纺线张力在线监控系统的设计
摘要
在丝绸纺织品加工过程中，纺线张力是一个十分重要的参数，它的大小和稳定性直接关系到产品质量和生产效率。张力波动越大则产品质量越差，并会影响后序加工的产品外观及舒适性。因此需要对生产过程中纺线张力加以监测与控制，以减小纺线张力的波动。
国内对纺线张力的监测大多还停留在随机抽检阶段，其监测的准确性和效率都很低；国外的一些监测设备可以实现对纺线张力的实时监测，但价格昂贵且技术保密。鉴于这样的背景，本文提出了一种纺线张力在线监控系统的方案。该系统主要包含了传感器设计和张力监控两大部分，使用电阻应变式传感器结合单片机处理的技术，完成张力到电压的转变，利于张力的采集和提高测量准确性。同时为了能投入生产使用，本系统能对多路传感器信号进行检测，将数据实时显示并保存，用户可以通过操作界面调整电压改变张力值，达到纺线张力趋于稳定的目的。
系统的硬件部分包括了电桥电路、小信号放大电路、多路信号采集电路、高精度AD转换电路和主控电路的设计。软件部分包括了传感器数据建模、非线性和温度补偿、高精度AD芯片与控制芯片的通信、数据上传数据库保存。用户部分主要是上位机Android平板电脑的软件编写，为使用者提供一个操作界面，能够根据实时采集的结果相应调整电机的状态，使得张力能趋于稳定。
本文设计的系统经过试验论证，不仅能解决张力传感器的时漂、温漂和噪声干扰等问题，更重要的是能实现多路信号采集，数据准确精度高，实时显示与保存，达到了在线监控的效果，能够投入生产使用中。
Yarn tension is an important parameter as its size and stability directly influence the quality and efficiency of products during the textile process. The more the yarn tension vibrates,the worse the yarn quality is. The yarn tension will affect the appearance and comfort of the products made of the yarn. So the yarn tension is needed to be measured and controlled in the textile process to limit the vibration of the yarn tension.
This paper puts forward a method by designing yarn tension on-line monitoring system against this background. The system mainly consists of sensor designing part and tension controling part and combines resistance strain sensor with MCU technology in order to transform tension to voltage,which is helpful for tension acquisition and the measurement accuracy improvement. At the same time this system can detect multi-channel sensor,display and save the real-time data,and user can adjust tension values by operating interface to make yarn tension stable.
The hardware part is made up of bridge circuit,small signal amplifier circuit,multi-channel signal acquisition circuit,high precision AD conversion circuit and main control circuit. The software part is made up of the sensor output data modeling,nonlinear and temperature compensation,the communication between AD chip and MCU,storing data in database. The user part is mainly writing programme for Android tablet,providing the users with an interface that can be used to adjust motor state in order to achieve stable yarn tension.
This system not only can solve time drift,temperature drift,noise interference issues of tension sensor,but can realize multi-channel signal acquisition,real-time display and preserve,that is on-line monitoring,so this system can be put into use.
国内对纺线张力的监测大多还停留在随机抽检阶段，其监测的准确性和效率都很低；国外的一些监测设备可以实现对纺线张力的实时监测，但价格昂贵且技术保密。鉴于这样的背景，本文提出了一种纺线张力在线监控系统的方案。该系统主要包含了传感器设计和张力监控两大部分，使用电阻应变式传感器结合单片机处理的技术，完成张力到电压的转变，利于张力的采集和提高测量准确性。同时为了能投入生产使用，本系统能对多路传感器信号进行检测，将数据实时显示并保存，用户可以通过操作界面调整电压改变张力值，达到纺线张力趋于稳定的目的。
系统的硬件部分包括了电桥电路、小信号放大电路、多路信号采集电路、高精度AD转换电路和主控电路的设计。软件部分包括了传感器数据建模、非线性和温度补偿、高精度AD芯片与控制芯片的通信、数据上传数据库保存。用户部分主要是上位机Android平板电脑的软件编写，为使用者提供一个操作界面，能够根据实时采集的结果相应调整电机的状态，使得张力能趋于稳定。
本文设计的系统经过试验论证，不仅能解决张力传感器的时漂、温漂和噪声干扰等问题，更重要的是能实现多路信号采集，数据准确精度高，实时显示与保存，达到了在线监控的效果，能够投入生产使用中。
Yarn tension is an important parameter as its size and stability directly influence the quality and efficiency of products during the textile process. The more the yarn tension vibrates,the worse the yarn quality is. The yarn tension will affect the appearance and comfort of the products made of the yarn. So the yarn tension is needed to be measured and controlled in the textile process to limit the vibration of the yarn tension.
