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染整企业数字化转型的基础构建(十)——织物幅宽及长度的测控①

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-04-20  作者:陈立秋  浏览次数:16002
核心提示:陈立秋,中国纺织工程学会染整专业委员会特聘首席专家,获得中国染整行业终身荣誉奖。现从事染整工程的创新工作。
1 织物幅宽的测控
作为无接触连续测定运转中织物门幅的方法,很早就开发出CCD图像传感器。根据光敏元件排列形式的不同,CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。
1.1 线型CCD图像传感器
电荷耦合器件用于固态图像传感器中,作为摄像或像敏的器件。
线型CCD图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件,光敏单元简称“像素”。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”,即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷色空间分布,然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送,经输出放大器输出。
线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的,光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅,基本结构如图1(a)所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移,一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光积分周期里,各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度和光积分时间成正比,光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅开启时,各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元。当转移控制栅关闭时,MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时,在移位寄存器上施加时钟脉冲,将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出,如此重复上述过程。
图1(b)为CCD的双行结构图。光敏元中的信号电荷分别转移到上下方的移位寄存器中,然后在时钟脉冲的作用下向终端移动,在输出端交替合并输出。这种双行结构与长度相同的单行结构相比较,可以获得高出两倍的分辨率;同时由于转移次数减少一半,使CCD电荷转移损失大为减少;双行结构在获得相同效果情况下,又可缩短器件尺寸。由于这些优点,双行结构已发展成为线型CCD图像传感器的主要结构形式。
线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息,不能直接将二维图像转变为视频信号输出,为了得到整个二维图像的视频信号,就必须用扫描的方法。
线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。
1.2 线型CCD图像传感器测量物体尺寸
CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的应用。前面介绍的电荷耦合器件(CCD)具有将光像转换为电荷分布,以及电荷的存储和转移等功能,所以它是构成CCD图像传感器的主要光敏器件,取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。
CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度,具有较宽的动态范围,这些特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。
图2为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上,视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理,整个过程由微机控制完成。根据光学几何原理,可以推导被测物体尺寸的计算公式,即:
公式1
式中:
n——覆盖的光敏像素数;
p——像素间距;
M——倍率。
微机可对多次测量求平均值,精确得到被测物体的尺寸。任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法,实现不接触的在线自动检测。
1.3 多个投、受光元件的传感器
多个受光元件传感器能满足精度±2~±5m的要求。
投光部分采用红外光二极管,在检测门幅内串联所有红外光发光二极管。由于是红外线,所以只要有一只红外光二极管断线,则所有发光全部消失,人们不易了解是否在发光,因此,在最外档采用发光二极管,如果这发光管熄了,就表示全部发光二极管不亮。
受光部分为硅幅透二极管(SPD),在检测范围内并列SPD,因为它是并联,即使其中有一只断线,只是这一部分不发生检测作用,对大部分无影响。从发光部分发出的光到达受光部分,则受光部分的SPD产生电流,如果在检测头投、受光之间无任何物体时,则全部投光亮为受光部分所接收,因而受光部分产生最大输出电源,如果在投、受光间插入被检测物,则在被检测物部分被遮光,因而输出电流减少。输出电流的大小,表明了织物的门幅值。
1.4 HD-M型门幅检测控制系统的应用
1.4.1 系统基本原理
HD-M型门幅在线检测及控制装置运用红外光电检测技术,通过织物透光强度变化检测织物,非接触式实时在线测量织物门幅,运用微控制器处理数据信息,通过人机界面显示设定参数,并输出控制信号驱动拉幅执行机构,构成闭环控制系统。系统工作原理见图3所示。
1.4.2 系统基本特点
HD-M型门幅在线检测及控制装置美观大方、设计合理、安装方便,可广泛地适用于各类门幅(1.6~3.6m),各类花色和厚、薄织物;
采用最先进的嵌入式系统为控制平台,非接触式测量织物宽度,不影响印染工艺,红外光电技术,抗干扰能力强;
采用了各种软件滤波方式,保证测量的可靠及稳定性,高精度数据采集器测量精度更加精确,检测精度:≤1.5mm和±2.5mm两种;
可在线显示门幅并输出双位式报警信号,上下限值可自由设定,可靠的数据存储功能,存储年限≥10年,友好的人机界面(触摸屏),使操作更简单、更直观,高亮大屏幕数显仪,便于操作工观察。
1.4.3 拉幅定形机上的应用
在拉幅定形工艺中,在拉幅定型机落布架上(如图3所示)安装HD-M型门幅在线检测及控制装置后,当门幅值高于或低于其在触摸屏上设置的限定值时,装置会自动报警指示,挡车工及时处理,或者根据控制信号输出直接调节拉幅丝杆,以达到稳定幅宽的目的。在定形机上根据不同工艺品种,要求前段、中段(单节或几节组成一段,使中段含有几段),分别调节门幅,每段门幅显示表四位BCD码需16输入点,这样输入点n×16(n为段数),太多。采用分时扫描(图2),可节省I/0点数,HD-M型采用红外光电检测技术和阵线CCD技术,通过单片机进行信息处理。适应门幅1.6~3.6m,精度±1.25~±2.5mm,消耗功率10W。
2 织物长度的测控
检测机织物或针织物长度是非常困难的,因为这类织物按其所放置的情况会有所伸缩。我们所测定的长度不是绝对的,充其量是一种尺度,只是从印染厂出来的产品长度而已。
市面上有许多所谓电脑测长仪可达得到万分之一的精度,在选用时一定要弄清,该精度是测长精度还是计长精度?计长精度是整个织物测长过程最终长度精度的组成部分,但这不是主要的,例如将编码器的每转脉冲量提高,便可将每一个脉冲的长度缩小,也就是提高了计长精度,而不是测长精度。
2.1 几种测长装置的测长精度分析
2.1.1 织物在变张力状态下的测长
20世纪40~50年代,国际上普遍应用,目前国内仍有许多厂家沿用的测长装置(图4)。
主动辊带动织物前进时,假设织物与主动辊表面间无相对滑动则:
公式2
 
