專利名稱：一種用于棉花異性纖維檢測的風(fēng)速傳感器和檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于現(xiàn)代工業(yè)檢測的風(fēng)速傳感器，尤其是指一種應(yīng)用在棉花異性纖維的識別檢測過程中能夠精確測量的風(fēng)速傳感器。
背景技術(shù)：
棉花中的異性纖維是指混入棉花中對棉花及其制品質(zhì)量有嚴(yán)重影響的非棉纖維和非本色纖維，如化學(xué)纖維、毛發(fā)、絲、麻、塑料膜和染色線等。異性纖維在皮棉中的含量雖少，但對紡織品的質(zhì)量影響嚴(yán)重，一旦混入?yún)⑴c紡織不但影響紡紗能力，而且染色后會使布面出現(xiàn)各種色點，嚴(yán)重影響布面外觀質(zhì)量。目前，對于異性纖維的處理，國內(nèi)外統(tǒng)一采用兩種方法，一是光學(xué)檢測，主要是利用工業(yè)高速CCD相機，借助光敏元件對棉層加工過程中的棉層成像，之后對圖像進行處理得到結(jié)果；二是采用傳感器來檢測，利用電容式傳感器和微電子技術(shù)進行信息檢測，對加工過程中的棉層進行檢測得到結(jié)果；這兩種方法的缺陷是 價格昂貴、清理效果差，無法滿足棉花質(zhì)量評定檢驗中異纖含量精確測量的需要。目前，國內(nèi)外常規(guī)的風(fēng)速傳感器有葉輪風(fēng)速儀，固體正交測風(fēng)儀，壓力板測風(fēng)儀， 螺旋推進測風(fēng)儀，熱線測風(fēng)儀，超聲波測風(fēng)儀，激光測風(fēng)儀等等，大致可歸為兩大類熱式測風(fēng)傳感器和力式測風(fēng)傳感器。熱式風(fēng)速傳感器是基于熱源在風(fēng)流流過后產(chǎn)生的熱梯度的原理來測量風(fēng)速的。隨著風(fēng)速的變化，熱源向風(fēng)中傳遞的熱量也在變化，這引起熱源熱梯度的變化，通過電路測量電阻阻值的變化能夠得到風(fēng)速的信息；具體有兩種工作方式通過測量熱線的熱電阻變化來測量風(fēng)速的恒流工作方式和通過測量加熱電流來測量風(fēng)速的恒溫工作方式。力式測風(fēng)傳感器是將風(fēng)速的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛘邏簭姷男畔ⅲ贆z測力或者壓強所引起的敏感結(jié)構(gòu)的形變信息來測量風(fēng)速，其信號檢測多采用電容、壓阻、壓電等方法。 熱式風(fēng)速傳感器的缺點是功耗大，熱傳導(dǎo)會導(dǎo)致測量誤差，零點隨環(huán)境溫度漂移，響應(yīng)時間長，高風(fēng)速測量時不穩(wěn)定，有很大局限性。力式測風(fēng)傳感器中電容檢測雖然結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，溫漂小，但是線性不好；壓阻檢測靈敏度低，溫度效應(yīng)明顯；壓電檢測雖然靈敏度高，但是電路和壓電薄膜的制作較為復(fù)雜。所以不管是因為裝置本身機械慣性的影響還是測量原理的限制，大部分儀器都存在一定的弊端，是不能夠滿足測量準(zhǔn)確度和特定的環(huán)境風(fēng)速測量要求的。而隨著檢測技術(shù)和制造工業(yè)的發(fā)展，以及人們對環(huán)境要求的提高，實際測量時迫切需要一種具有體積小、重量輕、成本低、準(zhǔn)確度高的風(fēng)速傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中棉花異性纖維檢測普遍存在的誤差大和測量精度不高的問題，提出一種用于棉花異性纖維檢測的結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量精度高的磁電式風(fēng)速傳感器；本發(fā)明同時還提出采用該風(fēng)速傳感器進行檢測的方法。