用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法技术

本发明专利技术公开的用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法，主要是利用设计的一种基于静电感应的、具有特殊结构的栅状电极传感器，采集纺纱运行状态信号，通过信号处理得到具有主频率fH、周期均匀一致的脉冲序列信号，再利用内嵌的微处理器对采集的信号进行检测与计算处理，得到锭子上纺纱运行的纱线断头、纱线线速、捻线捻度等数据，然后通过微处理器内集成的无线射频RF收发器将感知的数据信息发送至无线传感网中。本发明专利技术的用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法，不仅可以减少人力成本，而且可以主动、实时地监测锭子纺纱运行信号，其周期误差范围在±0.5微秒，提高了在线监测的速度和精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感
，具体涉及一种用于纺纱运行状态监测的传感器，以及利用该传感器所设计的无线传感节点，本专利技术还涉及采用上述无线传感节点进行纺纱运行状态监测的方法。
技术介绍
在纺织品生产过程中，实时监控产品的质量和成本是企业精细化管理中非常重要的内容之一，其中，纺纱运行状态的实时监测是纺织品质量成本控制和管理中最为关键的环节之一。目前，我国纺纱厂大都根据纺纱的捻线捻度和设定的纺纱机锭子转速，估算锭子上的纱线线速，通过人工来回巡查监视每个锭子出现的纺纱断头。但是，这些手段缺乏主动性、实时性和精确性，难以适应现代制造企业产品质量成本管理的需求。我国是纺织品制造大国，降低成本费用、提高产品质量是关系国计民生的大事。物联网技术的出现，为企业生产过程数据的精细化监管提供了重要的平台。它可以将生产管理的对象延伸至更小的“单位”，从感知、传输到智能处理，为企业生产过程管理提供更为全面、主动、实时的精细数据信息，也为产品质量的全程监控与追溯提供重要的数据依据，积极推进了企业管理能力的提升。然而，物联网的特征是以感知为目的，感知技术是物联网的核心技术之一，即不同的监控对象，需要不同的传感技术和监测方法。因此，研究开发一种势在必行。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于纺纱运行状态监测的传感器，实现锭子上的纺纱运行状态信号的在线自动采集，解决现有依靠人工监视手段所带来的成本高问题；本专利技术的另一目的是提供一种利用上述传感器所设计的无线传感节点对锭子上的纺纱运行状态进行在线自动采集、检测与计算处理，并通过无线传输技术传递至无线网中，送至上位机进行统计，给纺纱生产部门提供实时、准确的锭子纺纱运行状态信息，以解决现有监测手段所带来的时间滞后、不准确的问题；本专利技术的第三个目的是提供一种采用上述无线传感节点进行纺纱运行状态监测的方法，通过本专利技术的方法，主动、实时、精确地计算出锭子上纺纱的纱线断头、纱线线速、捻线捻度等数据，解决现有监测方法所带来的不精确的问题。本专利技术所采用的技术方案是:用于纺纱运行状态监测的传感器，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形。本专利技术所采用的另一技术方案是:用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，包括依次连接的传感器、信号处理模块、嵌入式微处理器及电源，嵌入式微处理器的输出通过无线传输技术与无线传感网连接；嵌入式微处理器选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片；所述的电源通过电池供电。本专利技术所采用的第三个技术方案是:纺纱运行状态监测方法，具体按照以下步骤实施:步骤1:当纱线以某一速度运动时，利用纱线携带的随机静电荷，经传感器的静电感应和空间滤波，获得一个含有频率分量的脉波和低频干扰的混杂信号，具体按照以下步骤实施:假设在纱线仅有一个点电荷，传感器的信号采集原理如下:(I)纱线以某一速度相对于传感器运动；(2)当该点电荷经过信号栅上的某一电极，即恰位于屏蔽栅的两个电极间隙处，那么，在该电极处产生电压信号，但它在其他邻近的电极处，即位于屏蔽栅的电极上，就无感应或很小的干扰感应电压信号；如果信号栅上的电极没连接在一起，那么，当纱线以某一速度经过传感器运动时，该点电荷在信号栅的每个电极上产生一个电压信号Us (t),而相邻的两个电极上产生的电压信号Us (t)和Us(t+1)将会有一个At的时间差；如果将信号栅上的所有电极连接在一起，那么，当纺纱运行未发生断头时，将在传感器的输出端得到一个具有周期为At的脉波电压信号队⑴，否则，将在传感器的输出端得到的是一个无脉波的电平信号,即意味着该锭子上的纺纱纱线出现断头；步骤2:信号处理模块对传感信号进行处理，即包括利用前置放大器对传感器采集的混杂信号进行放大，经高通滤波器的滤波处理消除前置放大器输出信号中的低频干扰信号，通过峰值放大器将高通滤波器的输出信号的幅值调制至限定的±0.7V幅值之间，利用比较器将峰值放大器的输出信号整形成脉冲序列信号，最后，通过锁相环的调频、调相作用，稳定锁住比较器输出的脉冲序列频率和相位，形成具有主频率fH、周期均匀一致的脉冲序列信号；步骤3:利用嵌入式微处理器对采集的纺纱运行状态信号进行检测，即包括利用CC2530中Pl端口的Pl.2引脚和定时器对信号处理模块中比较器输出信号的上升沿进行检测，若在定时时间内，没有检测到脉冲信号的上升沿，表明已出现纺纱断头，否则，正常；利用CC2530中PO端口的P0.0引脚和定时器对信号处理模块中锁相环输出脉冲序列信号的相邻上升沿间进行脉冲计数，检测纺纱运行信号频率，从中获取纺纱断头信号和纺纱运行信号周期；步骤4:利用嵌入式微处理器对检测的纺纱运行状态的信号进行计算处理，获取锭子上纺纱的纺纱断头、纱线线速、捻线捻度的数据，通过嵌入式微处理器内集成的无线射频RF收发器将感知的数据发送至无线传感网中；假设，电极间的间距是ΛΧ，那么，通过检测传感器输出信号的频率，即周期At，计算纱线的线速V:V = Δ χ/ At,根据纱线的原料、成份和规格，纺纱机的锭子转速η在运行前是事先设定的，所以，纱线抢线抢度twise计算式为:twise = n/v。