式中:
L——出布长度,m;
D——主动辊直径,m;
n1——出布长度L时,主动辊转数,r/min。
经链轮传动变速后,转数表的转数为:
公式3
式中:
d1——小链轮节圆直径,mm;
d2——大链轮节圆直径,mm;
n2——当出布长度为L时,转数表转数,r/min。
为了从转数表的表盘上直接读出布长度,就必须使n2=L,代入式(3)并简化后得:
公式4
只要使测长装置满足式(4)的要求,主动辊导出布的长度L,必然等于转数表上显示的n2值。例如使πD=0.5,也等于0.5,那么当转数表上的数字为n2=1、2、3……时,主动辊导出的布的长度L也必然是1m、2m、3m……
下面再分析影响其测长精度的因素:
(1)织物与主动辊表面间实际存在打滑现象,即主动辊(兼探测辊)经常丢转。而且织物张力越大,丢转现象越严重,这样必然使这种测长装置中,转数表盘上显示的n2值不等于主动辊导出的织物长度L。
(2)即使主动辊无丢转现象(实际不可能),转数表盘上显示的n2值,也只能是织物伸长后的长度。织物运行时,张力随机变化,所以织物的伸长也是无法预测的。
(3)从式(4)中可知,设计这种装置时,其中π是无理数,D只能取近似值,这样不可避免地造成了测长误差。而且由此产生的测长误差是无法完全消除的。但由于此误差很小,并不影响此装置广泛应用。
综上所述,这种测长装置的测长精度较低,一般在±0.8%左右对于弹性织物,测长精度更低。
滚轮式测长装置(图5):利用测长轮代替主动辊发布出布长度L的信号。所以上述计算公式中的D、d1、d2,在这里分別表示测长轮直径、变速小齿轮节圆直径和变速大齿轮节圆直径,计算方法与其一样。
由于织物在运行中,带动转动轻快的、专用的测长轮旋转,所以测长轮与织物间不易打滑(即测长轮不易丢转)。即使其间有打滑现象,其打滑量也与织物的张力变化无关。因为使织物运行所需的张力不是由测长轮的动力产生的,而是由主动辊与织物间产生的摩擦力克服织物运行所受到的阻力产生的。如果这种摩擦力不足,只会使主动辊和织物间打滑(即主动辊丢转),而测长轮与织物间不会受其影响。所以,此装置与上述装置比较,同是在变张力工作条件下,测长精度较高。对于非弹性织物,其测长精度可达±0.5%。
 
 
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