摘要：介紹了自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)上常用傳感器的一般結(jié)構(gòu)和原理，以及各種傳感器在自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)上相關(guān)部件所起的作用，從而為整機(jī)的高產(chǎn)、高速、優(yōu)良的紗線品質(zhì)提供了保證。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)光電式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器電容式傳感器

Application of Sensors on the  automatic winder   

Ju Qingyun

                 (Qingdao Hongda Textile Machinery CO.,LTD)

Abstract  Describes the general structure and principles of commonly used sensors in the automatic winder, as well as the role played by the various sensors on the automatic winder parts, in order to provide a guarantee for the whole high-yield, high-speed, excellent yarn quality.

Key Words  Automatic winder  Optical sensor  Piezoelectric sensor

            Magnetoelectric sensor  Capacitive sensor

1、紡織企業(yè)對(duì)自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)控制系統(tǒng)的要求

在經(jīng)濟(jì)全球化和貿(mào)易自由化的環(huán)境之下，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都在積極發(fā)展本國(guó)和本地區(qū)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，而中國(guó)將在紡織貿(mào)易中占據(jù)巨大優(yōu)勢(shì)。為了提升紗線品質(zhì)，技術(shù)創(chuàng)新被越來越多的應(yīng)用到紡織紗線的生產(chǎn)中，新的紗線品種成出不窮，這對(duì)紡織生產(chǎn)設(shè)備提出了更高的要求。自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)作為紡紗工序中一道承上啟下的設(shè)備，對(duì)最終的產(chǎn)品質(zhì)量起到了至關(guān)重要的決定作用。由于投資較大，為了利潤(rùn)最大化，紡織企業(yè)要求自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下能夠做到高產(chǎn)、高速、節(jié)省用工。但是想要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，就要求自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)性以及反應(yīng)的快速性，這就對(duì)相關(guān)的電子元器件提出了更高的要求。而傳感器作為自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)上的重要電子元件，對(duì)最終的紗線品質(zhì)和整機(jī)更高的生產(chǎn)效率提供了堅(jiān)實(shí)的保證。

2、自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)上常用傳感器種類及相應(yīng)原理

2.1光電傳感器（光電開關(guān)）

以光電器件或傳播光路為敏感元件，將被測(cè)量通過光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化的傳感器。

2.1.1基本結(jié)構(gòu)

光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖1，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成.光電檢測(cè)方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測(cè)參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。

圖1光電傳感器基本結(jié)構(gòu)

                                                                              圖2                      

光電開關(guān)在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。

2.1.2分類和工作方式

1）槽開光電開關(guān)把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。

2）對(duì)射式光電開光若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開關(guān)就稱為以射分離式光電開光，簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

3）反光板反射式光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

4）擴(kuò)散反射式光電開關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當(dāng)檢測(cè)物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。

2.2壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（或發(fā)電型傳感器）。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力，壓力，加速度等。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來壓電測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。

2.2.1壓電效應(yīng)

某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。

2.2.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見圖（a）

圖3陶瓷極化過程示意圖

2.2.2壓電陶瓷材料

壓電陶瓷主要有以下幾種：

1）鈦酸鋇壓電陶瓷

鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。

它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點(diǎn)溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。

2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）

鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料

3）壓電半導(dǎo)體材料

壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS、ZnO、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)。

4）高分子壓電材料

某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。

2.3磁電式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱電動(dòng)勢(shì)式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的。它是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為10～1000Hz)，所以得到普遍應(yīng)用。

2.3.1恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器工作原理

恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)——線圈切割磁力線而產(chǎn)生。磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度v成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，其大小為

B穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；v導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，N、B和l均為恒定值，E與dx/dt成正比，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小就可以知道被測(cè)速度的大小。

2.3.2變磁通式磁電感應(yīng)傳感器工作原理

當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率dφ/dt關(guān)系為

變磁通式磁電感應(yīng)傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)有開磁路和閉磁路兩種。

如圖所示開磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器。測(cè)量齒輪4安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上與其一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凹凸引起磁阻的變化，從而使磁通發(fā)生變化，因而在線圈3中感應(yīng)出交變的電勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速n的乘積，即 式中：Z為齒輪齒數(shù)；n為被測(cè)軸轉(zhuǎn)速(v/min)；f為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率(Hz)。這樣當(dāng)已知Z，測(cè)得f就知道n了。

