传感器在现代浆纱机在线检测和信息化中的应用

纺织是我国国民经济的重要支柱和出口创汇的重要来源，现代织造设备是纺织生产优质高产的保障。现代织造设备集精密机加工、电气电子、液压、气动、仪表、油浴、中央润滑、电脑控制于一体，复合多学科科技发展的最新成果。浆纱工序是纺织厂的心脏，“浆纱一分钟，布机一个班”，国外也有好的纱浆，等于布织了一半的说法。然而浆纱机是实现浆纱工艺目标的基础，作为浆纱机中“神经系统”的各种传感器是实现自动检测和控制各种工艺目标的首要环节，是尖端电子技术在机电一体化的现代纺织领域的具体体现，是现代浆纱机区别于传统浆纱机的重要标志。现代浆纱机的发展趋势之一就是自动化(自动检测与控制)和信息化(数据的及时、准确、全面、数字化、图形化、网络化的反馈和处理)。传感器的使用是现代浆纱机自动化和信息化建设的前提。纺织工程技术人员应当摒弃过去“机械维护与电器维护彼此分离、管理人员、工艺人员与设备维修人员分离”的理念，才能适应新的“机电一体化、工艺与设备相互渗透、相互融合”的新形势。掌握传感器这一高新技术在浆纱机上的具体应用能有助于技术人员掌握设备的综合性能，为设备维护、技术改造和产品升级打下基础。因而有必要对于传感器自浆纱机上的具体应用进行探讨。

1 浆纱机所用传感器的主要类型及性能评价
1．1 定义与主要类型
    根据国家标准GB7665-87对传感器定义为：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，并满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，因而是检测与自动控制和信息化的前提。新型浆纱机所用传感器按工作原理：分为电阻(主要有热敏、湿敏等)、电感、霍尔、超声波、应变片、光电等传感器。按被测物理量分：有力、位移、速度、温度、湿度及角度等传感器。
1．2 性能评价
    传感器的性能用其静态特性和动态特性衡量，静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。动态特性常用阶跃响应和频率响应表示。

2 传感器在新型浆纱机的应用
    传感器在新型浆纱机上用于经轴退绕直径、回潮率、烘筒与浆槽温度、各区张力、各区伸长率、运行速度、检测等。
2．1 铂热电阻式温度传感器用于温度检测与控制
2．1．1 传感器的选择
    在工业应用中，温度的检测，有热电偶和热电阻两种形式，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于500℃以下的中、低温度，热电偶的输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且在较低温区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度一般使用热电阻温度测量仪较为合适。浆纱机的烘筒的烘燥温度一般低于150℃，浆液温度小于或等于100℃，故可以采取热电阻式传感器。
2．1．2 热电阻传感器的测温原理与选择
    热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在工程控制中的应用极其广泛。
    电阻值和温度一般可以采用以下的近似关系式：

    Rt=Rt0[1+α(t一t0)]
式中：Rt为温度t时阻值；Rt0为温度t0(通常t0=O℃)时对应电阻值；α为温度系数。
2．1．3 铂热电阻传感器在浆纱机上的应用
    浆纱机主要采用的是金属铂热电阻传感器。郑纺机GA308，SUCKER-S432浆纱机、等浆纱机采用的是Pt-100铂热电阻，测量范围0～200℃，最大电流20 mA，相对于铜电阻，铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小。
    铂热电阻温度传感器检测并结合控制单元控制浆液温度、烘燥温度在工艺范围之内。该传感器属热敏电阻传感器。
2．1．4 铂热电阻传感器检测温度的方法
    铂热电阻温度传感器检测的烘筒或浆液温度，经过电桥输出与温度成比例的电压信号，通过运算放大器进入A／D转换器，将电压模拟信号转换成数字信号，经过光电隔离器送入微处理器CPU，实际温度与预定温度之差经CPU按一定规律运算输出，经光电隔离器、D／A转换器和驱动器后形成模拟电流信号；控制单元采用断开式或位式控制方式，断开式控制方式由电磁阀控制薄膜阀的启闭，当温度低于设定值就打开蒸汽。这种方式对于热惯量很大的烘筒来说，检测精度就很差，现已经为具有PID调节功能的位式控制方式所取代。
    GA308、卡尔迈耶、津田驹HS20、HS40、祖克S432浆纱机等采用此方式，其特点是可以通过比例阀线性调节气缸阀开度，控制蒸汽流量，即越接近设定值，蒸汽阀门越开越小，反之亦然，以控制温度，其原理框图见图1。

