线激光纱线阴影传感断头传感器
Eldar Musa
乌鲁达格大学电子工程系工程与建筑学院
土耳其Bursa 16059
eldar@uludag.edu.tr
摘要：在这篇文章中，提出了一种基于线激光的纱线断头传感器。在该传感器中，纱线被放置在纱线平面一侧的线激光器照亮。将屏幕放置在另一侧，摄像机检测屏幕上形成的图像。将纱线总数与纱线所形成的阴影总数或纱线之间的距离所形成的光点总数进行比较。如果检测到的纱线总数大于由于纱线之间的距离而形成的阴影或光点的总数，传感器就会发出断裂警告。该方法仅利用纱线形成的光斑或阴影进行评价。因此，纱线的类型、结构、颜色或尺寸不会影响结果。
文章介绍了一种由屏幕和电荷耦合器件(CCD)摄像机组成的线激光断纱传感器的设计原理。屏幕显示由纱线和因为纱线之间的间隔产生的光点而形成的阴影。CCD摄像机检测屏幕上的图像。既解释了纱线产生阴影的原因，也得到了表示阴影尺寸的解析公式。传感器的检测面积是与纱线总数、纱线厚度和纱线之间的距离相关。得到了线激光的辐射角和光斑强度与探测区域宽度和线激光放置高度的关系方程。屏幕的长度是根据纱线的数量和激光、纱线平面和屏幕的位置来确定的。
文章讨论了线激光器(发射机)、屏幕和CCD相机(接收机)相对于纱线平面的不同放置情况。开发了一个实验装置来测试该系统。研究了在屏幕上形成的图像。
关键词：纱线 断裂 传感器 线激光 CCD
1.引言
可采用电容式[1]、压电式[2]、视觉式[3,4]、光学式[5-10]等方法设计断纱传感器。断纱传感器的简化图如图1所示,(a)电容式传感器,压电传感器,(b) (c)相互地放置光学传感器,(d)反射光学传感器,(e)相互地放置一条光学传感器检测纱线组，(f)相互放置的双线光学传感器检测纱线组，(g)线激光光学传感器检测纱线组,图中，“1”表示被探测到的纱线,“T”表示发射器,“R”表示接收器,“T1”和“T2”分别表示第一和第二发射器，最后“R1”和“R2”分别表示第一和第二接收器。
电容传感器[1](图1a)检测纱线产生的电容变化。由于纱线的尺寸较小，会产生很小的电容变化，因此必须选择电容传感器的尺寸非常大，或者必须使电子信号处理电路非常灵敏。如果灵敏度增加，外部变化会影响检测。
压电断纱传感器[2](图1b)检测纱线的机械运动。因此，这种传感器对外界变化也很敏感。电容式和压电式传感器一般只检测一根纱线。当纱线数量增加时，传感器的数量也必须增加。
光学传感器[5-10]可以逐个检测纱线(图1c、d)。光学传感器可能具有相互放置的结构(图1c、e、f、g)、反射结构(图1d)或基于线激光的结构[10](图1g)。光学传感器由发射器和接收器组成。
在光学传感器中，发光二极管或半导体激光器可作为发射器，光电晶体管或光电二极管可作为接收器。在逐条检测纱线的传感器中，纱线振动对检测有显著影响(图1c和d)。
仅利用一条射线的光学传感器(图1e)对纱线进行分组检测。当其中一根纱线断裂时，在接收端输出一个断裂信号，然后执行所需的操作。在互置的单射线光学传感器模式中，必须非常精确地放置发射器和接收器。纱线振动对这种传感器的检测也有影响。
图1 纱线断头传感器简图
在双射线光学传感器(图1f)中，有两个收发对。其中一个放在纱线上面，另一个放在纱线下面。当断线切割光线时，在接收器的输出端产生断线信号。在这些传感器系统中，断纱必须至少切断一条射线。由于断纱点的变化，纱线可能不在检测区域，在这种情况下可能无法检测到。
在线激光断纱传感器中，线激光照射纱线(图1g)。对纱线上的激光构成的光点进行计数，并与之前记录的数目进行比较。在纱线厚度非常小的情况下，光点检测可能比较困难。此外，纱线的颜色和结构也会影响这种方法的检测。
以往的研究表明，对纱线进行分组检测更具优势。因此，要将纱线作为一个整体检测，必须使用线激光器。今天，具有所需特性的线激光器可以很容易地设计出来[11-13]。线激光器用于各种测量、测试和跟踪系统[14-16]。这种可用性使此类系统的研究成为可能，并提供了新的传感器开发。
2. 线激光纱线阴影传感断裂传感器的研制原理