為實現(xiàn)上述目的，風(fēng)速傳感器采用如下技術(shù)方案包括機械測風(fēng)結(jié)構(gòu)和電測結(jié)構(gòu)兩部分，機械測風(fēng)結(jié)構(gòu)包括水平放置的支撐底板和垂直連接支撐底板的軸承旋轉(zhuǎn)裝置，軸承旋轉(zhuǎn)裝置由中心軸承和滑動滾珠組成，滑動滾珠周向均布于中心軸承的上段，中心軸承通過滑動滾珠連接風(fēng)向杯裝置，在風(fēng)向杯裝置外沿周向水平均布若干個風(fēng)向杯；中心軸承的中段同軸固套齒輪，齒輪的每個鋸齒的齒頂端固定粘貼磁鋼片；所述電測結(jié)構(gòu)由霍爾傳感器、光電耦合器、單片機和顯示器組成；霍爾傳感器前端上具有感應(yīng)開關(guān)元件，感應(yīng)開關(guān)元件位于磁鋼片附近位置且兩者在同一水平面上，霍爾傳感器內(nèi)部連接光電耦合器，單片機分別與光電耦合器和顯示器相連接。該風(fēng)速傳感器的檢測方法是風(fēng)向杯隨著風(fēng)吹進行旋轉(zhuǎn)，帶動中心軸承和齒輪同步旋轉(zhuǎn)，磁鋼片與放置在其附近的霍爾傳感器開關(guān)之間產(chǎn)生霍爾效應(yīng)；霍爾傳感器將齒輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為脈沖信號，齒輪每轉(zhuǎn)動一次鋸齒，霍爾傳感器便輸出一個脈沖信號，經(jīng)光電耦合器后，再通過單片機測得脈沖信號的頻率，即被測信號
Ir,的頻率，該脈沖信號正比于風(fēng)向杯轉(zhuǎn)速的信號。進一步地，本發(fā)明的單片機采用如下多周期同步方法測量脈沖信號的頻率， 第一步調(diào)用單片機的預(yù)置子程序先產(chǎn)生一個預(yù)置信號輸出至D觸發(fā)器的D端，被測信
號/，同步從D觸發(fā)器的CP端輸入；
第二步D觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)，在D觸發(fā)器的輸出端Q得到了與輸入信號同步的閘門脈沖信號Γ，將閘門脈沖信號Γ輸入單片機的INTO和INTl端，以控制單片機的計數(shù)器TO
和Tl的計數(shù)；將標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號九和被測信號分別輸入計數(shù)器TO和Tl計數(shù)；
第三步當(dāng)閘門時間上升沿到來時，計數(shù)器TO和Tl開始計數(shù)；當(dāng)信號下降沿到達(dá)時，停止計數(shù)，讀入并保存對被測信號Λ和標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號^的計數(shù)值《1和《2 ；通過公式
計算得到被測信號的頻率值。 nl本發(fā)明的有益效果如下
1.本發(fā)明采用MCS-51系列的單片機對周期波頻率進行測量，輸出測量值，直接進行計算處理，實現(xiàn)測量的智能化，省去了間接對頻率測量的麻煩和錯誤。2.本發(fā)明采用了多周期同步這一種新的測量脈沖信號頻率的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在全頻段范圍內(nèi)等精度測量輸出信號，減小了測量誤差，提高了對脈沖信號頻率的測量精度。3.本發(fā)明測風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用霍爾原理來進行動態(tài)風(fēng)速的檢測，使得結(jié)構(gòu)簡單、 操作便捷、運行可靠及維修方便。4.本發(fā)明的電測裝置部分能夠自動的傳輸、記錄、分析對風(fēng)速的動態(tài)測量結(jié)果， 使用方便，操作簡單。利用被測脈沖信號來預(yù)置一個同步的時間脈沖(包含若干個被測信號周期)，通過事件計數(shù)值、時間計數(shù)值及時鐘頻率來計算被測脈沖信號的頻率，保證在測量的全量程范圍內(nèi)，測量的精度不變，大大降低了測量誤差，確保了測量的精確度。5.本發(fā)明的霍爾傳感器具有頻率響應(yīng)快、靈敏、可靠、體積小、無觸點、無磨損、使用壽命長、功耗低和抗干擾能力強等優(yōu)點，與磁鋼片配套使用，能夠提高測量的精確度，滿足測速要求。


圖1是本發(fā)明風(fēng)速傳感器的整體結(jié)構(gòu)圖；圖2是棉花異性纖維檢測的整體運作圖； 圖3是測量電路的連接圖； 圖4是多周期同步測量的工作時序波形圖中1.中心軸承；2.滑動滾珠；3.風(fēng)向杯裝置；4.風(fēng)向杯；5.軸承旋轉(zhuǎn)裝置；6.齒輪；7.磁鋼片；8.感應(yīng)開關(guān)元件；9.霍爾傳感器；10.光電耦合器；11.單片機；12.顯示器； 13.支撐底板。