本专利技术的有益效果是:1.本专利技术的，不仅可以减少人力成本，而且监测的锭子纺纱运行信号的周期误差范围在±0.5微秒，可提高在线监测的精确度；2.本专利技术的无线传感节点，不仅能主动、实时地采集和检测现场纺纱运行状态的信号，智能计算处理检测的数据信号，而且能与其他无线传感节点进行通信，组成一个有机的无线传感网络；3.本专利技术的无线传感节点，具有结构简单、成本低廉、体积小、重量轻、功耗低、实施简便以及便于产品化批量生产的特点。【附图说明】图1是本专利技术无线传感节点一种实施例的结构示意图；图2是IEEE802.15.4无线传输协议的数据帧格式；图3是本专利技术监测方法的处理流程图；图4是本专利技术传感器的结构示意图；[0031 ]图5是纱线通过传感器示意图；图6是传感器的基本采集原理图；图7是信号处理的结构示意图；图8是前置放大器接口示意图；图9是高通滤波器接口示意图；图10是峰值放大器接口示意图；图11是比较器接口示意图；图12是锁相环接口示意图；图13是经信号处理后各级电路输出的信号图；图14是嵌入式微处理器CC2530芯片接口示意图。图中，1.无线传感节点，2.传感器，3.信号处理模块，4.嵌入式微处理器，5.电源，6.无线传感网，7.前置放大器，8.高通滤波器，9.峰值放大器，10.比较器，11.锁相环。【具体实施方式】下面结合附图和【具体实施方式】对本专利技术进行详细说明。在纺织生产过程中，纺织纤维常常互相或与机器部件产生摩擦，致使在纺制的纱线上总是或多或少的积存一些静电荷。如果在一根运动的纱线旁放置一个感应电极，那么，在这个电极上就会出现微电压波动。因此，为了监测纱线的运行状态，借助于纱线上静电荷的这种感应作用，设计了一种具有特殊结构的栅状电极传感器，它可以提高对纱线上静电荷的感应敏感度，同时可以对由纱线上静电感应得到的电压信号进本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于纺纱运行状态监测的传感器，其特征在于，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形。

【技术特征摘要】
1.用于纺纱运行状态监测的传感器，其特征在于，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形。2.用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，包括依次连接的传感器(2)、信号处理模块(3)、嵌入式微处理器(4)及电源(5)，嵌入式微处理器(4)的输出通过无线传输技术与无线传感网(6)连接； 所述的传感器(2)，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形； 所述的信号处理模块(3)，包括依次连接的前置放大器(7)、高通滤波器(8)、峰值放大器(9)、比较器(10)及锁相环(11)。3.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的嵌入式微处理器(4)选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片。4.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的电源(5)通过电池供电。5.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的前置放大器(7)，由两个运算放大器LMC6482组成，一级作为跟随器，另一级是放大倍数为80的放大器。6.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的高通滤波器(8)由一个三阶高通RC网络和一个运算放大器LMC6482组成。7.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的峰值放大器(9)由一个运算放大器LMC6482和两个1N4453稳压开关二极管组成。8.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的比较器(10)由两个运算放大器LM339和两个RS触发器7400组成。9.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的锁相器(11)由一个锁相环HEF4046组成。10.纺纱运行状态监测方法，其特征在于，采用用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其结构为包括依次连接的传感器(2)、信号处理模块(3)、嵌入式微处理器(4)及电源(5)，嵌入式微处理器(4)的输出通过无线传输技术与无线传感网(6)连接；所述的嵌入式微处理器(4)选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片；所述的电源(5)通过电池供电； 所述的传感器(2)，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形； 所述的信号处理模块(3)，包括依次连接的前置放大器(7)、高通滤波器(8)、峰值放大器(9)、比较器(10)及锁相环(11)； 所述的前置放大器(7)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：石美红，段俊瑞，姜寿山，宇恒星，赵辉，韩田革，王臻跃，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：