一种自适应测量距离的细纱机断线检测传感装置技术领域
本发明涉及测量距离的检测传感技术，尤其是纺织行业细纱机工作时纱锭断线的实时检测。
背景技术
随着纺织行业的快速发展，实现细纱机断线检测的传统方式--人工巡检，由于存在工作强度大、效率较低的弊端，已经无法满足行业需求。为此很多纺织技术人员做了大量科研工作，探索如何自动检测细纱机的纺线断线。
目前，一种可以实现细纱机断线检测的方式是采用光电式断线传感器，即传感器发射头工作时射出一束光束，该光束穿透检测区域将光斑投射的光电接收头上，断纱传感器通过光电探头获取动态的开关信号，当有断纱通过光束时，检知器会通过相应的接口输出有效信号。由于细沙纺机的纱线很细，纺纱车间灰尘多等因素的影响，在使用中误报率偏高，该方式在实际的断线检测中应用很少。
另一种实现细纱机断线检测的方式是采用电磁方式，将被磁化的钢圈作为检测目标。这种方法的检测效果受钢圈磁化效果的影响较大，随着使用时间的增加，钢圈的剩磁变化较大，分散性相应加大，检测结果的精度和可靠性会逐渐降低，其电磁检测电路简单，虽然磁化后的钢丝圈对线圈的影响比没有磁化前成倍增加，但信号还是很弱，检测距离受到影响，一般低于5mm，误报率高。
有的采用图像处理技术实现纱线断线检测的方式，即将反射式光电传感器置于导纱钩和纱管之间，探测纱线运动状态，从而达到检测纱线断纱的目的。该方法不足之处：由于需要依靠光发射器和接收器实现信号的采集，结果容易受到纺织场所内光线发射和接收装置之间漂浮纤维和其他飞尘影响，导致误报；长时间工作在生产车间内，光发射和接收探头容易附着大量油污和微尘，导致传感器的识别率下降；由于细纱机纱锭数目众多，机构复杂且工作空间狭小，清洗光线发射和接收装置的探头费时费力，影响正常工业生产。但是由于细纱机工作时机体占空间大线距宽，故实现成本偏高，很难在实际中实现规模化应用。
最近出现了一种方案是使用永久磁铁及传感线圈作为检测的敏感元件，永磁体在前，线圈在后组成传感器，传感器靠近钢领，当钢丝圈经过传感器时，永磁体磁路的磁通发生变化，从而在传感器线圈上感应出信号电压，实现纱线断线检测。该方案不足之处：永磁铁靠近钢领会对钢领及钢丝圈有磁化作用，钢丝圈经过时永磁铁对钢丝圈有吸引力，阻碍钢丝圈的运动，改变了纺纱机原来无阻力的运动状态，长时间运行会增加断线概率；另外，传感器安装在细纱机的铁质台面上，永磁铁的磁力线会向磁导率更高的铁质台面聚集，导致传感线圈所处空间内磁力线密度减小，降低检测的灵敏度和有效检测距离，实际检测距离很难超过5mm。由于细纱纺织机台很难改造为非铁质材料，这些干扰因素很难排除。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置，实现细纱机断线的长距离（2-10mm）、实时精确检测。
本发明利用电涡流效应实现细纱机断纱检测。钢丝圈与钢领是细纱机原有的机构组成零件，所述装置工作时，所述传感器感应线圈需要安装于钢领轨道外侧有效检测范围内。检测传感装置内部包含传感器线圈及支架、可感知磁场微小变化的检测电路和自适应传感器距离变化的信号处理电路，可以探测到所述钢领上钢丝圈的周期运动。
实现本发明细纱机断线检测的技术方案如下。
1、断线检测电路。
（1）线圈传感器作为振荡电路的电感，振荡电流流过线圈，在周围产生交变磁场，钢领上产生电涡流，当钢丝圈经过时，电涡流会发生变化，改变线圈的阻抗和等效品质因数，振荡电压发生变化，钢丝圈根据电压信号调制振荡信号。
（2）将步骤（1）产生的电压信号进行解调，进行滤波处理。
（3）将步骤（2）中的电压信号进行具有自动增益控制的放大处理。