具體實施例方式參見附圖1，本發(fā)明主要包括機械測風(fēng)結(jié)構(gòu)和電測結(jié)構(gòu)兩部分。其中，機械測風(fēng)結(jié)構(gòu)包括支撐底板13和連接在支撐底板13上的軸承旋轉(zhuǎn)裝置5， 支撐底板13水平放置，軸承旋轉(zhuǎn)裝置5與支撐底板13垂直連接。軸承旋轉(zhuǎn)裝置5由中心軸承1和滑動滾珠2組成，在中心軸承1的上段，周向均布滑動滾珠2，中心軸承1通過滑動滾珠2連接風(fēng)向杯裝置3，在風(fēng)向杯裝置3外沿沿圓周方向水平均布若干個風(fēng)向杯4。中心軸承1的底部垂直連接支撐底板13，中心軸承1的中段同軸固定套接齒輪6，在齒輪6的每個鋸齒的齒頂端固定粘貼磁鋼片7。風(fēng)向杯4采用的是碗狀的開口設(shè)計，在實際的棉花異纖檢測過程中，風(fēng)速恒定在lOm/s左右，所以風(fēng)向杯4的形狀特征對測量精度的影響是可以忽略不計的。電測結(jié)構(gòu)由霍爾傳感器9、光電耦合器10、單片機11和顯示器12組成。單片機11 是MCS-51系列單片機，霍爾傳感器9固定于支撐底板13上，霍爾傳感器9為常用的直插型，采用型號為A3144的霍爾片作為霍爾模塊的核心?；魻杺鞲衅?前端上具有的霍爾感應(yīng)開關(guān)元件8與齒輪6上的磁鋼片7位于同一水平面上，并且使感應(yīng)開關(guān)元件8位于磁鋼片7附近位置，使感應(yīng)開關(guān)元件8和磁鋼片7相距15mm左右?；魻杺鞲衅?內(nèi)部連接光電耦合器10，單片機11通過電線分別與光電耦合器10和顯示器12相連接。在齒輪6上粘貼磁鋼片7的時候要注意，霍爾傳感器9前端上的感應(yīng)元件8對磁場方向敏感，在粘之前可以先手動接觸一下霍爾傳感器9上的感應(yīng)元件8，當(dāng)沒有信號產(chǎn)生時，可以改變一下磁鋼片7的方向，換一個方向再試。本發(fā)明的工作過程如下
參見附圖2，將圖1所示的風(fēng)速傳感器放置于棉花異性纖維檢測整套工序的進風(fēng)口裝置處，在風(fēng)速傳感器的左上方的進風(fēng)口和水平右方的出風(fēng)口處可以各放置一臺吹風(fēng)機和抽風(fēng)機。棉流從水平通道進入，而風(fēng)從左上方吹進，在通道交接處匯合。吹風(fēng)機和抽風(fēng)機同時配合工作，使得棉流在通道中運行。在A-B這段距離中可以通過攝像機對運動的棉流進行拍攝，檢測出棉流中所含的異性纖維。棉花異性纖維在運行時和本發(fā)明風(fēng)速傳感器是不會產(chǎn)生直接接觸，因而棉流異纖不會對本發(fā)明風(fēng)速傳感器中的風(fēng)向杯4的風(fēng)速測量造成不良影響。如圖1和2所示，風(fēng)向杯4的旋轉(zhuǎn)速度隨風(fēng)速的變化而變化。風(fēng)向杯4隨著風(fēng)吹進行旋轉(zhuǎn)，帶動中心軸承1旋轉(zhuǎn)，同時，中心軸承1帶動齒輪6也進行同步旋轉(zhuǎn)，齒輪6運轉(zhuǎn)時，磁鋼片7與放置在其附近的霍爾傳感器開關(guān)8之間產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。利用霍爾傳感器9 將齒輪6的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為脈沖信號，齒輪6每轉(zhuǎn)動一周，就會產(chǎn)生一定量的脈沖個數(shù)，由霍爾傳感器9輸出脈沖，脈沖幅值為12V，經(jīng)光電耦合器10后，變?yōu)?V，保持同89C51邏輯電平相一致，成為了單片機11控制電路中的計數(shù)脈沖，即為被測信號‘使用光電耦合器10，
