剑麻绳芯直径测量传感器的设计

明鑫，覃秀凤，莫建恒

（1.广西职业技术学院，广西 南宁 530226；2.广西剑麻集团山圩剑麻制品有限公司，广西 扶绥 532100）

剑麻纤维具有质地坚硬、韧性良好、表面粗糙、吸放湿快、抗腐蚀性强、耐磨、没有静电等几个非常独特的特点，它是一种优异的硬质类纤维材料，产量约占全球硬质类纤维材料总量的六成[1]。剑麻纤维能加工成剑麻绳芯，它是电梯钢丝绳绳芯的一个重要原材料之一。剑麻绳芯在钢丝绳中能对绳股产生储油润滑和轮廓支撑的作用，因此钢丝绳在动态和静态时都能保证整绳完整的结构和均匀的通条性能[2]。

在钢丝绳用剑麻绳芯标准GB/T15030-2009及《钢丝绳芯用剑麻纱》NT/T1523—2007标准中[2，3]，对利用剑麻绳芯充当钢丝绳芯进行了明确的要求。绳芯必须能够充分支撑钢丝绳股，保证每股之间留有充足的间隙。根据不同的应用场合，大多数剑麻绳芯的直径一般要求3～15 mm，且直径误差在±5%之内的为合格产品，直径误差在±3%之内的为优质产品。不同品质的剑麻绳芯产品销售价格有很大的差别。因此，在生产剑麻绳芯的过程中，对绳芯直径这个参数的测量及控制是一个非常重要的环节，能直接影响到产品的品质和销售价格。

刘震等[3]根据生产实际明确指出三股和四股构成的剑麻绳芯应用较广泛，依照支数和线密度可以计算得出剑麻纱线的直径。生产纱条产品支数的误差范围在±8%，纱线的不匀率误差范围在±5%的通条均匀。最好使用自带推力测量装置的数字显示式游标卡尺，从而确保测量数据的准确性。《剑麻钢丝绳芯》特别指出，绳芯直径的测量应该在一定的预张力下进行，由于剑麻芯的弹性没有一般人造纤维芯的弹性大，可用卡尺直接测量。过惠成[4]对使用剑麻绳芯作为电梯钢丝绳芯的结构、剑麻纱条的质量标准以及绳芯捻制的质控要素做了比较详实的研究。用在电梯钢丝绳内的剑麻绳芯一般由分3股或者4股构成，常见的直径数值是4.8～13 mm，捻距的经验值为绳芯直径数值的3～4倍。她还提出了一种利用钢丝绳直径、捻制系数、钢丝绳股数来间接确定剑麻绳芯直接的计算方法。

目前国内剑麻加工企业主要分布在南方几省，只有广东和广西有为数不多的企业具有剑麻绳芯生产加工的能力。通过现场调研发现，现有设备在生产绳芯的捻股和合绳环节可以通过改变股数和调节单股张力、捻距的方式来调整绳芯的直径。这些数据都是通过经验值来设定。成品直径通过数字显示游标卡尺来测量，只能做到人工抽样检测。在生产过程中剑麻绳芯会卷成捆，按照目前的方法只能抽检最外层的绳芯直径，里面部分由于已经被遮挡不便抽检。这对产品的质量监控带来很大的困难。

综上所述，目前国内外的科技工作者对剑麻的种植、加工、绳芯应用等环节都有相关研究，特别是关于剑麻绳芯对改变钢丝绳特性的作用方面有了统一的认识。相关的国家标准和行业企业标准也对不同钢丝绳产品中剑麻绳芯的直径的要求做了明确规定。但是，在剑麻绳芯加工生产环节对绳芯直径的测量、控制及溯源等环节还存在较大的不足。

因此，本文研究设计一种剑麻绳芯直径的取样传感器，安装于剑麻绳芯成品打捆工序之前。此装置能实时采样测量当前绳芯的直径数据，并将此数据反馈给在捻股和合绳生产设备，以便设备能自动调节工艺参数，确保绳芯产品直径达到质量要求。

1 设计方案

本文设计的剑麻绳芯直径测量传感器能够实时测量剑麻绳芯直径，并将数据发送给原有生产设备。原设备包括捻股合绳设备、压绳机构、烧毛刺设备、打捆设备及触摸屏，是典型的开环式系统。绳芯的直径只能通过经验数据来设置控制。设计的取样传感器，包括绳芯直径取样机构、激光测距模块、数据格式转换模块。取样传感器安装在剑麻绳芯成品打捆工序之前。本装置有实时采样测量当前绳芯的直径数据，将绳芯的直径数据转换格式之后发送给原有的生产设备的功能。

