ИК ОЭП линейной плотности ленты

Сущность работы оптоэлектронных преобразователей линейной плотности (ОЭП ЛП) волокнистых текстильных материалов заключается в ослаблении проходящего через него светового потока с длиной волны 0,8 – 0,9 мкм в зависимости от его плотности. С учетом временной нестабильности, влияния температуры и других факторов на пару «светодиод-фотодиод» применяются различные способы коррекции режимов его работы. Функциональная схема ИК ОЭП ЛП ленты или пряжи со структурной коррекцией приведена на рис. 2.67. Устройство работает в двух режимах [16]: контроля и измерения.

В режиме измерения выполняются следующие операции:

1) формирование прямоугольных импульсов длительностью порядка 10 мкс с частотой 1 кГц и амплитудой 0,3 – 0,5В (блок 1);

2) формирование импульсов тока величиной 3 – 4 А с указанной частотой и длительностью (блок 2);

3) усиление импульсов фотосигнала с k_у = 10000 (блок 5);

4) синхронное на частоте 1 кГц пропускание импульсных сигналов с сохранением их импульсной и амплитудной модуляции (блок 6);

5) пропускание импульсных измерительных сигналов (блок 7);

Рис. 2.67. Функциональная схема ОЭП ЛП
со структурным методом коррекции погрешности

6) детектирование и сглаживание измерительных импульсов (блок 8);

7) фильтрация низкочастотной составляющей измерительного сигнала (блок 9);

8) выполнение аналогового вычитания амплитуды измерительного сигнала из единичного опорного U_о (блок 10);

9) логарифмирование разностного аналогового сигнала (блок 11);

10) ввод прологарифмированного аналогового сигнала в ЭВМ (блок 12);

11) регистрация и индикация выходного сигнала (блоки 13 и 14).

- в режиме контроля:

1) формирование прямоугольных импульсов длительностью порядка
10 мкс с частотой 1 кГц и амплитудой 0,3 – 0,5В (блок 1);

2) формирование импульсов тока величиной 3 – 4 А с указанной частотой и длительностью (блок 2);

3) усиление импульсов фотосигнала с k_у = 10000 (блок 5);

4) синхронное на частоте 1 кГц пропускание импульсных сигналов с сохранением их импульсной и амплитудной модуляции (блок 6);

5) формирование управляющего сигнала при рассогласовании между контрольным сигналом и заданным значением U_с (блок 15);

6) детектирование и сглаживание контрольных импульсов (блок 16);

7) фильтрация низкочастотной составляющей контрольного сигнала (блок 17);

8) инверсия контрольного сигнала по уровню (блок 18);

9) отработка логической операции «И» по инвертированному и контрольному сигналам (блок 19);

10) формирование сигнала запроса прохождения контрольного сигнала на детектирование и сглаживание измерительных импульсов (блоки 19 и 7);

11) пропускание контрольных импульсов (блок 20);

12) детектирование и сглаживание контрольных импульсов (блок 21);

13) фильтрация низкочастотной составляющей контрольного сигнала (блок 22);

14) сравнение значений заданного U_з и контрольного сигналов (блок 23);

15) изменение токовых режимов светодиода до сведения сигнала рассогласования между амплитудой контрольного сигнала с выхода фотодиода и заданным U_з значением до нуля.

С целью уменьшения влияния влажности волокнистого материала измерения ЛП производятся на двух длинах волн в ИК диапазоне излучения. Схема двухволнового микропроцессорного ИК ОЭП ЛП представлена на рис. 2.68.

Принцип работы схемы двухволнового ОЭП ЛП заключается в следующем.

