基于虚拟仪器的纬纱动态张力检测系统
日期：2008-9-26 17:01:30 来源：中国自动化网
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在织物的生产过程中，纬纱张力是一个非常重要的因素，其大小直接影响着半成品和成品的质量。此外，纬纱张力在整个引纬过程中不是一个恒量，而是一个波动的量。因此，为了真实地反映纬纱张力大小及其变化规律，有必要对纬纱张力进行动态测试并记录其变化过程，以便分析原因，寻求合适的引纬工艺参数，采取必要的措施，使纱线张力控制在对提高纱线质量和设备利用率有利的范围之内，同时为评价设备性能提供依据。
本文在分析了织机测试实验室现有的纬纱张力测试系统的构成、原理和存在问题的基础上，应用了虚拟仪器技术，开发了一种新型的用于喷气织机的纬纱张力检测系统，这是虚拟仪器在新型织机机械性能检测方面的最新应用，促进了织机动态性能检测水平，也扩展了虚拟仪器技术的应用领域。
1 传统纬纱张力动态检测系统
1．1 系统的测试原理
一般实验室和工厂常用的是电阻应变式纱线张力测试系统，该系统是以电阻应变式传感器为核心的测试系统，将电阻应变片与电桥盒相连接，组成半桥测量电路，再与动态电阻应变仪、L23函数记录仪(或光线示波器)相连接，构成纱线张力动态测试系统。
在织造过程中，随着纬纱张力的变化，与纬纱接触的悬臂梁相应的产生与张力成比例的应变，而使电阻应变片产生相应地变形，并输出相应的△R／R，因而电桥的平衡被破坏，由电桥的输出端输出放大的电压信号，该电压信号再经动态电阻应变仪放大、检波，滤波后，输出一个放大的、与应变成比例的电压信号，最终由函数记录仪在感光纸上描绘成脉冲图形。
1.2存在的不足
(1)在电阻应变片式传感器的制作过程中，尤其是应变片粘贴时存在大量手工劳动，因此，产品质量很不稳定；
(2)函数记录仪的响应时间较慢，对高频信号不能及时记录，容易引起测试误差，难以应用在高速、阔幅的新型织机上。
(3)传统的张力测试仪大多只能提供纱线张力的平均值变化情况，只能对纱线的张力给出大致的估量。要得到张力的频域变化情况及其分析结果，必须借助于光线示波器、频谱分析仪等以及相关的控制和接口电路来实现，成本高，调试、操作与维护麻烦，而且测量结果不准确。
2 虚拟纬纱张力动态检测系统的开发
2．1 虚拟仪器简介
2．1．1 虚拟仪器
虚拟仪器(简称V1)就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
2．1．2 虚拟仪器的构成
虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素组成的.计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。VI系统有多种构成方式，即可以采用不同的总线及其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。以上系统的构成都是通过应用软件(包括应用程序和I/O接口仪器驱动程序)将仪器硬件与通用计算机相结合，其中，PC—DAQ测量系统是构成VI的最基本、最廉价的方式。
2．1．3 Labwindows／CVI系统开发平台
虚拟仪器编程语言Labwindows／CVI是利用虚拟仪器技术开发的32位面向计算机测控领域虚拟仪器的软件开发平台，可以在多操作系统(如Windows 98/NT/2000，Mac OS和Unix等)下运行，它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和仪器库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。
2．2 虚拟纬纱张力动态检测系统的开发
2．2．1 硬件系统构成
将织机储纬器与导纱架之间的纬纱穿过手枪式张力传感受器，经过动态应变仪将信号放大，同时用霍尔传感器从织机主轴上取出转数和角度信号，两路信号同时输入计算机，通过测试软件的分析和处理，并在屏幕上绘出纬纱张力的测定曲线，便可得出纬纱张力情况。该系统的测试框图如图l所示。
2．2．2 软件结构设计
在LabWindows/CVl5.0开发环境中实现的虚拟仪器应用软件有三个主要功能：实现虚拟仪器面板，实现对I/O接口设备的驱动和控制，实现测试功能的信号处理与分析。通过编制这些具有测试功能的应用程序，就可以构成用户所需要的测试仪器。下面介绍本测试系统的有关功能的实现。
(1)虚拟仪器面板设计
用户界面编辑窗口是用来创建、编辑用户界面的，它所形成的文件为*．uir文件。用户界面相当于真实仪器的操作界面，一个用户界面文件至少要有一个面板(Panel)以及在面板上的各种控件元素(ControlElement)。图形用户界面编辑窗口提供了非常便捷的创建、编辑面板和控件的安放、控件属性的设置等功能，可在短时间里创建出符合要求的图形界面。本测试系统图形用户界面编辑窗口，包括仪器总开关、采集数据、保存数据、读取数据、关闭仪器(清除界面，准备下一次测试)等主要操作按钮，还有供修改测试仪器参数的对话框，如采样点数、采样频率、通道号选择等，用户可以在不必了解程序内部结构和代码的情况下方便地更改仪器参数，使仪器具有更好的通用性。
(2)定义测试功能的流程图软件程序
根据本系统的功能要求，设计其主程序流程图如图2所示。
①信号的采集
在纬纱张力检测系统中，信号的采集通过数据采集卡完成，本测试系统依据采样定理，选用的数据采集板是PCI—6024E多功能数据采集卡(DAQ)，由于其能够在较大应用范围内带来高的运行效能和稳定的数据采集能力，其单端16路模拟输入，1倍的增益的性能满足系统的需求。