This paper puts forward a method by designing yarn tension on-line monitoring system against this background. The system mainly consists of sensor designing part and tension controling part and combines resistance strain sensor with MCU technology in order to transform tension to voltage,which is helpful for tension acquisition and the measurement accuracy improvement. At the same time this system can detect multi-channel sensor,display and save the real-time data,and user can adjust tension values by operating interface to make yarn tension stable.
The hardware part is made up of bridge circuit,small signal amplifier circuit,multi-channel signal acquisition circuit,high precision AD conversion circuit and main control circuit. The software part is made up of the sensor output data modeling,nonlinear and temperature compensation,the communication between AD chip and MCU,storing data in database. The user part is mainly writing programme for Android tablet,providing the users with an interface that can be used to adjust motor state in order to achieve stable yarn tension.
This system not only can solve time drift,temperature drift,noise interference issues of tension sensor,but can realize multi-channel signal acquisition,real-time display and preserve,that is on-line monitoring,so this system can be put into use.
引文
[1]Vivek Prasad Shankam Narayana. Novel method for dynamic yarn tension measurement and control in direct cabling process[D]. North Carolina State University, December2005
[2]张磊磊.纺织机械中丝线张力在线监控技术的研究[D].江南大学,2007
[3]自动络筒机高科技技术特征及智能化电控监测系统综述(二).中国自动化网,2005,10
[4]Bandara. Novel Instrument for Non-contact Tension of Yarn Tension[C]. Textile Machinery, Technology and Process Research&Development-Academe-Industry Symposium, Manchester,2002
[5]胡三贵,卢竹萍.单丝张力仪测量范围的改进[J].计量技术,1994,4：35
[6]葛松林.基于CAN总线的纺织小张力智能传感器的研究[D].浙江理工大学,2010
[7]Severrine Gahide. Monitoring warp tension and breaks during the formatting of woven fabrics[D]. North Carolina State University, April2001
[8]Gong, R.H. Fabric Objective Measure-A Comparative Study of Fabric Characteris-tics [J]. Journal of the Textile Institute,1993,84(2):192-198
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[10]查万纪.压电加速度传感器测量电路的研究与设计[D].安徽大学,2004,6
[11]楼钢.基于电阻应变传感器的纺织小张力测试技术研究[D].浙江理工大学,2008
[12]陈鸿文.材料力学[M].高等教育出版社,2002,12
[13]吴宝元,许德章.应变式传感器桥路供电方式研究[J].自动化仪表,2006,1：27-29
[14]JaQuay, Paul T. Active Linear Bridge For Strain Measurement[J]. Shock and Vibration Bulletin,1974,25:95-102
[15]张有凤.基于压力检测的高精度数据采集系统[D].陕西理工学院，2006
[16]茶国智，王少敏.单片机应用系统的电源模块设计[J].电子世界，2007,3：16-17
[17]潘琢金.C8051F350/1/2/3数据手册.新华龙电子有限公司，2005,7
[18]江益，张森林.基于ARM和uClinux的经纱张力控制嵌入式系统设计[J].纺织学报，2007,28：124-127
[19]宋研.Cortex-M3权威指南[M].电子工业出版社，2008
[20]ADUC7060_7061Datasheet.Analog Device，2009-2010
[21]徐爱钧.IAREWARM嵌入式系统编程与实践[M].北京航空航天大学出版社，2006
[22]王普刚.基于DSP的测力台数据采集系统设计与实现[D].大连理工大学，2008
[23]范敏，李振波.基于802.15.4和ARM的无线网络平台硬件设计及驱动开发[D].上海交通大学，2010
[24]张钧.数字校对技术在高速ADC设计中的应用[J].仪器仪表用户，2009
[25]朱国峰.基于DSP的频率特性分析仪设计[D].西安电子科技大学，2010
[26]王刚.CAN-SPI总线协议转换器的研究与实现[D].南京邮电大学，2012
[27]STM32F103数据手册.http://www.st.com/stonline/products/literature，2007
[28]李毅.嵌入式串口服务器的设计与实现[D].北京交通大学，2012
[29]秦璐璐.基于Cortex-M3内核的嵌入式网络终端的研究与设计[D].北京工业大学，2009
[30]李刚.疯狂Android讲义[M].电子工业出版社，2011
[31]张舒，张洪欣.基于Android平台的无线传感器应用层开发[D].北京邮电大学，2012
[32]吴想想.基于Android平台软件开发方法的研究与应用[D].北京邮电大学，2011
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