可將霍爾傳感器9輸出的被測信號和單片機11的控制電路兩個部分隔開，減少測量時的干擾?；魻杺鞲衅?檢測到磁鋼片7時輸出高電平，沒有檢測到磁鋼片7時輸出低電平。齒輪6每轉(zhuǎn)動一次鋸齒，霍爾傳感器9便輸出一個脈沖信號，該脈沖信號是正比于風(fēng)向杯4轉(zhuǎn)速的信號。通過單片機11作為主控制器來測得脈沖信號的頻率，將輸出值直接進行數(shù)據(jù)處理，單片機11將該值數(shù)據(jù)處理后，便可以實時得出測量的風(fēng)速值，風(fēng)速值直接在顯示器12 上顯不。單片機11在實際測量脈沖信號的頻率過程中，影響測量精度的一個主要原因就是脈沖信號頻率的測試精度，對脈沖信號的頻率，普遍采用測量頻率法或測量周期法來計算脈沖信號的頻率。利用測量頻率法來計算時，測試的誤差為±1,當(dāng)頻率/ =10時，由計數(shù)誤差±1引起的相對誤差為±0.1 ；若頻車 =100時，由計數(shù)誤差±1引起的相對誤差為土OiOl。頻率/越高，引起的相對誤差就越小。這說明了在棉流的測試全量程范圍內(nèi)，測量精度是不等的。若采用測量頻率法，當(dāng)被測周期較小時相對誤差大，隨著被測周期增大相對誤差減小，同樣產(chǎn)生了全量程范圍內(nèi)棉流測量精度不等的問題。為解決上述測量精度不等的問題，本發(fā)明采用了多周期同步測量的方法來測量脈沖信號的頻率。多周期同步測量方法的單片機11實現(xiàn)電路連接圖如圖3所示，單片機11以不同的端口分別連接時鐘發(fā)生器、D觸發(fā)器、8位數(shù)碼顯示器和譯碼器，譯碼器的輸出連接驅(qū)動
電路，驅(qū)動電路的輸出連接8位數(shù)碼顯示器。被測信號經(jīng)放大整形電路輸入單片機11，被
測信號#從D觸發(fā)器的CP脈沖端輸入，預(yù)置信號由單片機產(chǎn)生，從D觸發(fā)器D端輸入，預(yù)置
信號和被測信號^通過D觸發(fā)器來實現(xiàn)同步。選用的D觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)，在D觸發(fā)器
的輸出Q端便得到與輸入信號同步的閘門信號T，閘門信號再輸入單片機INTO和INTl端，
用于控制單片機11的計數(shù)器TO和Tl的計數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的時鐘發(fā)生器的信號t,和被測信號
分別輸入計數(shù)器TO和Tl。單片機11還擴展了 8位動態(tài)顯示器來用于顯示測量結(jié)果，其中串口送出待顯示的數(shù)據(jù)代碼，Pl 口的3根線通過譯碼，驅(qū)動后作動態(tài)顯示的位選線。Pl 口的其他口線用來擴展鍵盤，用于修改預(yù)置時間。多周期同步測量法測量頻率的步驟如下
第一步通過調(diào)用單片機11的預(yù)置子程序，單片機11內(nèi)先產(chǎn)生一個預(yù)置信號，從單片機11的口線輸出至D觸發(fā)器的D端輸入，被測信號從D觸發(fā)器的CP端輸入的，預(yù)置信號
和被測信號通過D觸發(fā)器來完成同步。第二步選用的D觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)的，在D觸發(fā)器的輸出端Q得到了與輸入信號同步的閘門脈沖信號Γ，閘門脈沖信號Γ輸入單片機的INTO和INTl端，用來控制單片機
11的計數(shù)器TO和Tl的計數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號 和被測信號分別輸入計數(shù)器TO和Tl計數(shù)。第三步當(dāng)閘門時間T上升沿到來時，即INTO和INTl輸入上升沿信號，則控制開關(guān)閉合，計數(shù)器TO和Tl開始計數(shù)。當(dāng)信號下降沿到達(dá)時，控制開關(guān)斷開，定時器T0，Tl停止計數(shù)，讀入并保存對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的計數(shù)值《1和事件計數(shù)器Tl對被測信號J 累計得
權(quán)利要求
