摘  要： 研究了一種用于儲緯器緯紗圈數實時計量的紅外光電檢測系統。針對反射鏡表面污染和光源老化引起的傳感信號漂移問題，提出紅外光源驅動電流閉環控制策略。在模擬濾波電路基礎上，采用數字滑動均值算法和滑動峰峰值算法對傳感信號進行后處理，有效抑制了隨機擾動造成的誤觸發事件。實驗結果驗證了所提方案在實際生產環境中的抗干擾性能以及對多種材質及類型緯紗的適應性，表明其在精細織造領域具有良好的應用前景。

　　關鍵詞： 儲緯器；緯紗檢測；紅外傳感；數字信號處理

0 引言

　　在織造工程中，儲緯器對緯紗圈數的精確計量與實時控制是其定長工作的前提[1]。漏檢測會造成緯紗浪費，而誤觸發則會導致布匹缺陷甚至紡織機頻繁停機。紅外光電檢測技術以其響應速度快、非接觸等特點，已成為紡織裝備中紗線檢測的主要手段之一[2-3]。然而工業環境里，儲緯器連續運行過程中受紅外光源老化、反射鏡污染、緯紗規格變化、電機驅動系統等多重因素干擾，誤觸發和漏檢測時有發生，并已成為限制紡織生產效率和產品質量提升的重要因素。

　　在對紅外傳感系統特性和儲緯器應用環境干擾因素分析后發現：緯紗傳感信號中幅度較大且具有明顯偶發特征的隨機擾動是造成誤觸發的主要原因[4-5]；紅外器件老化、反射鏡污染等因素導致傳感信號幅度漂移是導致漏檢測的主要誘因。本文針對上述問題提出了相應解決方案，并在工業環境中對檢測系統的有效性和可靠性進行驗證。

1 系統工作原理

　　圖1為儲緯器的緯紗紅外檢測原理圖，采用反射型光路結構，光電檢測傳感器由紅外發光管、受光管、遮光殼體、紅外濾鏡和反射鏡組成。在電流源激勵下紅外發光管發射出一定強度的紅外光經空氣傳輸路徑照射至反射鏡，而后通過反射作用到達受光管，繼而產生一定強度的傳感信號輸出。當紗線高速通過紅外組件與反射鏡中間的空氣間隙時，其遮擋作用必然會導致傳感信號瞬時幅度的變化，使得緯紗通過事件的精確檢測成為可能。

2 光源驅動控制

　　傳統的恒壓驅動方式下，儲緯器傳感信號直流強度的時域特性如圖2所示，其中圖2（a）是細度為60D（旦尼爾）的滌綸包覆紗放緯后傳感信號變化曲線。放緯時紗線上攜帶的潤滑劑逐漸黏附在反射鏡上，使得傳感信號強度在6 min內便出現大幅度減弱的現象。圖2（b）是連續半年時間內紅外傳感系統的發光管電流與傳感信號幅值變化曲線。最初的4個月時間內發光管表現出持續老化特性，其驅動電流按近似線性的規律減小，導致傳感信號強度出現相似特性減弱漂移。

　　為了增強傳感信號的穩定性，根據紅外發光管是電流驅動型發光元件的特性，在采用精密受控電流源驅動電路的基礎上，以傳感信號恒定直流強度為控制目標引入了比例積分（PI）閉環補償機制，提出了圖3所示的紅外發光管驅動電路。

　　圖3中運算放大器U1A和U1B及其外圍器件組成了PI閉環補償控制器，其輸入信號為傳感信號直流強度設定值和反饋值，其中設定值Vref經精密電阻分壓電路獲取，反饋值則為圖1中I/V變換后的信號。

　　在任意平衡狀態下，反饋電壓VI=Vref。當反射鏡或發光管發光效率改變時，反饋電壓VI隨之改變，則PI負反饋調節生效對ID進行調節以建立新的平衡，實現對反射鏡污染及光源老化的補償調節并使得紅外傳感系統始終在設計的最佳直流強度下工作。

　　經上述改進后，紅外傳感器在使用滌綸包覆紗情況下的短期特性和使用普通紗線情況下的長期特性如圖4所示。在電流源閉環調節下信號直流強度不論在短期還是長期的測試中均不會發生漂移且其波動幅度也處于相對較小的范圍內。

3 傳感信號處理

　　3.1 前置模擬濾波

　　為滿足微細紗線高速檢測要求，電路放大倍數遠大于通用信號調理電路，加上工作環境受電機驅動系統、工廠電氣環境多重因素影響，傳感信號受到了嚴重的噪聲干擾。因此，分別對儲緯器待機、轉動和工作三種狀態下信號的頻域特性進行分析。

　　三種典型狀態下傳感信號的FFT頻譜如圖5所示。其中待機狀態下傳感信號在低頻域有幅度較大的50 Hz工頻分量及其諧波分量，主要是來源于電源干擾。儲緯器轉動時的傳感信號中除工頻噪聲外另含幅值較大的高頻噪聲，其中心頻率為10 kHz，與電機驅動系統的脈寬調制（PWM）頻率一致。因有效緯紗通過信號為脈沖突變信號，且脈沖頻率受緯紗噴射速度影響有較大幅度波動，故工作狀態下其頻帶廣泛分布在1 kHz~12 kHz范圍內。

