陳傳亮，王成群，呂文濤，徐偉強(qiáng)

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

紡織工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中占有重要地位，新型傳感器的創(chuàng)新與應(yīng)用促進(jìn)了紡織工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。在紡織品實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，紗線張力是一個(gè)十分重要的控制參數(shù)，決定著紡織品的質(zhì)量等級(jí)[1]。如果紗線張力過(guò)大，容易造成紗線受損或斷頭；如果紗線張力過(guò)小，則容易引起紗線卷曲，影響布匹平滑度、成型等[2]。因此，紗線張力的在線檢測(cè)與控制對(duì)于紗線的生產(chǎn)過(guò)程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，紗線張力不是一個(gè)恒定值，它隨著紗線的生產(chǎn)流程，因材料、外部環(huán)境、控制參數(shù)等而發(fā)生變化，這些因素均增加了在線紗線測(cè)量的難度。因此，如何在線測(cè)量紗線張力成為紡織品生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測(cè)需要亟待解決的任務(wù)。

本文闡述了紗線張力檢測(cè)的重要性，并根據(jù)測(cè)量原理、紗線的運(yùn)行狀態(tài)等方面對(duì)紗線張力檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分類和歸納總結(jié)，最后結(jié)合市場(chǎng)需求、測(cè)量原理對(duì)紗線張力傳感器的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 張力傳感器原理

隨著紡織行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及傳感器技術(shù)的不斷更新，針對(duì)不同的紗線類別和紡織品生產(chǎn)工藝需求，各式各樣的紗線張力傳感器相繼被研制出來(lái)。雖然這些張力傳感器的基本原理有所差異，但其結(jié)構(gòu)組成的總框架是相似的，如圖1所示。

圖1 紗線傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure block diagram of yarn tension sensor

通過(guò)傳感器的敏感元件(采集元件)和轉(zhuǎn)換電路將張力大小轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)，最后將檢測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為張力大小。根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中敏感元件(采集元件)與紗線是否直接接觸，可以將其分為接觸式傳感器與非接觸式傳感器。根據(jù)紗線的運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)果輸出的及時(shí)性，可以分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)是指在張力檢測(cè)時(shí)，紗線處于靜止?fàn)顟B(tài)或者張力傳感器只能隨機(jī)性參與檢測(cè)并給予動(dòng)態(tài)值。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是指對(duì)運(yùn)行中的紗線進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并同步轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)張力大小的信息。

根據(jù)工作原理以及檢測(cè)狀態(tài)的不同，張力檢測(cè)傳感器大致可以分為以下類別[3]，如圖2所示。

圖2 紗線張力傳感器的分類Fig.2 The classification of yarn tension sensor

2 接觸式張力傳感器研究

目前，在紗線生產(chǎn)過(guò)程中普遍采用三點(diǎn)彎曲測(cè)力結(jié)構(gòu)[4]，如圖3所示。

圖3 三點(diǎn)彎曲測(cè)力結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure diagram of three-point bending force measurement

該結(jié)構(gòu)中紗線張力傳感器的3個(gè)導(dǎo)紗輪與被測(cè)量的紗線接觸，導(dǎo)紗輪C是檢測(cè)輪，導(dǎo)紗輪A和B是輔助輪，由于紗線在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，導(dǎo)紗輪C因受力形變而產(chǎn)生局部變形，敏感元件將形變量轉(zhuǎn)化為應(yīng)變、位移等中間信號(hào)，并通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)量?，F(xiàn)在常用的接觸式張力傳感器主要有電阻應(yīng)變式、差動(dòng)電容式、光纖Bragg光柵式、聲表面波式。它們的基本原理都是將紗線張力的變化量轉(zhuǎn)化為特定的中間量，如電阻值、電容值、位移量等，依靠敏感元件良好的靈敏度、一致性和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)量[5]。

2.1 電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器主要是由彈性元件、電阻應(yīng)變片、電信號(hào)檢測(cè)電路和一些相關(guān)的校準(zhǔn)、補(bǔ)償電路組成。其基本原理是將彈性元件的形變量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化計(jì)算出張力值[6]。近幾年來(lái)針對(duì)電阻式張力傳感器的研究與設(shè)計(jì)主要集中在彈性體和應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和材料的探索，信號(hào)處理和電橋電路的創(chuàng)新，以及整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