На первом этапе МПУ 23 вырабатывает управляющее воздействие в виде цифрового двоичного кода Z₁, который преобразуется с помощью цифро-аналогового преобразователя
(ЦАП) 24 в аналоговый сигнал U₁. Управляющий сигнал на входе коммутатора 21 подан таким образом, что включается канал измерения ЛП, т.е. сигнал с ЦАП поступает только на преобразователь «напряжение-ток» 17, включается светодиод 13. У светодиода 13 максимум излучения соответствует длине волны l₁ (при этом поглощение ИК излучения молекулами воды является минимальным, а выделяемый сигнал преимущественно соответствует значению ЛП волокнистого материала). При подаче с МПУ сигнала на поднятие светоотражающей заслонки 8 благодаря усилителю импульсного сигнала 19 и приводу 10 светопоток Ф₁ проходит через световолокно 6 и 3, ослабляется в зависимости от значения ЛП волокнистого материала 1 до
величины Ф₁₁, поступает через световолокно 2 и 4 на фотодиод 11. Напряжение с выхода фотодиода усиливается до напряжения U₁₁ при помощи нормирующего усилителя 15 и через коммутатор 20 поступает на аналого-цифровой преобразователь
(АЦП) 22. Сигнал U₁₁ благодаря АЦП 22 преобразуется в цифровую форму Z₁₁ и поступает на МПУ.

 

Рис. 2.68. Функциональная схема двухволнового ОЭП ЛП
с компенсацией влияния влагосодержания на измерение ЛП

Второй этап работы аналогичен первому. Однако при этом происходит переключение коммутаторов 20 и 21. Светопоток Ф₂ светодиода 14 (максимум спектра излучения соответствует l₂ – длине волны при которой, преимущественно, выделяется сигнал о количестве воды в волокнистом материале) пропорционален цифровому коду Z₂. Светопоток Ф₂, пройдя через световолокно 7 и 3, волокнистый материал 1, ослабляется в соответствии с влагосодержанием волокнистого материала до значения Ф₂₁ и через световолокно 2 и 5 поступает на фотодиод 12. Сигнал Z₂₁ на входе МПУ пропорционален значению светопотока Ф₂₁. На третьем и четвертом этапах происходит коррекция светопотоков Ф₁₂ и Ф₂₂ (при опущенной заслонке со светоотражающей поверхностью 9) таким образом, что в течение длительного времени Ф₁₂ = сonst и Ф₂₂ = const.

Действительное значение ЛП для вторичной обработки (определение градиента неровноты, корреляционной функции, статистических показателей) в виде двоичного кода поступает с МПУ на персональную ЭВМ (ПЭВМ).

Если контролируемый материал облучать ИК-потоком на длине волны l₁, соответствующей поглощению преимущественно волокнистым материалом, и на длине волны l₂, соответствующей поглощению преимущественно молекулами воды, то прошедшие через объект потоки будут равны:

 

; (2.49)

, (2.50)

где k₁ и k₃ – коэффициенты поглощения излучения молекулами волокон для рабочих длин волн l₁ и l₂ соответственно;

k₂ и k₄ – коэффициенты поглощения излучения молекулами воды для рабочих длин волн l₁ и l₂ соответственно;

m₁, m₂ – массы волокна и воды соответственно.

В цифровом коде выражения (2.49) и (2.50) можно представить как

; (2.51)

, (2.52)

где k₁, k₂ – конструктивные коэффициенты передачи оптоэлектронных каналов.

Для выделения сигнала, пропорционального ЛП, необходимо решить систему уравнений полученную из выражений (2.51) и (2.52):

(2.53)

Тогда значение ЛП можно определить как

. (2.54)

Основной задачей при разработке двухволновых ОЭП ЛП является правильный выбор рабочих длин волн l₁ и l₂. Как правило, подобная задача решается экспериментально при помощи метода спектрофотометрии. Наиболее целесообразным для практического применения является длина волны ближнего ИК диапазона 1,94 мкм, так как поглощение ИК излучения водой в этом диапазоне носит характер индуцированной атомной поляризации, сопутствующей колебаниям атомов. Однако использование l₂ = 1,94 мкм может быть затруднено в силу скудности номенклатуры ИК-свето- и фотодиодов отечественного производства. Поэтому выходом из данной ситуации может являться использование спектра поглощения воды в области высших гармоник и комбинационных составляющих стандартных колебаний, таких как 0,97 мкм, 1,19 мкм и 1,45 мкм, либо использование свето- и фотодиодов зарубежного производства со сложной гетероструктурой, полученной методом жидкофазной эпитаксии. Выбор длины волны l₁ осуществляется в ИК-области, где поглощение излучения молекулами воды минимально, например l₁ = 0,82 мкм.

