摘  要： 研究了一种用于储纬器纬纱圈数实时计量的红外光电检测系统。针对反射镜表面污染和光源老化引起的传感信号漂移问题，提出红外光源驱动电流闭环控制策略。在模拟滤波电路基础上，采用数字滑动均值算法和滑动峰峰值算法对传感信号进行后处理，有效抑制了随机扰动造成的误触发事件。实验结果验证了所提方案在实际生产环境中的抗干扰性能以及对多种材质及类型纬纱的适应性，表明其在精细织造领域具有良好的应用前景。

　　关键词： 储纬器；纬纱检测；红外传感；数字信号处理

0 引言

　　在织造工程中，储纬器对纬纱圈数的精确计量与实时控制是其定长工作的前提[1]。漏检测会造成纬纱浪费，而误触发则会导致布匹缺陷甚至纺织机频繁停机。红外光电检测技术以其响应速度快、非接触等特点，已成为纺织装备中纱线检测的主要手段之一[2-3]。然而工业环境里，储纬器连续运行过程中受红外光源老化、反射镜污染、纬纱规格变化、电机驱动系统等多重因素干扰，误触发和漏检测时有发生，并已成为限制纺织生产效率和产品质量提升的重要因素。

　　在对红外传感系统特性和储纬器应用环境干扰因素分析后发现：纬纱传感信号中幅度较大且具有明显偶发特征的随机扰动是造成误触发的主要原因[4-5]；红外器件老化、反射镜污染等因素导致传感信号幅度漂移是导致漏检测的主要诱因。本文针对上述问题提出了相应解决方案，并在工业环境中对检测系统的有效性和可靠性进行验证。

1 系统工作原理

　　图1为储纬器的纬纱红外检测原理图，采用反射型光路结构，光电检测传感器由红外发光管、受光管、遮光壳体、红外滤镜和反射镜组成。在电流源激励下红外发光管发射出一定强度的红外光经空气传输路径照射至反射镜，而后通过反射作用到达受光管，继而产生一定强度的传感信号输出。当纱线高速通过红外组件与反射镜中间的空气间隙时，其遮挡作用必然会导致传感信号瞬时幅度的变化，使得纬纱通过事件的精确检测成为可能。

2 光源驱动控制

　　传统的恒压驱动方式下，储纬器传感信号直流强度的时域特性如图2所示，其中图2（a）是细度为60D（旦尼尔）的涤纶包覆纱放纬后传感信号变化曲线。放纬时纱线上携带的润滑剂逐渐黏附在反射镜上，使得传感信号强度在6 min内便出现大幅度减弱的现象。图2（b）是连续半年时间内红外传感系统的发光管电流与传感信号幅值变化曲线。最初的4个月时间内发光管表现出持续老化特性，其驱动电流按近似线性的规律减小，导致传感信号强度出现相似特性减弱漂移。

　　为了增强传感信号的稳定性，根据红外发光管是电流驱动型发光元件的特性，在采用精密受控电流源驱动电路的基础上，以传感信号恒定直流强度为控制目标引入了比例积分（PI）闭环补偿机制，提出了图3所示的红外发光管驱动电路。

　　图3中运算放大器U1A和U1B及其外围器件组成了PI闭环补偿控制器，其输入信号为传感信号直流强度设定值和反馈值，其中设定值Vref经精密电阻分压电路获取，反馈值则为图1中I/V变换后的信号。

　　在任意平衡状态下，反馈电压VI=Vref。当反射镜或发光管发光效率改变时，反馈电压VI随之改变，则PI负反馈调节生效对ID进行调节以建立新的平衡，实现对反射镜污染及光源老化的补偿调节并使得红外传感系统始终在设计的最佳直流强度下工作。

　　经上述改进后，红外传感器在使用涤纶包覆纱情况下的短期特性和使用普通纱线情况下的长期特性如图4所示。在电流源闭环调节下信号直流强度不论在短期还是长期的测试中均不会发生漂移且其波动幅度也处于相对较小的范围内。

3 传感信号处理

　　3.1 前置模拟滤波

　　为满足微细纱线高速检测要求，电路放大倍数远大于通用信号调理电路，加上工作环境受电机驱动系统、工厂电气环境多重因素影响，传感信号受到了严重的噪声干扰。因此，分别对储纬器待机、转动和工作三种状态下信号的频域特性进行分析。

　　三种典型状态下传感信号的FFT频谱如图5所示。其中待机状态下传感信号在低频域有幅度较大的50 Hz工频分量及其谐波分量，主要是来源于电源干扰。储纬器转动时的传感信号中除工频噪声外另含幅值较大的高频噪声，其中心频率为10 kHz，与电机驱动系统的脉宽调制（PWM）频率一致。因有效纬纱通过信号为脉冲突变信号，且脉冲频率受纬纱喷射速度影响有较大幅度波动，故工作状态下其频带广泛分布在1 kHz~12 kHz范围内。