要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行正确设置，这就是数据采集卡的软件驱动问题。待设置的参数主要有采集卡的设备号、地址码、和模拟信号输入部分、A／D转换部分的参数等，PCI—6024E数据采集卡可利用LabWindows／CVI自带的驱动函数驱动，设计者只需正确设置输入参数就可完成数据采集的任务，不需要编写代码程序。
本测试系统充分利用软件中提供的工具和各种子函数模块，并结合DAQ的硬件优势，实现了主轴和张力信号的准确、快速和同步采集，
②数据的分析与处理
数据采集卡将连续的模拟信号离散化为等间隔的时间序列数据，LabWindows／CVI所处理的就是这些离散数据。LabWindows／CVI提供了大量的在时域、频域内的信号分析与处理的函数，包括信号产生和统计、曲线拟合、频域分析等。这是利用软件组成虚拟仪器系统的优势所在，根据系统需要实现的功能，这里主要利用了高级分析函数库(AdvancedAnalvsis Library)中的数值分析计算的若干函数模块，如计算张力的最大值、最小值、平均值、方差、以及频度直方图。如果现场测试需要，还可以相应地设计诸如滤波器、频谱分析仪、加窗函数等功能。
③测试结果的显示、输出与保存
根据实际生产的要求，系统不仅需要提供实时显示功能，还要提供数据、图形、界面及数据的打印输出与保存功能。该测试系统能够方便地实现这些
功能，由于Labwindows／CVI提供的文件I／O功能函数是一组功能强大、伸缩性强的文件处理工具，可以很好地实现数据的显示、输出与保存。利用相关数字处理函数生成张力曲线图；使用计算机控制，测量结果实时屏幕显示与结果保存、打印都很方便。
2．2，3 仪器校核与标定
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本文在分析了织机测试实验室现有的纬纱张力测试系统的构成、原理和存在问题的基础上，应用了虚拟仪器技术，开发了一种新型的用于喷气织机的纬纱张力检测系统，这是虚拟仪器在新型织机机械性能检测方面的最新应用，促进了织机动态性能检测水平，也扩展了虚拟仪器技术的应用领域。
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1 传统纬纱张力动态检测系统
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1．1 系统的测试原理
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一般实验室和工厂常用的是电阻应变式纱线张力测试系统，该系统是以电阻应变式传感器为核心的测试系统，将电阻应变片与电桥盒相连接，组成半桥测量电路，再与动态电阻应变仪、L23函数记录仪(或光线示波器)相连接，构成纱线张力动态测试系统。
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在织造过程中，随着纬纱张力的变化，与纬纱接触的悬臂梁相应的产生与张力成比例的应变，而使电阻应变片产生相应地变形，并输出相应的△R／R，因而电桥的平衡被破坏，由电桥的输出端输出放大的电压信号，该电压信号再经动态电阻应变仪放大、检波，滤波后，输出一个放大的、与应变成比例的电压信号，最终由函数记录仪在感光纸上描绘成脉冲图形。
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1.2存在的不足
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(1)在电阻应变片式传感器的制作过程中，尤其是应变片粘贴时存在大量手工劳动，因此，产品质量很不稳定；
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(2)函数记录仪的响应时间较慢，对高频信号不能及时记录，容易引起测试误差，难以应用在高速、阔幅的新型织机上。
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(3)传统的张力测试仪大多只能提供纱线张力的平均值变化情况，只能对纱线的张力给出大致的估量。要得到张力的频域变化情况及其分析结果，必须借助于光线示波器、频谱分析仪等以及相关的控制和接口电路来实现，成本高，调试、操作与维护麻烦，而且测量结果不准确。
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2 虚拟纬纱张力动态检测系统的开发
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2．1 虚拟仪器简介
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2．1．1 虚拟仪器
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虚拟仪器(简称V1)就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
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2．1．2 虚拟仪器的构成
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虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素组成的.计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。VI系统有多种构成方式，即可以采用不同的总线及其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。以上系统的构成都是通过应用软件(包括应用程序和I/O接口仪器驱动程序)将仪器硬件与通用计算机相结合，其中，PC—DAQ测量系统是构成VI的最基本、最廉价的方式。