2 直径取样机构设计

由于剑麻绳芯是由多股细绳合股捻制而成，成品的绳芯并不是一条光滑的线状外观，而是一条呈现凹凸起伏的麻花状绳线。为了能够实时获取此特殊形状的绳芯直径数值，设计一个如图1所示的绳芯直径取样机构，再利用激光测距模块就可以准确地取样单点的绳芯直径[5]。

图1 取样机构的结构

2.1 结构设计

取样机构的结构如图1所示，它是一个水平安装于车间地面的装置，其底座是尺寸为30 mm×50 mm的矩形吕质构造，四周留φ8 mm安装孔。底座的左右两端居中位置设置有两个导向轮，此导向轮分别通过4颗螺钉固定在底座上。两个导向轮的凹槽处于同一平面，确保测量的时候剑麻绳芯穿过这两个导向轮后不发送扭曲。底座的中间位置设置了一个由左侧板、右侧板和顶板组成的龙门架结构，它们通过六角紧固螺钉与底板锁紧。顶板与底板之间设置有一个竖直前辊筒，此滚筒通过上下法兰固定与顶板与底板之间，因此它与底板的相对位置固定。顶板下方设有一个长15 mm水平直线导轨，导轨上安装一个能沿着导轨方向前后移动的滑块。滑块下方设置一个竖直安装一个后辊筒，后辊筒上端通过法兰固定在滑块上，辊筒下端为只有活动端。两个竖直辊筒所在的竖直面与两个导向轮所在的平面相互垂直。后辊筒上端的法兰与门框的挡板之间用一条弹簧连接，由于弹簧的拉力作用保证了两个辊筒紧密接触，当绳芯穿过两个辊筒之间时，后辊筒相对前辊筒的移动的距离即为此处绳芯的直径。上述移动的距离由安装在前挡板上的激光测距模块测出。激光测距模块发射和接收的光束通过前挡板的开口，从门架外侧指向门架内的滑块侧表面。以上结构能够将绳芯的直径转换为两个辊筒之间的移动距离，最终通过激光测距模块测出。

2.2 测量策略

由于剑麻绳芯产品的物理特点，成品麻绳芯由多股细绳缠绕捻制得来。成品剑麻绳芯表面并不是光滑的构造，而是呈现麻花状外形。由于节约传感器空间和节省生产成本的原因，在麻绳的截面上取样机构只使用了一对夹持的辊筒来获取直径数据。而没有在麻绳走向的垂直面设置多对夹持辊筒来采集多点直径数据。所以此取样机构在某一时间点得到的绳芯直径数值并不是实际结果，而是在某一小范围内反复波动的数值。为了得到绳芯直径的实际数值，需要配合单片机程序对一段连续采集的绳芯直径数值进行误差修正。之后将此修正后的直径数据发送给原有的生产设备。经过不断的测试和对比调试，单片机程序采用了以下公式来计算绳芯的直径：

式中，d为最终得到的某段剑麻绳芯的实际直径数值；m为表示激光测距模块测量的次数，取值1，2，3……，取值越高意味着选取来评估该段绳芯直径的取样长度就越长；dn为表示激光测距模块测得的某次直径数值；s为表示麻绳的捻距；c为表示麻绳的捻制股数，此参数视生产情况而定；f为表示激光测距传模块的测量频率，根据经验数据此频率的范围在5 Hz～20 Hz为宜。

3 数据格式转换模块

剑麻绳芯直径生产设备的控制核心为型号较老旧的工控机，数据接口只有常规的RS485、RS232、USB接口和网口，而激光传感器输出信号为0～5 V或者4～20 mA的模拟量形式。因此，需要设计一个数据格式转换模块，读取激光测距模块输出的模拟信号转换为数字量，通过RS485总线输出给工控机，以便工控机能实时获取绳芯直径数据做后续处理。数据格式转换模块原图如图2所示，印制电路板物如图3所示。

图2 数据格式转换模块原理

图3 数据格式转换模块实物

3.1 电路分析

图4中，H3为整个电路的供电端子，输入电源电压为5 V直流。H2端子为激光传感器电压输入端子，经电压跟随器U3缓冲后输入单片机模拟转换端口ADC3，ZD1起到输入保护作用。因输入端子的输入电压范围为0～5 V，为了保证近运放之后输出的电压能达到0～5 V的范围，选取U3型号为LMV321IDBVR。它是一款典型的轨到轨运算放大器，它能保证输出电压的摆幅达到电源电压幅度，即传感器输入电压在0～5 V时，U3的4脚输出电压为0～5 V[6]。