1.一種用于棉花異性纖維檢測的風(fēng)速傳感器，包括機械測風(fēng)結(jié)構(gòu)和電測結(jié)構(gòu)兩部分， 其特征是機械測風(fēng)結(jié)構(gòu)包括水平放置的支撐底板(13)和垂直連接支撐底板(13)的軸承旋轉(zhuǎn)裝置(5)，軸承旋轉(zhuǎn)裝置(5)由中心軸承(1)和滑動滾珠(2)組成，滑動滾珠(2)周向均布于中心軸承(1)的上段，中心軸承(1)通過滑動滾珠(2)連接風(fēng)向杯裝置(3)，在風(fēng)向杯裝置(3)外沿周向水平均布若干個風(fēng)向杯(4);中心軸承(1)的中段同軸固套齒輪(6)，齒輪 (6)的每個鋸齒的齒頂端固定粘貼磁鋼片(7);所述電測結(jié)構(gòu)由霍爾傳感器(9)、光電耦合器 (10)、單片機(11)和顯示器(12)組成；霍爾傳感器(9)前端上具有感應(yīng)開關(guān)元件(8)，感應(yīng)開關(guān)元件(8)位于磁鋼片(7)附近位置且兩者在同一水平面上，霍爾傳感器(9)內(nèi)部連接光電耦合器(10)，單片機(11)分別與光電耦合器(10)和顯示器(12)相連接。
2.—種權(quán)利要求1所述風(fēng)速傳感器的檢測方法，其特征是采用如下步驟A、風(fēng)向杯(4)隨著風(fēng)吹進行旋轉(zhuǎn)，帶動中心軸承(1)和齒輪(6)同步旋轉(zhuǎn)，磁鋼片(7) 與放置在其附近的霍爾傳感器開關(guān)(8)之間產(chǎn)生霍爾效應(yīng)；B、霍爾傳感器(9)將齒輪(6)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為脈沖信號，齒輪(6)每轉(zhuǎn)動一次鋸齒，霍爾傳感器(9)便輸出一個脈沖信號，經(jīng)光電耦合器(10)后，再通過單片機(11)測得脈沖信號的頻率，即被測信號力的頻率，該脈沖信號正比于風(fēng)向杯(4)轉(zhuǎn)速的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述風(fēng)速傳感器的檢測方法，其特征是步驟B中，單片機(11)采用多周期同步方法測量脈沖信號的頻率，所述多周期同步方法是第一步調(diào)用單片機(11)的預(yù)置子程序先產(chǎn)生一個預(yù)置信號輸出至D觸發(fā)器的D端，被測信號同步從D觸發(fā)器的CP端輸入；第二步D觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)，在D觸發(fā)器的輸出端Q得到了與輸入信號同步的閘門脈沖信號τ將閘門脈沖信號T輸入單片機(11)的INTO和INTl端，以控制單片機(11)的計數(shù)器TO和Tl的計數(shù)；將標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號，和被測信號分別輸入計數(shù)器TO和Tl計數(shù)；第三步當(dāng)閘門時間上升沿到來時，計數(shù)器TO和Tl開始計數(shù)；當(dāng)信號下降沿到達(dá)時停止計數(shù)，讀入并保存對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號*的計數(shù)值 ^1和《2 ；通過公式 1Λ = —計算得到被測信號的頻率值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于棉花異性纖維檢測的風(fēng)速傳感器和檢測方法，中心軸承通過滑動滾珠連接風(fēng)向杯裝置，在風(fēng)向杯裝置外沿周向水平均布若干個風(fēng)向杯；中心軸承的中段同軸固套齒輪，齒輪的每個鋸齒的齒頂端固定粘貼磁鋼片；霍爾傳感器前端上具有感應(yīng)開關(guān)元件，感應(yīng)開關(guān)元件位于磁鋼片附近位置且兩者在同一水平面上，霍爾傳感器內(nèi)部連接光電耦合器，風(fēng)向杯隨著風(fēng)吹進行旋轉(zhuǎn)帶動中心軸承和齒輪同步旋轉(zhuǎn)，磁鋼片與霍爾傳感器開關(guān)之間產(chǎn)生霍爾效應(yīng)；再通過單片機采用多周期同步方法測得脈沖信號的頻率，該脈沖信號正比于風(fēng)向杯轉(zhuǎn)速的信號，實現(xiàn)在全頻段范圍內(nèi)等精度測量輸出信號，減小了測量誤差，提高了對脈沖信號頻率的測量精度。
文檔編號G01P5/04GK102279282SQ20111018541
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者張榮標(biāo), 徐長琴, 王涵青, 黃義振 申請人:江蘇大學(xué)