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2．1．3 Labwindows／CVI系统开发平台
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虚拟仪器编程语言Labwindows／CVI是利用虚拟仪器技术开发的32位面向计算机测控领域虚拟仪器的软件开发平台，可以在多操作系统(如Windows 98/NT/2000，Mac OS和Unix等)下运行，它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和仪器库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。
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2．2．1 硬件系统构成
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将织机储纬器与导纱架之间的纬纱穿过手枪式张力传感受器，经过动态应变仪将信号放大，同时用霍尔传感器从织机主轴上取出转数和角度信号，两路信号同时输入计算机，通过测试软件的分析和处理，并在屏幕上绘出纬纱张力的测定曲线，便可得出纬纱张力情况。该系统的测试框图如图l所示。
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(1)虚拟仪器面板设计
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用户界面编辑窗口是用来创建、编辑用户界面的，它所形成的文件为*．uir文件。用户界面相当于真实仪器的操作界面，一个用户界面文件至少要有一个面板(Panel)以及在面板上的各种控件元素(ControlElement)。图形用户界面编辑窗口提供了非常便捷的创建、编辑面板和控件的安放、控件属性的设置等功能，可在短时间里创建出符合要求的图形界面。本测试系统图形用户界面编辑窗口，包括仪器总开关、采集数据、保存数据、读取数据、关闭仪器(清除界面，准备下一次测试)等主要操作按钮，还有供修改测试仪器参数的对话框，如采样点数、采样频率、通道号选择等，用户可以在不必了解程序内部结构和代码的情况下方便地更改仪器参数，使仪器具有更好的通用性。
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根据本系统的功能要求，设计其主程序流程图如图2所示。
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①信号的采集
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在纬纱张力检测系统中，信号的采集通过数据采集卡完成，本测试系统依据采样定理，选用的数据采集板是PCI—6024E多功能数据采集卡(DAQ)，由于其能够在较大应用范围内带来高的运行效能和稳定的数据采集能力，其单端16路模拟输入，1倍的增益的性能满足系统的需求。
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要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行正确设置，这就是数据采集卡的软件驱动问题。待设置的参数主要有采集卡的设备号、地址码、和模拟信号输入部分、A／D转换部分的参数等，PCI—6024E数据采集卡可利用LabWindows／CVI自带的驱动函数驱动，设计者只需正确设置输入参数就可完成数据采集的任务，不需要编写代码程序。
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②数据的分析与处理
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数据采集卡将连续的模拟信号离散化为等间隔的时间序列数据，LabWindows／CVI所处理的就是这些离散数据。LabWindows／CVI提供了大量的在时域、频域内的信号分析与处理的函数，包括信号产生和统计、曲线拟合、频域分析等。这是利用软件组成虚拟仪器系统的优势所在，根据系统需要实现的功能，这里主要利用了高级分析函数库(AdvancedAnalvsis Library)中的数值分析计算的若干函数模块，如计算张力的最大值、最小值、平均值、方差、以及频度直方图。如果现场测试需要，还可以相应地设计诸如滤波器、频谱分析仪、加窗函数等功能。
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③测试结果的显示、输出与保存
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根据实际生产的要求，系统不仅需要提供实时显示功能，还要提供数据、图形、界面及数据的打印输出与保存功能。该测试系统能够方便地实现这些
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功能，由于Labwindows／CVI提供的文件I／O功能函数是一组功能强大、伸缩性强的文件处理工具，可以很好地实现数据的显示、输出与保存。利用相关数字处理函数生成张力曲线图；使用计算机控制，测量结果实时屏幕显示与结果保存、打印都很方便。
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