程寶平[7]提出了S型雙孔彈性體結(jié)構(gòu)的測(cè)力傳感器；沈瑜等[8]提出了一種電阻應(yīng)變式S型單孔紗線力傳感器；錢(qián)岳強(qiáng)等[9]提出了一種基于陶瓷薄梁的S型紗線張力傳感器；克服金屬材料的金屬疲勞特點(diǎn)，進(jìn)一步提高了傳感器的可靠性；郝永健等[10]利用有限元分析法提出了異性彈性片結(jié)構(gòu)的紗線張力傳感器；通過(guò)邊緣剪裁、挖孔等方式改變彈性片質(zhì)量分布，得到最佳的狀態(tài)；李耀杰等[11]使用ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化算法來(lái)提高懸臂梁結(jié)構(gòu)的固有頻率，增加響應(yīng)過(guò)程的穩(wěn)定性；王武立[12]提出了一種電阻應(yīng)變片式可調(diào)節(jié)零位的新型紗線張力傳感器，提高了傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了零位可調(diào)節(jié)。

綜上所述，電阻式應(yīng)變張力傳感器的技術(shù)是比較成熟的，通過(guò)使用石墨打滑傳感器接觸頭減小接觸摩擦[13]；采用合適的電橋電路可以提高傳感器的靈敏度，并且可以減少非線性誤差和溫度誤差，其中全橋式電路的性能優(yōu)于半橋式電路，半橋式電路的性能優(yōu)于單臂電橋電路[14]；采用合適的激勵(lì)源頻率可以提高傳感器的靈敏度；采用合適的彈性體結(jié)構(gòu)和材料可以減小傳感器自身的共振影響，需要注意的是電阻應(yīng)變片粘貼的位置容易造成測(cè)量的不一致性[15]。在適當(dāng)?shù)牧砍谭秶鷥?nèi)該類傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用。

2.2 差動(dòng)電容式張力傳感器

電容式紗線張力傳感器的核心是差動(dòng)電容式傳感器，主要包括定極片、動(dòng)極片及導(dǎo)紗輪。電容式紗線張力傳感器近年來(lái)的相關(guān)研究主要集中在電容介質(zhì)、彈性體結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的研究。

2008年，Carvalho等[16]研究了用于測(cè)定紗線質(zhì)量特性的自動(dòng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于差動(dòng)電容式傳感器，允許紗線生產(chǎn)廠家對(duì)紗線的疵點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行量化，可以直接檢測(cè)直徑1 mm范圍內(nèi)的紗線張力，并可以消除測(cè)量直徑1 mm紗線樣品時(shí)毛羽的影響。但是由于采樣頻率較低，無(wú)法滿足高速紡紗流程的要求。

2001年，劉樺等[17]通過(guò)增加固體介質(zhì)設(shè)計(jì)了一款新型的雙相介質(zhì)差動(dòng)式電容傳感器，提高了傳感器的線性度和靈敏度。2014年，Tong[18]提出采用變介質(zhì)電容式傳感器進(jìn)行紗線疵點(diǎn)檢測(cè)來(lái)提高紗線的織造性能和紡織產(chǎn)品的質(zhì)量。由于兩極板之間的介質(zhì)與電荷量存在一定的線性關(guān)系，因此通過(guò)變介質(zhì)來(lái)影響電容量變化。該傳感器靈敏度高、滯后性小、動(dòng)態(tài)性能好。

2016年，Karnoub等[19]利用傳統(tǒng)的手持式差動(dòng)電容紗線張力傳感器，并結(jié)合遺傳算法和基于梯度的優(yōu)化方法，提出了一種適用于織機(jī)織物生產(chǎn)過(guò)程中的紗線張力檢測(cè)技術(shù)及其仿真模型。仿真實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)該方法計(jì)算得到的最佳織機(jī)設(shè)置參數(shù)，可以進(jìn)一步提高織物的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2020年，Chattopadhyay等[20]驗(yàn)證了紗線張力的變化是由于紗線生產(chǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)子真空引起的。實(shí)驗(yàn)證明隨著轉(zhuǎn)子內(nèi)部真空空氣的減少，紗線張力增大。并且隨著卷繞輥速度的變化，卷繞輥速度周圍的氣流也隨之變化，從而改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力和紗線張力同時(shí)受到轉(zhuǎn)子相對(duì)真空和卷繞輥速度的影響。