该传感器的一般光学结构如图2所示。激光可置于纱线平面的一侧，CCD摄像机和屏幕可置于纱线平面的另一侧，对于纱线使用的机器的结构来说是方便的。放置机器的房间的地板或天花板可以用作屏幕。根据纱线平面，如图3所示为激光和相机的布置形式。根据这一检测原理，可以检测出纱线所形成的阴影和纱线之间的距离所形成的光点。因此，必须分析阴影的形成。让我们用图4所示的图来理解这个结构。利用这个图，阴影长度可以用下面的公式来计算[16]:
（1）
如式(1)所示，阴影长度(Ka)可随着距离的增加而增加，如果纱线直径(a)较小，则可通过选择适当的h值进行适当的放大。考虑纱线总数(2N 1)、纱线直径(a)、纱线间距(b)，检测区域长度(L)为
（2）
式中N为纱线总数。若要从距离H处探测到该区域，需要的激光辐射角如下:
（3）
如果给定激光器与纱线平面的距离(H)、屏幕与纱线平面的距离(H)、纱线总数(N)、纱线直径(a)、纱线间距(b)，则屏幕长度(LE)为:
（4）
利用最后一个方程，可以确定纱线断头检测系统的结构尺寸和电性能。
3. 基于线激光的纱线阴影传感断裂传感器的实验研究
图5所示为用纱线形成的纱线颜色探测系统。本实验采用0.5 mm厚的棉纱。纱线间距选择为4mm。
纱条形成的阴影和纱条间距形成的光点如图6所示。该方法的优点是检测不受纱线颜色的影响，且易于检测直径较小的纱线。
图2基于线激光器的半导体线激光器纱线断头传感器的一般光学方案(1)，CCD摄像头(2)，激光光束线(3)，纱线检测(4)，光点构成纱线(5)，屏幕(6)，光点之间的激光束通过由两个相邻纱线(7)，纱面和屏幕之间的距离(h)，激光和纱平面之间的距离(h)，激光波束宽度纱线(m)，纱线宽度(a)，两个相邻纱线(b)之间的距离，纱线组宽度(纱线上的线激光束长度)(L)，激光束辐射角()，屏幕长度()，纱线速度(V)。
线激光器(发射器)和CCD摄像机放置在距纱线平面H的位置。线激光器在屏幕上形成光点，CCD相机检测这些光点。计算阴影或光点的总数。如果光斑的总数与纱线的总数不同，传感器就会产生一个警告信号。纱线总数最初记录在检测器的内存中。
基于激光的纱线断头传感器具有以下特点:可以对纱线进行分组检测，可以检测移动或无移动的纱线，传感器结构简单，可以在任何机器上部署，传感器检测区域容易改变。
为了检测纱线引起的光斑，必须放置CCD相机，使最小光斑强度达到CCD相机能够检测到的水平。
通过改变激光电流可以得到所需的光强。CCD相机接收器检测屏幕上光点的数量，并将其与内存中最初记录的纱线数量进行比较。当光斑数等于记录的纱线数时，系统正常运行。当一根纱线断裂时，检测到的光点数量与记录到的纱线数量不同，并在CCD相机接收器的输出端产生一个警告信号。利用这个信号，可以完成所需的操作，即停止生产纱线的机器。
在实验装置中采用了来自LANICS (LM-6505NDW)的线激光器作为透射器。激光模块的一些重要参数如表1所示。所选激光模块的图像如图7所示。
图3相机和激光器的布局示例。线激光器放置在纱线平面的上侧，屏幕和摄像机放置在纱线平面的下侧(a)，相反为图(b)
所选激光模块的图像如图7所示。系统采用Olivetti公司的CCD相机(300S-F USB PC相机)作为接收机。CCD相机的一些重要特性如表2所示。摄像头的图像如图8所示。使用相机的USB连接电脑，可以同时在电脑屏幕上看到光点和阴影。
CCD相机的输出直接与微处理器相连。由摄像头计算出图像中阴影的总数，并将其与纱线的总数进行比较。纱线总数最初记录在系统内存中。如果纱线的数量大于阴影的数量，就会产生一个警告信号，机器就会停止运转。执行这些操作的传感器的框图如图9所示。
图4定义待测纱线阴影形成的示意图，显示纱线下放置的屏幕(6)，由纱线之间的距离、纱线平面与屏幕之间的距离(h)以及纱线形成的阴影长度(Ka)形成的光束(7)。
表1 LM-6501NDW型激光模块的一些重要参数。
图6由于屏幕上纱线之间的距离，摄影用纱线和光点形成阴影。
图5检测纱线阴影系统的总体图像，显示线激光器(1)、CCD相机(2)、纱线组夹头(3)、待测纱线(4)、实验装置垂直夹头(5)、装置底座(6)。
图7激光模块的图像