2.4電容式傳感器

電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。

2.4.1工作原理及類型

電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容器和測(cè)量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。

                                                                       圖5

由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，對(duì)圖示平行極板電容器，電容量為

                                                                      圖6

可見：在S、d、ε三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量C改變。也就是說，如果被檢測(cè)參數(shù)(如位移、壓力、液位等)的變化引起S、d、ε三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量。

3、傳感器在自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)上的應(yīng)用

3.1光電傳感器探測(cè)管紗、筒紗紗線有無

自絡(luò)機(jī)上在接近管紗位置有一槽型光電傳感器，用來探測(cè)管紗紗線有無，進(jìn)而判斷是否執(zhí)行換管動(dòng)作，每次剪切都做判斷。在筒紗吸嘴吸風(fēng)管道內(nèi)同樣裝有一槽型光電，用來判斷大吸嘴是否吸到筒紗紗頭，只有吸到時(shí)才動(dòng)作，否則一直吸。光電的應(yīng)用可以避免無效動(dòng)作，節(jié)約能源，降低壓縮空氣的浪費(fèi)。

3.2壓電陶瓷傳感器探測(cè)紗線張力

為了保證良好的筒紗成型和均勻的筒紗密度以利于后道工序退繞，張力傳感器即時(shí)檢測(cè)紗線張力，上位機(jī)相應(yīng)控制張力盤張力實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制，這樣可以保證紗線在纏繞過程中始終維持相對(duì)恒定的張力，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3磁電式傳感器檢測(cè)筒紗速度、零點(diǎn)定位、空管輸送帶是否卡管

由于筒紗在纏繞過程中容易出現(xiàn)重疊區(qū)，為了實(shí)現(xiàn)電子防疊，就需要即時(shí)檢測(cè)筒紗速度并與槽筒速度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而控制槽筒加減速，實(shí)現(xiàn)防疊。在筒紗大端旋轉(zhuǎn)輪內(nèi)裝有三個(gè)磁鋼，觸發(fā)傳感器進(jìn)行測(cè)速。

為了保證大小吸嘴、捻接器、換管部件步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，需要確定各電機(jī)的初始零點(diǎn)位置。磁鋼被加到大小吸嘴的相應(yīng)位置，當(dāng)大吸嘴傳感器被觸發(fā)即執(zhí)行槽筒倒轉(zhuǎn)和風(fēng)門打開等其他動(dòng)作；小吸嘴傳感器被觸發(fā)等待大吸嘴將筒紗送入捻接器后再動(dòng)作，并保證送紗桿按相應(yīng)時(shí)序動(dòng)作。

空管輸送帶從動(dòng)輪上加裝傳感器監(jiān)控輸送帶是否正常工作，是否卡管，發(fā)生故障能夠做到及時(shí)報(bào)警。

3.4光電式和電容式電子清紗器檢測(cè)紗線紗疵

電子清紗器作為自絡(luò)機(jī)的重要部件，除了能夠按照設(shè)定的工藝清除各級(jí)紗疵以外，還能對(duì)紗線品質(zhì)進(jìn)行全程監(jiān)控，分析紗疵產(chǎn)生原因，幫助整改前紡設(shè)備。

電子清紗器探頭有光電式和電容式兩種。光電式電子清紗器在現(xiàn)場(chǎng)使用中受纖維種類混紡比例、溫濕度等的影響較小，但是它易受紗線扁平度、色度、檢測(cè)區(qū)積灰及外來強(qiáng)光等因素的影響。而電容式電清受溫濕度影響較大，在高溫高濕的地區(qū)和廠家不宜使用。

紡織生產(chǎn)中，紗疵是不可避免的，但并不是所有的紗疵均要清除。電子清紗器的功能在于把大量的無礙紗疵予以通過，而將有限的有害的紗疵加以清除，即電子清除器能夠按紗的質(zhì)量、產(chǎn)品等級(jí)等工藝要求，根據(jù)紗線的不同直徑和長(zhǎng)度兩個(gè)工藝參數(shù)自行鑒別和清除規(guī)定的紗疵。

4、結(jié)語

隨著多種傳感器技術(shù)不斷地發(fā)展和應(yīng)用，使得自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)的各項(xiàng)功能更加完善，生產(chǎn)效率更高，為減少更多的用工，為提高最終的產(chǎn)品質(zhì)量，為滿足紡織企業(yè)日益增長(zhǎng)的需要提供了有力保障。