電容式張力傳感器與電阻式張力傳感器的原理相似，都是采用懸臂梁式導(dǎo)紗，然后根據(jù)懸臂梁的變形來(lái)檢測(cè)紗線的張力變化。由于在測(cè)量過(guò)程中，需要長(zhǎng)時(shí)間和導(dǎo)紗輪、檢測(cè)輪接觸，引入了3個(gè)新的摩擦點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)一定的影響。

2.3 基于聲表面波技術(shù)的張力傳感器

聲表面波主要集中在彈性體的表面，當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，彈性體會(huì)引起波動(dòng)，并且會(huì)沿彈性體平滑表面?zhèn)鞑ハ氯21]。基于該特性研究設(shè)計(jì)了聲表面波器件，聲表面波式傳感器具有高精度、高靈敏度的特點(diǎn)。另外聲表面波器件體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)定性高、重復(fù)性及可靠性好，便于大規(guī)模批量生產(chǎn)。有關(guān)聲表面波的紗線張力傳感器的研究匯總?cè)绫?所示。

表1 聲表面波傳感器研究匯總Tab.1 Research progress of surface acoustic wave sensors

研究表明，壓電基片材料的方面，石英晶體優(yōu)于LiNbO3。同等恒定張力情況下，選用石英晶體，可以更大限度地提升壓電基片的應(yīng)變能力，應(yīng)變率越高，其靈敏度越高；石英晶體的機(jī)電耦合系數(shù)K2較小，聲電再生效應(yīng)可以得到有效的抑制；石英晶體溫度系數(shù)為零，無(wú)需考慮溫度補(bǔ)償[23]。在壓電基片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，壓電基片的尺寸影響著壓電基片的應(yīng)變率，叉指換能器的位置影響著傳感器的靈敏度，采用多元線性回歸分析、改進(jìn)二分法以及余弦平方函數(shù)計(jì)算等方法建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過(guò)增加壓電基片的應(yīng)變率來(lái)提高傳感器的靈敏度，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型。雙端固支梁比單懸臂梁式結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固[27]。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方面，采用最小二乘法、曲線擬合以及二次規(guī)劃求解等確定傳感器輸出信號(hào)變化量與張力之間的關(guān)系，計(jì)算出紗線的張力。

聲表面波紗線張力傳感器輸出頻率信號(hào)，相比輸出模擬信號(hào)的傳統(tǒng)紗線張力傳感器抗干擾特性更好，并且輸出信號(hào)容易檢測(cè)、響應(yīng)時(shí)間快以及外圍檢測(cè)電路簡(jiǎn)單[29]。但是從結(jié)構(gòu)上來(lái)看依然采取了三輪接觸式張力檢測(cè)，并且實(shí)驗(yàn)中僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)其靜態(tài)特性指標(biāo)的測(cè)試。在工業(yè)環(huán)境下，傳感器動(dòng)態(tài)工作特性也需要全面測(cè)試，比如振蕩器頻率的跳變、振蕩平衡條件的相位零點(diǎn)、動(dòng)態(tài)誤差等。

2.4 光纖Bragg光柵式張力傳感器

光纖Bragg光柵是利用光線的光敏特性制作而成，在光纖纖芯內(nèi)形成了空間相位光柵，相當(dāng)于在內(nèi)部形成了一個(gè)窄帶的濾波器或者反射鏡，使得折射率沿光纖軸向呈周期性分布[30]。當(dāng)光纖應(yīng)變時(shí)光纖Bragg光柵周期由于彈光效應(yīng)發(fā)生有效折射率的變化導(dǎo)致其中心波長(zhǎng)偏移。由于光纖Bragg光柵抗干擾能力強(qiáng)，但是在應(yīng)變的變化情況下能夠?qū)е鹿饫wBragg光柵中心反射波的波長(zhǎng)發(fā)生漂移，對(duì)應(yīng)的關(guān)系式為：