表2 300S-F型USB PC相机的一些重要参数。
图8 CCD相机的图像。
用“4”和“5”按钮记录检测纱线的总数;记录的数字可以在显示器上看到。直线激光在屏幕上形成光斑和阴影。纱线形成阴影，纱线之间的距离形成光点。CCD相机捕捉光斑和阴影，将图像数据发送到微处理器。微处理器处理图像并确定检测到的纱线总数。将这个数字与之前在内存中记录的数字进行比较。如果这两个数字相等，晶体管“T3”保持饱和并关闭继电器触点。按下机器的启动按钮(图9中没有显示)，机器开始工作，传感器连续比较总阴影数与之前记录的数字。若无断纱，T2饱和，绿色LED显示LG正常工作。
当其中一根纱线断裂时，检测到的阴影总数与记录的数目不同。微处理器检测到这种情况，使晶体管“T1”传导，晶体管“T2”和“T3”切断，继电器触点打开，机器停止。红色LED“LR”警告中断。断头纱的数量显示在显示器上，很容易找到断头纱。
当激光与纱线平面的距离(H)减小，屏幕与纱线平面的距离增大时，纱线的强度增加。因此，可以很容易地检测出直径较小的纱线。在之前的检测方法中，检测纱线形成的光斑，利用这些光斑检测断裂的纱线。在该方法中，纱线直径越小，光斑直径越小，检测难度越大。此外，纱线的性能(颜色、结构等)影响检测。在该方法中，只使用屏幕上的阴影进行检测。纱线的类型、结构或颜色不影响结果。
图9框图的传感器表示微处理器(1)，CCD相机(2)，显示(3)，位置选择按钮(4)，以写入要检测的纱线总数的按钮(5)，激光驱动电路(6)，线激光(7)，激光(8),待测纱线（9），屏幕(10), 纱线在屏幕上形成的阴影(11)，由于相邻纱线之间的距离而形成的光点(12)，USB连接端口(13)，线激光器与纱线平面之间的距离(H),屏幕和纱平面之间的距离(h)，纱线阵列的宽度(L)，线激光辐射角()，微处理器控制的双极晶体管在开关状态下工作(T1、T2和T3)，断裂时红色LED (LR)警告，绿色LED (LG)指示正常工作，基极电阻(R1, R2, R3)驱动晶体管饱和，LED电阻限流(R4, R5)，继电器(RL)，继电器(RL1)的开关触点，以及与机器的启动停止电路相连的端子(AA)。
所开发系统的优势:
1. 检测区域调整方便。
2. 无需为每根纱线使用单独的传感器(降低系统成本)。
3.它的结构很简单。
4.它可以轻松地部署在任何机器上。
5.只有系统中使用的CCD相机的动作时间才有限制。
6.纱线成组被检测。
7.系统不受纱线速度的影响。
8.静态(不动纱)和动态(动纱)检测是可用的。
9.系统不受纱线直径和颜色的影响。
该方法可作为纺织或电缆行业的断裂传感器，用于检测纱线、导线、绝缘电缆、光缆等材料。
4.结论
设计了一种基于激光的断路传感器。在该系统中，线激光照射在纱线阵列上。由纱线形成的阴影和由纱线之间的距离在屏幕上形成的光点被摄像机(接收器)检测到。
纱线的总数与光点或阴影的总数进行比较。如果纱线数大于光点数(或阴影数)，则产生警告信号。设计的纱线断头传感器可以在纱线运动或静止时检测纱线的存在。
介绍了该系统的设计原理，提出了利用纱线直径、纱线总数、纱线间距和激光放置高度计算波束角和筛分尺寸的要求。
给出了线激光器、荧光屏和CCD相机相对于纱线平面布置的不同光学方案。研制了传感器的实验装置，并给出了屏幕上光点的照片。
在提出的方法中，只利用屏幕上的阴影进行检测。纱线的类型、结构或颜色对结果没有影响。利用三角激光，将纱线插在荧光屏和激光器之间，实现了阴影长度的放大。使用直径较小的纱线，通过将屏幕放置在离纱线较远的地方，可以获得较长的阴影长度。因此，可以增加放大和更容易的检测。并给出了放大参数的计算公式。
在本研究中，实验仅限于检测纱线在屏幕上形成的阴影。未来的工作可以在工业环境中进行。在织布机上可以研究各种纱线的类型和距离，可以使用图像处理方法。
参考文献
[1] Viacute;tor Carvalho，Pinto Joseacute;，Monteiro Joatilde;o L，Vasco
资料编号：[5940]
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