2.13.5. ИК ОЭП обнаружения
швов на движущейся ткани

При очистке поверхности ткани от выступающих волокон, выравнивания ворса по высоте и пр. ткань на стригальных машинах пропускают под стригальными барабанами, которые снабжены стригальными ножами. Для обеспечения непрерывности материального потока через стригальную машину куски ткани длиной по 40 – 80 метров предварительно сшивают. Шов «внахлест» характеризуется увеличением плотности (толщины) в месте сшивки в 2 раза, а шов «оверлок» – наоборот, с уменьшением плотности, так как концы кусков ткани не накладываются друг на друга. В любом случае при прохождении шва того или иного вида под стригальными барабанами он будет разрушен и стригальная машина остановится. Чтобы этого не происходило, необходимо зафиксировать наличие приближающегося шва к стригальным барабанам и поднять их на время прохождения под ними шва.

Структурная схема обнаружения швов на движущейся ткани с помощью ИК ОЭП [16] представлена на рис. 2.69.

 

Рис. 2.69. Структурная схема обнаружения швов
на движущейся ткани с помощью ИК ОЭП

Питание светодиода СД осуществляется импульсами тока, сформированными генератором импульсов ИГ и усилителем тока ИУТ. Поток излучения светодиода СД через излучающий световод ИСВ круглого сечения проходит через движущуюся ткань, под которой расположена отражающая пластина ОП, обладающая почти 100%-ным отражением ИК потока. В результате этого проходящий поток излучения от излучающего световода ИСВ посредством приемного световода ПСВ воспринимается фотодиодом ФД, усиливается фотоусилителем ФУ и сглаживается фильтром СФ. Для стабилизации уровня усиленного сигнала при отсутствии шва, а также для различной плотности контролируемой ткани и ее артикула с выхода фотоусилителя ФУ сигнал подается на вход усилителя, с регулируемым коэффициентом усиления РУС, охваченного отрицательной обратной связью блока автоматической регулировки усиления АРУ. Таким образом, за время движения куска ткани до момента прохождения шва на выходе усилителя РУС с АРУ устанавливается «нулевой» уровень сигнала, подаваемого далее на пороговую схему ПС (компаратор).

При кратковременном прохождении шва «внахлест» происходит резкое уменьшение уровня выходного сигнала РУС, а при прохождении шва «оверлок» – резкое его увеличение, так как за это время блок АРУ не успевает срабатывать. Сигнал с выхода пороговой схемы ПС используется далее для управления механизмами подъема и опускания стригальных барабанов МПО, что обеспечивает пропуск под ними шва ткани. За счет касания поверхности отражающей пластины ОП движущейся тканью исключается запыление и загрязнение торцов световодов ИСВ, ПСВ, а также самой отражающей пластины ОП.

2.13.6. ИК ОЭП перекоса
уточных нитей в тканях

В процессе отделки, крашения, печати, заключительной отделки ткани, ее транспортировки, а также размотки и намотки рулонов ткани возникают перекосы уточных нитей ПУН относительно основных, т.е. нарушение взаимоперпендикулярного их расположения. Для различных артикулов тканей максимально допустимый угол a перекоса лежит в пределах от 3° до 4°. Превышение допустимого угла перекоса приводит к снижению сортности ткани. Для исправления перекоса уточных нитей необходимо в первую очередь обнаружить перекос, далее распознать вид перекоса (диагональный, дуговой, S-образный и др.). С этой целью используется датчик ПУН, содержащий несколько чувствительных к перекосу ИК ОЭП, расположенных на определенном расстоянии друг от друга по ширине ткани.

На рис. 2.70 представлена структурная схема одного из ИК ОЭП ПУН, содержащая импульсный генератор ИГ, импульсный усилитель мощности ИУМ, инфракрасный светодиод СД, излучающий щелевой световод ИЩСВ, излучающий цилиндрический световод ИСВ, приемный световод ПСВ, приемный щелевой световод ПЩСВ, фотодиоды ФД1 и ФД2, фотоусилители УС1 и УС2, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления УСР, выпрямитель с сглаживающим фильтром ВФ и компаратор К.