Δλ=2TΔneff+2ΔTneff

(1)

式中：λ為光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)，nm；neff為光纖Bragg光柵的有效折射率，T為光纖Bragg光柵的周期，μm。在恒溫條件下，通過(guò)檢測(cè)光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的變化來(lái)推導(dǎo)出張力引起的應(yīng)變量變化。

2010年，任泉等[31]提出了基于光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器的紗線張力傳感器，通過(guò)ANSYS軟件仿真設(shè)計(jì)了具有良好線性的新型懸臂梁彈性體結(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)如圖4所示，將光纖Bragg光柵傳感器一端固定，另一端和導(dǎo)紗輪C相連接。當(dāng)紗線張力作用在導(dǎo)紗輪C上時(shí)，會(huì)引起光纖Bragg光柵傳感器發(fā)生應(yīng)變，從而造成光纖Bragg光柵中心反射波波長(zhǎng)發(fā)生變化如此根據(jù)光波波長(zhǎng)變化計(jì)算出紗線張力大小。通過(guò)對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析證明了光纖Bragg光柵波長(zhǎng)變化和紗線張力值有很好的線性關(guān)系。

圖4 光纖Bragg光柵式紗線張力傳感器結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure diagram of fiber Bragg grating yarn tension sensor

2020年，De Pauw等[32]利用光纖傳感器開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于劍桿織機(jī)中的紗線張力的檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)采用直徑為195 有機(jī)改性陶瓷涂層光纖，可以將實(shí)驗(yàn)控制偏差控制在1%之內(nèi)，并利用光纖傳感器的多路復(fù)用功能可以獲得在紗線方向上從紡織筘到織物卷之間紗線物寬度的張力分布。

光纖Bragg光柵式紗線傳感器具有良好的線性、重復(fù)性，測(cè)量靈敏度高[31]，但依然屬于三輪接觸式張力傳感器，不適合運(yùn)行速度較快的紗線張力檢測(cè)。并且在不同溫度場(chǎng)景下，中心反射波也會(huì)發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合狀況也會(huì)發(fā)生變化，因此需要大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

以上幾種紗線張力傳感器均為直接接觸式張力檢測(cè)，存在導(dǎo)紗輪磨損、附加摩擦力誤差、紗線摩擦斷頭、信號(hào)采集不穩(wěn)定，采樣頻率較低等問(wèn)題。

3 非接觸式張力傳感器研究

隨著紡織技術(shù)的高速發(fā)展，紡織產(chǎn)品的加工速度越來(lái)越高，因此傳統(tǒng)的紗線張力傳感器已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代高速紡織工藝的需求。非接觸式紗線張力傳感器的檢測(cè)元件不與紗線有直接接觸，減少了紗線生產(chǎn)過(guò)程的影響，因此更加適合在線檢測(cè)紗線張力的場(chǎng)景。加上各類學(xué)科知識(shí)的交叉結(jié)合以及新技術(shù)的日益成熟，非接觸式紗線張力檢測(cè)技術(shù)也在不斷的更新和發(fā)展。當(dāng)下非接觸式紗線張力傳感器主要集中在CCD技術(shù)和光電傳感兩個(gè)方面的研究。

3.1 基于CCD技術(shù)的張力檢測(cè)

CCD(Charge coupled device)圖像式紗線張力傳感器是結(jié)合了圖像傳感器和圖像處理技術(shù)。CCD圖像傳感器是一種具有光電轉(zhuǎn)換、電荷儲(chǔ)存以及電荷轉(zhuǎn)移功能的傳感器件[33]。CCD技術(shù)可以應(yīng)用在紗線張力檢測(cè)的理論最早是由英國(guó)的利茲大學(xué)提出的，并逐漸成熟，目前CCD技術(shù)在紡織行業(yè)有較廣泛的應(yīng)用[34]。