2．2 超声波位移传感器应用于经轴退绕直径检测
    保证退绕区各经轴间经纱退绕张力一致是浆纱工艺控制的重要内容。传统浆纱机采用千米夹纸条结合经轴夹调节制动力来控制经轴的退绕张力，保证各个经轴退绕张力均匀一致，以减少机白回丝，祖克SUCKER-S432新型浆纱机的AB张力调节器采用机械张力检测装置检测退绕张力，反馈至气动比例调节阀与设定值比较后，输出气压信号来调节退绕张力，仍是一种机械式反馈、控制装置。
    郑纺机的GA301浆纱机采用超声波传感器检测经轴的退绕直径，电脑控制自动调整制动气缸的气压来保持退绕张力的恒定。超声波传感器利用的是超声波的反射特性进行空间测量和定位。由于测试距离很短，故其衰减性可以忽略不计。
2．3 测湿传感器用于回潮率的检测、反馈
    浆纱回潮率是衡量浆纱质量的重要指标。回潮率直接影响浆膜的弹性、浆纱耐磨性、织造开口清晰度、回潮率过高还会导致窄幅长码布。因而对回潮率的检测与控制具有至关重要的意义。浆纱机采用湿敏电阻传感器测试浆纱回潮率。
2．3．1 测试原理
    纺织材料的导电性随含水量而异，回潮率与浆纱电阻符合如下关系：
    W=A+Blg R
    式中：W为浆纱回潮率(％)；R为浆纱电阻(MΩ)；A，B为常数，由纤维的种类、纱线密度决定。
    由于电阻和回潮率的对数成比例关系，当回潮率发生很小变化时，电阻值却变化很大，因而根据这种原理设计的测量仪器能达到很高的灵敏度和精度。
2．3．2 测试方法
    作为测湿传感器的测湿电极给浆纱加上一定量的测量电压，随回潮率的变化，浆纱电阻发生变化，通过浆纱的电流也相应变化，变化的电流在控制仪中放大并转化成电压信号，与预设的回潮率电压相比较，然后由控制电路发出脉冲信号，控制浆纱机升降速(结合霍尔测速发电机)以控制回潮率。
    GA301浆纱机采用美国Strandberg公司生产的M601测湿仪；祖克SUCKER-S432浆纱机采用RMSR-7K测湿仪等，均属于湿敏电阻传感器。
2．4 电阻应变片式张力传感器检测浆纱张力
    浆纱各区张力是浆纱重要工艺内容，一般浆纱各区张力的控制原则是：小退绕张力、微浆槽张力、匀烘燥张力、中分绞张力、大卷绕张力。为实现这一工艺目的，就需要对浆纱个各区进行检测，这是工艺调节控制的前提。
2．4．1 应变片张力传感器的应用
    应变片式张力传感器用来检测浆纱机各区(浆槽、烘燥、分绞及卷绕)的张力大小，并采用双曲线铁炮(如祖克SUCKER-S432浆纱机)、双曲线铁炮+XP1(如台湾大雅TAYA500、郑纺机GA301浆纱机等)以及较为先进的各区变频调速器控制个单元电机速度(如郑纺机GA308，苏州圣元ASGA368)以调节各区速比以调节张力。
    卡尔迈耶、津田驹浆纱机采用应变片式压力传感器来检测退绕张力，经纱张力的合力作用于位于检测辊轴承底部的压力传感器，传感器发出的电流或电压信号输入控制系统，控制系统将测量值和设定值进行比较、计算，改变对电控比例阀的控制电流或电压，调整比例阀的输出气压，使加压气缸改变对经轴的制动阻尼，直至测量值与设定值相等。从而保持退绕张力的恒定，这种控制形式由于检测辊固定，不需摆动，可以减少惯性的影响，灵敏度高于祖克浆纱机。
2．4．2 电阻应变式传感器工作原理
    基于电阻应变效应原理，用金属电阻丝制作成电阻应变片，将其粘贴在弹性体上。测量时，当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。
    电阻应变计把机械应变转换成△R／R后(△R为阻值绝对变化量，R为电阻值)。应变电阻变化一般都很微小，这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的△R／R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。
    惠斯登电桥的优点是抑制温度变化的影响、抑制干扰、补偿方便等。电桥如图2所示，U0为供桥电源电压，R1，R2，R3，R4为桥臂，Usc为电桥输出电压。Usc=0时电桥平衡，则平衡条件为：R1／R2=R4／R3或R1R3=R2R4这说明要使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等或相对两臂电阻的乘积相等。将应变片作为臂电阻接在电桥电路，当弹性体力变形时，应变片电阻值发生相应变化，使电桥失去平衡，Usc≠0，电桥输出电压绝对值与传感器受力成正比。