U1为模块的控制核心STC15W404AS，它是一款性价比很高的单片机，具有较宽的电源电压，4K程序储存器和512ByteRAM应用在此场景还有冗余空间。该芯片具有8通道的10位ADC，能实现传感器输入信号的模数转换[7]。UART接口能将换算的结果串行发送给U2。

U2型号号为MAX48CSA，它是典型的SOIC-8封装。U2的1脚RO将485转换之后的串行数据送单片机RXD引脚。DI引脚接收单片机发送的串行数据，U2将它转换为485信号之后从AB输出。RE和DE引脚为数据方向控制引脚，低电平时接收数据，高电平时发送数据。

D1为485总线上的保护器件，使其端口免受ESD、EFT和雷电导致的浪涌电流的冲击。PSM712瞬态抑制TVS二极管阵列是专为保护具有非对称工作电压的RS-485应用而设计的，它能够吸收反复性ESD放电，同时在极低的箝位电压下安全地耗散19A的8/20 μs波形浪涌电流，具有很高的可靠性[8]。

3.2 转换模块程序设计

单片机程序的核心部分：外部输入电压的测量，由于本电路中单片机的ADC没有连接外部参考电压，把外部的5 V电压当做电压基准。这样测量的结果会存在一定的误差，因为单片机的电压并不是标准的5 V，而是存在一定的波动。为了解决这个问题，单片机内部提供了一个1.19 V的高精准参考电压源，为ADC的第15通道。

为了测量通道3的收入电压（激光传感器的输入电压），首先测量一次1.19 V的这个基准电压源，反算出电源电压V1。立即再次测量一次输入通道3的值，利用前次得出的V1就能计算出输入通道3的实际电压值了。这样操作的一个前提就是，在这样一个测量周期内单片机的电源电压没有产生波动。

几个关键的函数如下。AdcInit（）函数为ADC的初始化函数，每次测量之前调用。GetVolt（）函数为ADC的测量函数，输入参数为1时测量3通道的值，输入参数为2时测量基准电压通道的值。Measure-Data（）函数为测量并换算3通道最终电压的函数，返回值为3通道电压扩大1000倍的数值。

void AdcInit（void）

{

P_SW2=0X80； //允 许 访 问 扩 展RAM区的特殊功能寄存器

AdcTim|=0X3F；

AdcCfg=0x2f； //转换结果右对齐

Adc_Contr=0x80； //使能ADC模块

}

unsigned int GetVolt（unsigned char channel）

{ unsigned int vlot；

switch（channel）

{

case 1：Adc_Contr=Adc_Contr|0x40|0x01；

//启动AD转换 通道1

break；

case 2：Adc_Contr=Adc_Contr|0x40|0x0f；

//测量内部1.19V标准电压

break；

default：

break；

}

_nop_（）；

_nop_（）；

while（!（Adc_Contr & 0x20））； //查询ADC转换是否完成

Adc_Contr &=～0x20； //清除转换完成标志

vlot=（Adc_Res＜＜8）|Adc_Resl； //读取ADC转换结果

Adc_Contr &=～0x40；

return vlot；

}

unsigned int MeasureData（void）

{

unsigned int V119，Vinput；

unsigned int Volt；

AdcInit（）；

V119=GetVolt（2）；

AdcInit（）；

Vinput=GetVolt（1）；

Volt=（unsigned int）（（Vinput*1190.0）/V119）；

return Volt；

}

4 测试实验

将剑麻绳芯测量传感器用4颗φ10mm膨胀钉固定在设备两立柱之间的地面，绳芯通过两导线轮穿过传感器。将测量控制电箱安装与立柱左边位置，然后将电源线、信号线等按照规范链接，形成的新设备如图4所示。

为验证本设计的可行性，将10组取样机构测量得到的剑麻绳芯直径数据与游标卡尺测得的直径数据做了对比，见表1。

在此验证过中，把游标卡尺测量的数据当作标准数据，将取样机构测量的结果与之相减得到了10组误差值，计算出这10组误差值的标准差为0.077。

表1数据表明，设计的传感器与标准测量仪器测量数值的误差值分布在±0.1之内，标准差为0.077，测量的结果稳定可靠，满足实际应用的需求。

5 结语

新设计的剑麻绳芯直径取样传感器的实验测量值与标准测量仪器测量数值的误差值为±0.1，标准差为0.077，可以应用于实际生产，安装于剑麻绳芯成品打捆工序之前，能够实时采样测量当前绳芯的直径数据，并将此数据反馈给在捻股和合绳生产设备，以便设备能自动调节工艺参数，确保绳芯产品直径达到质量要求。本设计的剑麻绳芯直径取样传感器切实可行，具有推广应用的价值。