CCD圖像式紗線張力傳感器的結(jié)構(gòu)如上圖5所示，將卷繞機(jī)部分建立模型圖，并在弦的x軸方向上進(jìn)行力學(xué)分析，紗線張力與紗線實(shí)際傳播速度的關(guān)系為:

圖5 CCD圖像傳感器式紗線張力傳感器結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure diagram of yarn tension sensors based on CCD image sensor

(2)

式中：v表示紗線運(yùn)行速度，m/s；F表示紗線張力，N；c表示紗線彈性波沿弦長(zhǎng)度方向的傳播速度，m/s；ρ表示紗線的線密度，kg/m。當(dāng)張力傳感器正常工作時(shí)，紗線一側(cè)用平行光源照射，利用CCD圖像傳感器在間隔點(diǎn)很短的情況下連續(xù)拍攝圖像，在卷繞模型上建立坐標(biāo)系并確定相鄰時(shí)間間隔內(nèi)圖像的最大彎折點(diǎn)，即相鄰兩幅圖像最大彎折點(diǎn)處對(duì)應(yīng)t1時(shí)刻A點(diǎn)狀態(tài)到t2時(shí)刻B點(diǎn)狀態(tài)橫波的位移。相鄰兩幅圖像的時(shí)間間隔與CCD圖像傳感器的采集頻率的關(guān)系是t=1/f。即可根據(jù)式(2)計(jì)算出紗線的張力[35]。

基于CCD技術(shù)的張力傳感器主要包括圖像采集模塊、運(yùn)算處理模塊、通信控制模塊等[36]。圖像采集模塊主要采集紗線經(jīng)過(guò)時(shí)的圖像；運(yùn)算處理模塊主要對(duì)采集到的紗線圖像進(jìn)行運(yùn)算處理，然后獲取需要的信息，通信控制模塊主要完成系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)傳輸。相關(guān)的研究也是集中在圖像采集的方式以及圖像處理方法的不同展開(kāi)的。近年來(lái)，基于CCD技術(shù)的紗線張力檢測(cè)技術(shù)不斷地更新，相關(guān)的研究?jī)?nèi)容如表2所示。

表2 相關(guān)CCD技術(shù)的張力檢測(cè)研究匯總Tab.2 Progress of tension detection based on CCD technology

基于CCD技術(shù)的張力檢測(cè)，利用圖像處理獲取紗線氣圈的特征參數(shù)計(jì)算出紗線的張力大小。在圖像獲取的過(guò)程中，可以采用小波、傅立葉描述濾除、灰度線性變換等方法對(duì)圖像進(jìn)行壓縮、去噪和增強(qiáng)處理，也可以使用ANSYS模擬紗線氣圈形態(tài)，以達(dá)到更好的效果。在圖像的邊界處理方面，可以采用比較法提取邊界特征的二值化方法對(duì)圖像進(jìn)行處理；利用Canny算子自動(dòng)選擇閾值可以盡可能多地標(biāo)識(shí)出圖像中的實(shí)際邊緣，使其更接近實(shí)際圖像中的實(shí)際邊緣；采取浮動(dòng)閾值法，減小由于光源強(qiáng)度變化引起圖像處理的誤差。最后提取紗線氣圈的相關(guān)特征，完成紗線張力的檢測(cè)。

基于CCD技術(shù)的非接觸式紗線檢測(cè)，能夠有效消除外界環(huán)境對(duì)傳感器的干擾。但是，由于其安裝時(shí)CCD圖像傳感器的安放位置是人工確定的，易引入誤差。同時(shí)，CCD圖像傳感器的掃描時(shí)間和圖像處理算法耗費(fèi)的時(shí)間會(huì)降低傳感器的響應(yīng)速度，也進(jìn)一步限制了此類傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.2 基于光電傳感器技術(shù)的張力檢測(cè)