Излучающий щелевой световод ИЩСВ формирует ИК поток излучения светодиодом СД в узкий плоский луч, ширина которого соизмерима с толщиной уточной нити. Приемный щелевой световод ПЩСВ воспринимает прошедший через ткань ИК поток от излучающего щелевого световода ИЩСВ. При достижении уточными нитями угла перекоса a в ходе движении ткани каждая из них вызывает ослабление ИК потока, воспринимаемого приемным щелевым световодом ПЩСВ, т.е. модуляция потока будет максимальна и соответственно амплитуда модулированного напряжения на выходах фотодиода ФД2 и усилителя УС2 будет также максимальна.

 

Рис. 2.70. Структура ИК ОЭП перекоса уточных нитей

Чувствительность ИК ОЭП зависит от ширины потока излучения, т.е. от ширины торцов излучающего и воспринимающего световодов ИЩСВ и ПЩСВ. На рис. 2.71 представлена кривая зависимости напряжения U_вых на выходе усилителя УС2 от ширины d щели торца световодов для артикула ткани 12012, из которой видно, что с увеличением ширины щели торца световодов U_вых уменьшается.

Для корректировки ширины плоского луча в зависимости от артикула ткани, а именно, от толщины уточной нити, излучающий и приемный световоды выполнены секционированными шириной порядка 0,1 мм (рис. 2.72). В этом случае при наличии 3 световодов секции могут работать независимо или совместно, т.е. ширина плоского луча может изменяться в 2 – 3 раза.

 

 

Рис. 2.71. Зависимость выходного
сигнала ИК ОЭП от ширины щели световода

 

 

Рис. 2.72. Конструкция световодов

В связи с тем, что контролируемые на ПУН ткани имеют различную поверхностную плотность r и соответствующее ослабление проходящего через них ИК-потока излучения возникает необходимость обеспечения достаточной чувствительности ИК ОЭП корректировки усиления информационного сигнала по плотности ткани. С этой целью вводится канал измерения плотности ткани, выполненный на световодах ИСВ и ПСВ, имеющих круглое сечение, которое перекрывает на ограниченном по ширине ткани участок ткани с множеством уточных нитей. В этом случае даже при наличии перекоса уточных нитей контролируется только плотность ткани. Ослабленный в соответствии с этим поток излучения воспринимается фотодиодом ФД1, усиливается усилителем УС1, выходной сигнал которого поступает на управляющий вход усилителя УСР с регулируемым коэффициентом усиления. На рис. 2.73 приведены экспериментально полученные кривые зависимости напряжения на выходе УС2 (характеристики 1 и 2) без коррекции и с коррекцией (кривая 3) от плотностей тканей, отличающихся для артикулов 12012 и 4407 почти в 6 раз, а по толщине уточных нитей почти в 13 раз. Корректирующий сигнал позволяет при сохранении чувствительности преобразователя получить практически единую характеристику 3 для любого артикула ткани.

 

Рис. 2.73. Кривые зависимости напряжения
на выходе УС2 в зависимости от плотностей тканей

Модулированный сигнал, амплитуда которого увеличивается с увеличением угла a перекоса уточных нитей, после выпрямления и сглаживания в блоке ВФ подается на вход компаратора К, настроенного по входу U_оп на заданный максимальный угол a_max. Таким образом, до момента обнаружения a_max на выходе компаратора К имеет место минимальный уровень выходного напряжения, т.е. «ноль», а при достижении a_max уровень выходного напряжения максимальный, т.е. «единица».

Число чувствительных к перекосу уточных нитей ИК ОЭП в датчике ПУН в зависимости от ширины контролируемой ткани лежит в пределах 10 – 14, причем половина из них имеет щелевые световоды, установленные на угол +a_max, а вторая – на угол –a_max. В соответствии с этим при установке 12 ИК ОЭП с выходов 12 компараторов при наличии, например, дугового перекоса в блок логического распознавания вида перекоса будет поступать код 111000 и 000111. Для других видов перекосов уточных нитей комбинации кодов будут также строго определенными.