（4）将步骤（3）中的电压信号通过比较器进行变换，使步骤（3）中的电压信号变成一定频率和幅度的矩形波，该方波频率即为钢丝圈绕钢领旋转的频率。
（5）对步骤（4）中的矩形波信号，进行频率判断。
（6）所述步骤（5）之后，若方波频率高于设定值，则传感器输出端输出持续的低电平信号，表示没有断线。
（7）所述步骤（5）之后，若无方波，频率为0，则传感器输出端输出高电平信号，表示断线。
2、采用超薄感应线圈。
（1）根据文献仪器仪表学报，2007年6期，于亚婷，杜平安等文章“线圈形状及几何参数对电涡流传感器性能的影响”可知，线圈匝数一定时，内径越大、外径越大、厚度越小，传感器阻抗提离高度变化梯度越大，即灵敏度越高，线性范围越小；当线圈匝数密度相同时，线圈内径越小、外径越大、厚度越大时，传感器的灵敏度越高，线性范围越小。
（2）在（1）实验数据的基础上，选择0.1mm线径、厚度小于0.3mm的超薄线圈，灵敏度高，线性范围较大，满足了测量需求。
3、采用自动增益控制的放大电路。
（1）为了实现信号放大倍数在一定范围内根据信号的大小自动调节，需要采用自动增益控制放大对信号进行处理。传感器线圈距离钢领近信号就大，放大倍数就小一些，距离远信号就小，放大器的放大倍数就大一些，使得传感器在一定距离（10mm）范围内，都能检测钢丝圈经过的信号。根据本发明的第一方面的实施例，提出一种自动增益控制的放大电路，包括第一级自动增益放大控制器（13）和第二级自动增益放大控制器（14），所述第一级自动增益放大控制器（13）中电阻R3两端连接放大器的反相输入端和信号输出端，电阻R2、R4、Rw及场效应管Q1和二极管D1、电容C4组成的反馈回路与电阻R3并联实现第一级级信号放大的自动增益控制；所述第二级自动增益放大控制器（14）中电阻R7两端连接放大器的反相输入端和信号输出端，电阻R8及并联的二极管D2、D3组成的反馈回路与电阻R3并联实现第二级信号放大的自动增益控制。
（2）进一步的，根据所述第一级自动增益放大控制器（13）的电路，Q1栅极电压为0V时，漏源等效电阻近似导通状态，当放大器同相输入端输入电压信号达到一定幅值，二极管D1导通，电阻R2、R4、Rw及场效应管Q1和二极管D1、电容C4组成的反馈回路决定放大电路的增益。号小时，栅极电压小Q1漏源间等效电阻小，放大倍数大，反之，放大倍数就小。
（3）进一步的，根据所述所述第二级自动增益放大控制器（14）的电路，当放大器同相输入端输入信号信号小时，D2、D3不导通，放大倍数有R7、R5决定，放大倍数大；信号大D2、D3等效电阻变小，反馈电阻由R8和二极管D2、D3等效电阻串联后等效电阻再与R7并联决定，放大倍数变小，所以起到自动增益控制，整个第二级电路仅使用了一个放大器和电阻及二极管，结构简单、体积较小、成本极低。
（4）进一步的，根据（2）、（3）自动增益控制，传感器距离钢丝圈距离在2-10mm间距变化时，使得输出信号能稳定工作。
（5）进一步的，R9、R10、R11、R12与运放组成迟滞比较器，将放大后信号转换成方波输出。
本发明与现有应用技术相比，具有很多优势。
处理电路集成在断线检测传感器内，集成度高、所占空间小，安装后不影响原有工位空间。
不用改造细纱机任何部件，安装传感器后不对细纱机正常工作产生无任何影响，保证原来正常工作。
检测范围大较大：传感器距离钢丝圈在8mm内能稳定检出信号，不影响工人人工接线。
抗干扰能力强，不受工作场所环境内飞尘和油污等介质的影响。
体积小，安装改造方便快捷。
附图说明
图1为本实例的应用原理示意图。
图2为图1中的断线检测传感装置结构示意图。
图3为图1中的断线检测传感装置中自动增益控制放大电路部分的原理图。
具体实施方式
结合实际使用案例和说明书附图对本发明作详细说明。
