響應(yīng)特性被稱為“響應(yīng)頻率”），就會產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號。祖克SUCKER-S432漿紗機采用的是這種傳感器檢測伸長率。

　　其檢測方法是：在機后的引紗輥的加壓輥后和車頭的拖引輥的加壓輥頭端均裝有磁性齒輪，磁性齒輪在接近開關(guān)處回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生脈沖信號，根據(jù)機前機后的脈沖數(shù)之差，再轉(zhuǎn)換成線速度的差異，并計算如下：

　　式中：S為伸長率；VB為機前線速度；VA為機后線速度。

　　2．5．2光電編碼器用于漿紗伸長率檢測

　　光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，典型的光電編碼器由碼盤（Disk，見圖3）、檢測光柵（Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機械部件等組成。

　　賬光電編碼器的分辨率是用編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生輸出信號基本周期數(shù)來表示的，即脈沖數(shù)／轉(zhuǎn)（PPR）。碼盤上的透光縫隙的數(shù)目就等于編碼器的分辨率，碼盤上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。伸長率的測量通常選用分辨率為2500PPR的編碼器。光電編碼器具有體積小，精度高，工作可靠，接口數(shù)字化等優(yōu)點。為在漿紗機上測試分區(qū)伸長率，須完成多點測試紗速、測量車速及計算伸長率的任務(wù)。紗速測定采用光電碼盤作傳感器，將其安裝在經(jīng)軸、引紗輥及牽引輥等處。這種傳感器配上自身的遮光輪可以準(zhǔn)確地測定前后被測軸（即后引紗輥和前拖引輥）的轉(zhuǎn)速。根據(jù)各自直徑計算出線速度或長度之差，方法同上。

　　2．5．3運行速度測定

　　運行速度是漿紗機的重要工技術(shù)參數(shù)，它直接影響和決定漿紗回潮率、壓漿輥（尤其是線性加壓的第二壓漿輥）的壓漿力、漿紗質(zhì)量、效率和能耗（蒸汽和用電量）等，因而速度的檢測、反饋、控制尤為重要。

　　現(xiàn)代漿紗機采用接近開關(guān)式角度傳感器由于計長，在漿紗機車頭加壓測長輥上安裝著磁性齒輪，與其相對安裝著脈沖傳感器，磁性齒輪每轉(zhuǎn)一齒，產(chǎn)生一個脈沖信號，測根據(jù)測長輥的周長和脈沖信號數(shù)，計算出單位時間內(nèi)的長度，即線速度。

　　2．6霍爾測速發(fā)電機用作校正元件自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

　　測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的信號元件，它將輸入的機械轉(zhuǎn)速變換成為電壓信號輸出。其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，并保持穩(wěn)定。主要要求：剩余電壓（轉(zhuǎn)速為零時的輸出電壓）要??；輸出電壓的極性或相位能反映被測對象的轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)動慣量小，以保證反應(yīng)迅速；靈敏度高，即輸出電壓對轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)靈敏。

　　祖克SUCKER漿紗機的傳動系統(tǒng)為直流電機式，主機調(diào)速結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

　　圖4中內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，主要是為了改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，在啟動時保持最大的恒定電流實現(xiàn)快速啟動等。外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，構(gòu)成一個直流電機帶有直流測速反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流測速發(fā)電機測得速度值，通過速度反饋環(huán)節(jié)與設(shè)定值比較，進行負反饋以校正轉(zhuǎn)速。

　　鄭紡機GA301采用變頻調(diào)速的傳動系統(tǒng)。漿紗過程中，直流測速發(fā)電機不斷將電動機的實際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，該實測值被反饋至比較器與設(shè)定值比較，其偏差經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換被送入單片機，不斷調(diào)節(jié)控制信號的頻率，使電動機的實際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定上，以提高調(diào)速精度，消除漿紗運行負載變化造成的電動機的轉(zhuǎn)速變化。

　　3、結(jié)語

　　各種電子傳感器是現(xiàn)代漿紗機工藝參數(shù)控制的前提條件，是現(xiàn)代漿紗機的重要標(biāo)志。

　　漿紗機的烘燥溫度采用鉑熱電阻式溫度傳感器檢測；經(jīng)軸退繞直徑檢測采用超聲波位移傳感器；回潮率的檢測采用濕敏電阻傳感器；漿紗張力測定采用電阻應(yīng)變片式傳感器；漿紗伸長率與車速可采用接近開關(guān)傳感器和光電編碼器檢測；霍爾測速發(fā)電機應(yīng)用于漿紗機的調(diào)速系統(tǒng)。