2．5 接近开关传感器及光电编码器用于浆纱机伸长率检测和速度检测
    伸长率是上浆的重要工艺参数，过高的伸长率将使得浆纱的弹性过多，纱线在织造中抵抗反复负荷的能力下降，造成织造时断头率增加。
    伸长率的检测可以采用接近开关式传感器或光电编码器。
2．5．1 接近开关传感器用于浆纱伸长率检测
    在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件即：位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。如果被检测物体是按一定的时间间隔(如磁性齿轮)逐个移向接近开关，又逐个地离开，这样不断地重复(不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同的。这种响应特性被称为“响应频率”)，就会产生连续的脉冲信号。祖克SUCKER-S432浆纱机采用的是这种传感器检测伸长率。
    其检测方法是：在机后的引纱辊的加压辊后和车头的拖引辊的加压辊头端均装有磁性齿轮，磁性齿轮在接近开关处回转时产生脉冲信号，根据机前机后的脉冲数之差，再转换成线速度的差异，并计算如下：

式中：S为伸长率；VB为机前线速度；VA为机后线速度。
2．5．2 光电编码器用于浆纱伸长率检测
    光电编码器是一种角度(角速度)检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，典型的光电编码器由码盘(Disk，见图3)、检测光栅(Mask)、光电转换电路(包括光源、光敏器件、信号转换电路)、机械部件等组成。

账   光电编码器的分辨率是用编码器轴转动一周所产生输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数／转(PPR)。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。伸长率的测量通常选用分辨率为2 500 PPR的编码器。光电编码器具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点。为在浆纱机上测试分区伸长率，须完成多点测试纱速、测量车速及计算伸长率的任务。纱速测定采用光电码盘作传感器，将其安装在经轴、引纱辊及牵引辊等处。这种传感器配上自身的遮光轮可以准确地测定前后被测轴(即后引纱辊和前拖引辊)的转速。根据各自直径计算出线速度或长度之差，方法同上。
2．5．3 运行速度测定
    运行速度是浆纱机的重要工技术参数，它直接影响和决定浆纱回潮率、压浆辊(尤其是线性加压的第二压浆辊)的压浆力、浆纱质量、效率和能耗(蒸汽和用电量)等，因而速度的检测、反馈、控制尤为重要。
    现代浆纱机采用接近开关式角度传感器由于计长，在浆纱机车头加压测长辊上安装着磁性齿轮，与其相对安装着脉冲传感器，磁性齿轮每转一齿，产生一个脉冲信号，测根据测长辊的周长和脉冲信号数，计算出单位时间内的长度，即线速度。
2．6 霍尔测速发电机用作校正元件自动调节转速系统
    测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速变换成为电压信号输出。其输出电压与转速成正比，并保持稳定。主要要求：剩余电压(转速为零时的输出电压)要小；输出电压的极性或相位能反映被测对象的转向；转动惯量小，以保证反应迅速；灵敏度高，即输出电压对转速的变化反应灵敏。
    祖克SUCKER浆纱机的传动系统为直流电机式，主机调速结构原理如图4所示。

图4中内环是电流环，主要是为了改善系统的动态特性，在启动时保持最大的恒定电流实现快速启动等。外环是转速环，构成一个直流电机带有直流测速反馈的闭环调速系统。直流测速发电机测得速度值，通过速度反馈环节与设定值比较，进行负反馈以校正转速。
    郑纺机GA301采用变频调速的传动系统。浆纱过程中，直流测速发电机不断将电动机的实际转速转换成直流电压信号，该实测值被反馈至比较器与设定值比较，其偏差经A／D转换被送入单片机，不断调节控制信号的频率，使电动机的实际转速稳定在设定上，以提高调速精度，消除浆纱运行负载变化造成的电动机的转速变化。

3 结 语
    各种电子传感器是现代浆纱机工艺参数控制的前提条件，是现代浆纱机的重要标志。
    浆纱机的烘燥温度采用铂热电阻式温度传感器检测；经轴退绕直径检测采用超声波位移传感器；回潮率的检测采用湿敏电阻传感器；浆纱张力测定采用电阻应变片式传感器；浆纱伸长率与车速可采用接近开关传感器和光电编码器检测；霍尔测速发电机应用于浆纱机的调速系统。