如图1、图2所示，本实例包含细纱工作平台上的钢领4、卡扣在钢领轨道3上的钢丝圈7、通过导纱钩5引出的细纱线6穿过钢丝圈7缠绕在纱管1上。所述断线检测传感器8设在所述钢圈上边沿轨道3水平面外侧5mm处，所述断线检测传感装置8包含感应线圈10、壳体9、导线11以及信号处理电路12。
工作过程中，细纱线6先穿过钢丝圈7后在纱管1上进行缠绕，纱管1在锭杆旋转带动下高速旋转，细纱线6就缠绕在纱管1上，在加捻的过程中，细纱线6带动钢丝圈7在钢领轨道3上作高速周期圆周运动。
对于已经放置好所述断线检测传感器的细纱机，在钢丝圈7沿着钢领轨道3周期转动过程中，我们分析其中一个完整的运动周期内断线检测传感器输出信号的变化情况。
当钢丝圈7位于断线检测传感装置8最远的位置并由此开始进入一个新的运动周期。所述断线检测传感装置8前端装有一个扁平状的感应线圈10，电源供电后由集成的高频振荡电路产生高频正弦激励信号，此时感应线圈10周围空间内会产生交变磁场，处于磁场内的金属导体表面则产生电涡流，即线圈正对钢领部分产生电涡流。该电涡流会在金属表面产生交变的感应电流，此电流会产生一个方向与前述交变磁场方向相反的交变磁场。该磁场会反作用于感应线圈10，使得感应线圈10的等效阻抗及品质因数发生变化。
钢丝圈7在细纱线6带动下从距离断线检测传感器8最远端向最近端转动过程中，钢丝圈7与感应线圈10之间的相对距离不断缩小，受原有交变磁场激励钢丝圈上也会产生电涡流，电涡流的交变电流值随着距离变小而增加，产生的交变磁场强度不断变大，对原有交变磁场的反作用越来越大。当钢丝圈7处于感应线圈10交变磁场检测范围之外时，振荡器回路谐振于振荡电路固有频率，感应线圈10等效品质因数检波输出电压最大。当钢丝圈7逐渐接近感应线圈10时，感应线圈10等效品质因数和电感发生变化，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波输出电压幅值变小。当钢丝圈7处于距离感应线圈10最近位置时，输出电压达到最小值。
由此可见，钢丝圈7在细纱线6带动下转过一周，感应线圈10两端的电压就会产生一个周期的变化，电压输出端的电压由最大值降低到最小值然后恢复到最大值。
由于正常运转的细纱机上各纱锭的转动速度始终处于一定范围内，因此，在细纱线6带动下被动旋转的钢丝圈7也会以一定的速度在钢领轨道3上旋转运动。这样，感应线圈10两端电路电压输出端就会输出一个有规律的交变电压信号。
倘若出现了细纱线6断线的情况，细纱线6无法继续带动钢丝圈7继续周期运动，在惯性作用下的钢丝圈7会作减速圆周运动直至停止。传感器感应线圈10输出的交变电压信号变化周期变长，钢丝圈7停止运动后，该交变电压信号也将不再继续波动。这样就实现了对细纱机细纱线6断线的检测。对于感应线圈10采集的电压波动信号，经过滤波整流和自动增益放大处理，然后进行波形的变换即可得到标准的矩形波信号。矩形波信号的周期变化反映了钢丝圈7转速的变化。利用该矩形波信号作为触发器的触发信号，设定可重触的单稳态触发器的脉冲延时大于细纱机额定转动周期，就可以通过前端电路输入的信号判断出细纱机的断线状态。
当细纱机的细纱线6未断线时，钢丝圈7转动的周期小频率高，可以使触发器始终处于高电平状态；若细纱线6断开时，触发器输出持续的低电平信号。这样，细纱机断线信息就转化成了触发器输出的电平信号。传感器输出信号为高电平时表示细纱机运转正常，传感器输出信号为低电平时表示细纱机发生断线。
根据实际生产应用收集的数据，在传感器有效检测距离内，细纱机断线时传感器及时检测到断线的准确率可以达到100%，即所有的细纱机断线状况都触发了传感器输出信号的变化，并且未出现误报的情况。