　　為了在保留緯紗通過信號的前提下抑制上述高頻和低頻噪聲，采用無源低通和無源高通串聯組合濾波對初始放大后的紅外傳感信號進行處理，濾波電路如圖6所示。其傳遞函數如式（1）所示。

　　處理后信號如圖7所示。傳感信號中低頻和高頻噪聲得到了有效抑制，低噪相對有效信號已處于較小水平。但儲緯器實際運行工程中仍時常觀察到個別紗線通過信號幅值欠佳以及信號中夾雜幅值較大具有偶發特性的隨機噪聲。通過對濾波電路輸出波形分析發現，緯紗通過信號和隨機噪聲在時域中存在以下不同點：（1）緯紗信號和隨機噪聲的時域積分相差較大；（2）緯紗信號具有震蕩特性，由正向信號和負向信號組成，而隨機噪聲則無該特性。

　　3.2 數字信號增強

　　為了消除隨機噪聲的干擾增強信號的信噪比，在模擬濾波電路之后引入數字信號處理。選用TI公司DSP芯片TMS320f28027作為信號采集處理單元。目標信號經數模轉換器（ADC）采樣后轉變為離散數字信號X（n）。

　　相對DSP有限的SRAM存儲空間，上述離散數字信號的數據量過于龐大。為此采用一種基于數組循環存儲的滑動數據處理方式。其實質是將數字信號按時間順序存入一個固定寬度的先入先出（FIFO）數組中。根據濾波器輸出信號的特征1，如式（2）采用滑動均值算法的方法對數字信號X（n）進行處理。

　　Y（n）=（X（n-m+1）+X（n-m）+…+X（n））/m（2）

　　此舉目的在于利用均值處理的類積分特性降低信號中的隨機噪聲和毛刺。經滑動均值處理后的輸出等效信號Y（n）如圖8所示，可見隨機噪聲已經被抑制在一個較低的水平。

　　針對緯紗通過信號的震蕩特性，如式（3）對均值輸出信號Y（n）再做滑動峰峰值計算處理得到信號Z（n）。經上述處理后的信號如圖9所示，傳感信號中幅值欠佳的緯紗通過信號得到了進一步增強，隨機噪聲已幾乎不可見，足以滿足檢測的高精度。最后通過將Z（n）與設定的閾值進行比較，實現緯紗通過事件的精確計量。

　　Z（n）=max{Y（n-m+1），Y（n-m），…，Y（n）}-min{Y（n-m+1），Y（n-m），…，Y（n）}（3）

4 實驗驗證

　　構建緯紗實時檢測實驗系統，將其搭載于直流永磁同步儲緯器上。同時，選用引春噴水織機JW-751CH在寧波萬信紡織廠對檢測系統的紗線類型適應性和抗干擾性能進行長期測試。

　　4.1 紗線適應性

　　以傳統的開環恒壓驅動型傳感器為對照組，改進后的閉環電流驅動型傳感器為實驗組進行緯紗適應性對比實驗。以儲緯器連續工作30天，每天平均漏檢測次數作為性能指標。選取細度均為60D的滌綸絲、氨綸絲、滌綸包覆紗、氨綸包覆紗進行實驗，它們的潤滑劑含量從無依次增加。表1的實驗結果表明：漏檢測的產生與反射鏡污染密切相關，且次數和紗線上攜帶的潤滑劑劑量是呈正相關的，在極端污染的情況下反射鏡反射效率的大幅度改變將致使織造工作的完全中斷。

　　4.2 抗干擾性能

　　在其他條件相同的情況下，以有無數字信號增強分為實驗組和對照組進行緯紗紅外檢測系統的抗干擾對比實驗。因隨機噪聲具有偶發特性，故將儲緯器連續工作30天，每天平均誤檢測作為性能衡量指標。從表2的實驗結果分析，相比于對照組有數字信號增強的實驗組對隨機噪聲有較強的抗干擾能力，誤觸發次數大大降低。這充分說明滑動平均和滑動峰峰值組合算法的信號處理方案能夠有效地抑制隨機噪聲。

5 結論

　　通過實際工業織造環境中的長期實驗得到的實驗數據表明：（1）紅外光源驅動電流閉環控制對傳感信號漂移有較好的補償作用，提高了檢測系統對緯紗材質及類型的適應性，降低了漏檢率；（2）數字信號增強方案能夠有效地抑制隨機噪聲，提高了信號的信噪比，改善了系統的抗干擾性能，顯著降低紗線圈數誤觸發的概率。同時實驗結果表明，該緯紗光電檢測系統在精細織造領域具有良好的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 徐青山，施亞賢.儲緯器定長方法的研究[J].棉紡紡織技術，2003（2）：84-86.

　　[2] 劉武，葉振華.國外紅外光電探測器發展動態[J].激光與紅外，2011，41（4）：365-370.

　　[3] 沈丹峰，趙寧，張華安，等.緯紗紅外光電檢測方法與可靠性[J].紡織學報，2010，33（12）：75-79.

　　[4] 靳展，劉錚，林玉池.光電傳感器特性參數測試系統的設計[J].傳感技術學報，2012，25（12）：1678-1682.

　　[5] 李紅波，閆琳.一種紅外成像導引頭通用信息處理平臺[J].電子技術應用，2009，35（8）：43-46.