光電傳感器式非接觸式紗線張力傳感器的核心器件是光電傳感器。光電傳感器具有高頻率和高分辨率的掃描、拍攝、處理的功能。光電傳感器中的發(fā)光二極管發(fā)出激光，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)的紗線會(huì)有一部分反射到光電傳感器內(nèi)并記錄成像，而這些相對(duì)移動(dòng)軌跡會(huì)被記錄為一組連續(xù)高速的圖像，經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理提取出圖像參數(shù)并通過(guò)相應(yīng)的算法分析與處理，完成運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)移動(dòng)的精確定位[47]，最后通過(guò)相對(duì)移動(dòng)位置信息確定紗線的振動(dòng)頻率完成紗線張力的計(jì)算，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 光電式紗線張力傳感器結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure diagram of photoelectric yarn tension sensor

近年來(lái)，基于光電技術(shù)的紗線張力檢測(cè)技術(shù)的研究狀況如表3所示。

表3 基于光電技術(shù)的張力檢測(cè)研究匯總Tab.3 Research progress of tension detection based on photoelectric technology

2009年，張紅冉等[48]提出基于單片機(jī)和光學(xué)鼠標(biāo)的紗線非接觸測(cè)量的方法，核心是ADNS-2051芯片，光學(xué)鼠標(biāo)傳感器拍攝移動(dòng)的紗線，獲得紗線的振蕩頻率，再利用紗線的張力與其自然振動(dòng)頻率的平方成正比的關(guān)系，計(jì)算紗線的張力。由于紗線的運(yùn)動(dòng)速度越大，其誤差也會(huì)有所增大，因此該張力傳感器不適用于高速紗線的生產(chǎn)。

2017年，以蘇澤斌等[49]研究為代表，其結(jié)構(gòu)和原理與張冉紅等大致相同，在控制和處理模塊，選擇圖像處理性能更好的FPGA芯片。光電傳感器將運(yùn)動(dòng)的紗線記錄為一組連貫圖像，專用圖像分析芯片對(duì)圖像進(jìn)行分析處理并轉(zhuǎn)化為紗線的振動(dòng)頻率，最后FPGA控制器根據(jù)振動(dòng)頻率的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出紗線的張力值。張紅冉和蘇澤斌等都可以實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行中的紗線張力值，提高了紡織的生產(chǎn)效率，但是二者皆未考慮紗線的自激振動(dòng)。由于紗線運(yùn)行過(guò)程中絡(luò)筒機(jī)振動(dòng)影響到紗線本身的振動(dòng)頻率，最終影響張力值的準(zhǔn)確性。

針對(duì)于以上研究的不足，2019年，繆宇軒等[50]在結(jié)構(gòu)和原理上做了進(jìn)一步的改進(jìn)，主動(dòng)提供紗線的振蕩，提出了基于弦線振動(dòng)理論和光電傳感器的研究。其基本原理是：紗線在吹氣管中心高速氣流以及紗線自身的張力作用下會(huì)往復(fù)振動(dòng)，振動(dòng)形式屬于自激振動(dòng)。通過(guò)光電傳感器可感應(yīng)行進(jìn)紗線的自激振動(dòng)，并將自激振動(dòng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路規(guī)整為標(biāo)準(zhǔn)的方波，后送入微控制器，計(jì)算自激振動(dòng)的頻率驗(yàn)結(jié)果顯示有高達(dá)99%的擬合度。該傳感器應(yīng)用場(chǎng)所單一，對(duì)于不同的紗線和不同的環(huán)境均需要重新設(shè)定參考值，因此對(duì)不同規(guī)格的紗線在不同的環(huán)境需要進(jìn)行大量的測(cè)試。同時(shí)該張力傳感器系統(tǒng)起初只是靜態(tài)測(cè)量，最后要實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，通過(guò)算法優(yōu)化構(gòu)建最優(yōu)頻率與張力關(guān)系。

2021年，章鈺娟等[51]基于紗線張力和光電傳感器脈沖個(gè)數(shù)的相關(guān)，運(yùn)用紅外光電傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)電路和算法，提出了一種非接觸式紗線張力檢測(cè)系統(tǒng)。將光電傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電路處理得到數(shù)字脈沖信號(hào)，并對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納與分析，最終得到紗線的張力信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警。

非接觸式張力傳感器不會(huì)對(duì)紗線本身產(chǎn)生影響，可以較好地避免檢測(cè)過(guò)程中對(duì)紗線的影響，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和檢測(cè)精度。但是非接觸式傳感器對(duì)自身的檢測(cè)靈敏度要求很高，并且技術(shù)還不是很成熟，因此需要進(jìn)一步的研究。