　　为了在保留纬纱通过信号的前提下抑制上述高频和低频噪声，采用无源低通和无源高通串联组合滤波对初始放大后的红外传感信号进行处理，滤波电路如图6所示。其传递函数如式（1）所示。

　　处理后信号如图7所示。传感信号中低频和高频噪声得到了有效抑制，低噪相对有效信号已处于较小水平。但储纬器实际运行工程中仍时常观察到个别纱线通过信号幅值欠佳以及信号中夹杂幅值较大具有偶发特性的随机噪声。通过对滤波电路输出波形分析发现，纬纱通过信号和随机噪声在时域中存在以下不同点：（1）纬纱信号和随机噪声的时域积分相差较大；（2）纬纱信号具有震荡特性，由正向信号和负向信号组成，而随机噪声则无该特性。

　　3.2 数字信号增强

　　为了消除随机噪声的干扰增强信号的信噪比，在模拟滤波电路之后引入数字信号处理。选用TI公司DSP芯片TMS320f28027作为信号采集处理单元。目标信号经数模转换器（ADC）采样后转变为离散数字信号X（n）。

　　相对DSP有限的SRAM存储空间，上述离散数字信号的数据量过于庞大。为此采用一种基于数组循环存储的滑动数据处理方式。其实质是将数字信号按时间顺序存入一个固定宽度的先入先出（FIFO）数组中。根据滤波器输出信号的特征1，如式（2）采用滑动均值算法的方法对数字信号X（n）进行处理。

　　Y（n）=（X（n-m+1）+X（n-m）+…+X（n））/m（2）

　　此举目的在于利用均值处理的类积分特性降低信号中的随机噪声和毛刺。经滑动均值处理后的输出等效信号Y（n）如图8所示，可见随机噪声已经被抑制在一个较低的水平。

　　针对纬纱通过信号的震荡特性，如式（3）对均值输出信号Y（n）再做滑动峰峰值计算处理得到信号Z（n）。经上述处理后的信号如图9所示，传感信号中幅值欠佳的纬纱通过信号得到了进一步增强，随机噪声已几乎不可见，足以满足检测的高精度。最后通过将Z（n）与设定的阈值进行比较，实现纬纱通过事件的精确计量。

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

4 实验验证

　　构建纬纱实时检测实验系统，将其搭载于直流永磁同步储纬器上。同时，选用引春喷水织机JW-751CH在宁波万信纺织厂对检测系统的纱线类型适应性和抗干扰性能进行长期测试。

　　4.1 纱线适应性

　　以传统的开环恒压驱动型传感器为对照组，改进后的闭环电流驱动型传感器为实验组进行纬纱适应性对比实验。以储纬器连续工作30天，每天平均漏检测次数作为性能指标。选取细度均为60D的涤纶丝、氨纶丝、涤纶包覆纱、氨纶包覆纱进行实验，它们的润滑剂含量从无依次增加。表1的实验结果表明：漏检测的产生与反射镜污染密切相关，且次数和纱线上携带的润滑剂剂量是呈正相关的，在极端污染的情况下反射镜反射效率的大幅度改变将致使织造工作的完全中断。

　　4.2 抗干扰性能

　　在其他条件相同的情况下，以有无数字信号增强分为实验组和对照组进行纬纱红外检测系统的抗干扰对比实验。因随机噪声具有偶发特性，故将储纬器连续工作30天，每天平均误检测作为性能衡量指标。从表2的实验结果分析，相比于对照组有数字信号增强的实验组对随机噪声有较强的抗干扰能力，误触发次数大大降低。这充分说明滑动平均和滑动峰峰值组合算法的信号处理方案能够有效地抑制随机噪声。

5 结论

　　通过实际工业织造环境中的长期实验得到的实验数据表明：（1）红外光源驱动电流闭环控制对传感信号漂移有较好的补偿作用，提高了检测系统对纬纱材质及类型的适应性，降低了漏检率；（2）数字信号增强方案能够有效地抑制随机噪声，提高了信号的信噪比，改善了系统的抗干扰性能，显著降低纱线圈数误触发的概率。同时实验结果表明，该纬纱光电检测系统在精细织造领域具有良好的应用前景。

　　参考文献

　　[1] 徐青山，施亚贤.储纬器定长方法的研究[J].棉纺纺织技术，2003（2）：84-86.

　　[2] 刘武，叶振华.国外红外光电探测器发展动态[J].激光与红外，2011，41（4）：365-370.

　　[3] 沈丹峰，赵宁，张华安，等.纬纱红外光电检测方法与可靠性[J].纺织学报，2010，33（12）：75-79.

　　[4] 靳展，刘铮，林玉池.光电传感器特性参数测试系统的设计[J].传感技术学报，2012，25（12）：1678-1682.

　　[5] 李红波，闫琳.一种红外成像导引头通用信息处理平台[J].电子技术应用，2009，35（8）：43-46.