4 總結(jié)與展望

紗線生產(chǎn)過(guò)程中的張力控制是保證紗線產(chǎn)品質(zhì)量的重要控制參數(shù)，本文從傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理等方面對(duì)紗線張力傳感器進(jìn)行了分類綜述，根據(jù)紗線檢測(cè)過(guò)程中是否與紗線直接接觸將其分為接觸式和非接觸式兩大類。各類張力傳感器均有其特點(diǎn)，其適用環(huán)境、靈敏度、穩(wěn)定性等各有不同，通過(guò)分析各類紗線張力傳感器在張力檢測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)，得到了以下結(jié)論：

a)接觸式張力傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、檢測(cè)精確、并且價(jià)格偏低，是當(dāng)下比較常用的紗線張力檢測(cè)裝置。但由于接觸式張力傳感器普遍采用三點(diǎn)彎曲測(cè)力結(jié)構(gòu)，引入了額外的導(dǎo)紗輪摩擦環(huán)節(jié)，導(dǎo)致存在導(dǎo)紗輪磨損、有附加摩擦力誤差、直接接觸測(cè)量容易造成紗線斷頭、信號(hào)采集不穩(wěn)定等問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間在線測(cè)量會(huì)對(duì)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)，并且其采樣頻率較低，不能應(yīng)用于高速在線檢測(cè)的場(chǎng)景。

b)非接觸式張力傳感器因其測(cè)量元件不需要接觸紗線，可以較好地避免檢測(cè)設(shè)備對(duì)紗線的影響，提高檢測(cè)精度。但是由于其采用的技術(shù)容易受到檢測(cè)環(huán)境的影響，還存在一定的缺陷，同樣不能適用于高速在線檢測(cè)場(chǎng)景。并且非接觸式檢測(cè)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的靈敏度要求很高，對(duì)測(cè)量環(huán)境有一定的要求，目前還未見(jiàn)廣泛的應(yīng)用。

基于本文對(duì)各類別紗線張力傳感器的對(duì)比、歸納與分析，未來(lái)紗線張力傳感器應(yīng)該在以下幾個(gè)方面加快發(fā)展：

a)在接觸式張力傳感器方面，應(yīng)該通過(guò)改進(jìn)新原理，探索新材料、結(jié)合新學(xué)科來(lái)提高精確度和靈敏度。比如通過(guò)有限元分析法得到結(jié)構(gòu)更優(yōu)的彈性片；通過(guò)不同結(jié)構(gòu)模型的受力分析得到更好的結(jié)構(gòu)體；通過(guò)不同材料的對(duì)比選取應(yīng)變率更高，溫度系數(shù)更好的基片材料。

b)在非接觸式張力傳感器方面，應(yīng)該創(chuàng)造更加精密的采集單元，提高數(shù)據(jù)采集頻率，創(chuàng)新更高效的算法，也可以結(jié)合硬件提高處理速度等。比如基于圖像處理的非接觸紗線張力檢測(cè)設(shè)備，在圖像處理時(shí)結(jié)合FPGA等硬件的處理速度要高于純軟件的處理速度，并且這種基于圖像處理的非接觸式張力傳感器也將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

c)在整個(gè)控制系統(tǒng)的優(yōu)化方面，要想充分地發(fā)揮出各種張力傳感器的性能，需要結(jié)合更優(yōu)的算法和合理的控制方案實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的控制。

隨著紡織行業(yè)個(gè)性化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展，對(duì)紗線的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提出了更高的要求，為了提高紗線產(chǎn)品的質(zhì)量，基于產(chǎn)品質(zhì)量的紗線生產(chǎn)過(guò)程中的在線大閉環(huán)控制勢(shì)在必行，而紗線張力的在線檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)該閉環(huán)的重要反饋量。因此，在未來(lái)研究非接觸式的、能滿足高速紗線生產(chǎn)的在線張力傳感器對(duì)于紡織行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和市場(chǎng)應(yīng)用前景。