專利名稱：一種用于棉花異性纖維檢測的風速傳感器和檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于現代工業(yè)檢測的風速傳感器，尤其是指一種應用在棉花異性纖維的識別檢測過程中能夠精確測量的風速傳感器。
背景技術：
棉花中的異性纖維是指混入棉花中對棉花及其制品質量有嚴重影響的非棉纖維和非本色纖維，如化學纖維、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，但對紡織品的質量影響嚴重，一旦混入參與紡織不但影響紡紗能力，而且染色后會使布面出現各種色點，嚴重影響布面外觀質量。目前，對于異性纖維的處理，國內外統(tǒng)一采用兩種方法，一是光學檢測，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進行信息檢測，對加工過程中的棉層進行檢測得到結果；這兩種方法的缺陷是 價格昂貴、清理效果差，無法滿足棉花質量評定檢驗中異纖含量精確測量的需要。目前，國內外常規(guī)的風速傳感器有葉輪風速儀，固體正交測風儀，壓力板測風儀， 螺旋推進測風儀，熱線測風儀，超聲波測風儀，激光測風儀等等，大致可歸為兩大類熱式測風傳感器和力式測風傳感器。熱式風速傳感器是基于熱源在風流流過后產生的熱梯度的原理來測量風速的。隨著風速的變化，熱源向風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速的恒流工作方式和通過測量加熱電流來測量風速的恒溫工作方式。力式測風傳感器是將風速的信息轉變?yōu)榱蛘邏簭姷男畔?，再檢測力或者壓強所引起的敏感結構的形變信息來測量風速，其信號檢測多采用電容、壓阻、壓電等方法。 熱式風速傳感器的缺點是功耗大，熱傳導會導致測量誤差，零點隨環(huán)境溫度漂移，響應時間長，高風速測量時不穩(wěn)定，有很大局限性。力式測風傳感器中電容檢測雖然結構簡單，響應快，溫漂小，但是線性不好；壓阻檢測靈敏度低，溫度效應明顯；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確度和特定的環(huán)境風速測量要求的。而隨著檢測技術和制造工業(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、準確度高的風速傳感器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有技術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構簡單、操作方便、測量精度高的磁電式風速傳感器；本發(fā)明同時還提出采用該風速傳感器進行檢測的方法。為實現上述目的，風速傳感器采用如下技術方案包括機械測風結構和電測結構兩部分，機械測風結構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裝置，軸承旋轉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向杯裝置，在風向杯裝置外沿周向水平均布若干個風向杯；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；所述電測結構由霍爾傳感器、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開關元件，感應開關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。該風速傳感器的檢測方法是風向杯隨著風吹進行旋轉，帶動中心軸承和齒輪同步旋轉，磁鋼片與放置在其附近的霍爾傳感器開關之間產生霍爾效應；霍爾傳感器將齒輪的轉動轉化為脈沖信號，齒輪每轉動一次鋸齒，霍爾傳感器便輸出一個脈沖信號，經光電耦合器后，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向杯轉速的信號。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， 第一步調用單片機的預置子程序先產生一個預置信號輸出至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器TO
和Tl的計數；將標準時鐘信號九和被測信號分別輸入計數器TO和Tl計數；
第三步當閘門時間上升沿到來時，計數器TO和Tl開始計數；當信號下降沿到達時，停止計數，讀入并保存對被測信號Λ和標準時鐘信號^的計數值《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，能夠實現在全頻段范圍內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)明測風結構的設計采用霍爾原理來進行動態(tài)風速的檢測，使得結構簡單、 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、分析對風速的動態(tài)測量結果， 使用方便，操作簡單。利用被測脈沖信號來預置一個同步的時間脈沖(包含若干個被測信號周期)，通過事件計數值、時間計數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，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)明風速傳感器的整體結構圖；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.風向杯裝置；4.風向杯；5.軸承旋轉裝置；6.齒輪；7.磁鋼片；8.感應開關元件；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結構和電測結構兩部分。其中，機械測風結構包括支撐底板13和連接在支撐底板13上的軸承旋轉裝置5， 支撐底板13水平放置，軸承旋轉裝置5與支撐底板13垂直連接。軸承旋轉裝置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連接風向杯裝置3，在風向杯裝置3外沿沿圓周方向水平均布若干個風向杯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。風向杯4采用的是碗狀的開口設計，在實際的棉花異纖檢測過程中，風速恒定在lOm/s左右，所以風向杯4的形狀特征對測量精度的影響是可以忽略不計的。電測結構由霍爾傳感器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。霍爾傳感器9前端上具有的霍爾感應開關元件8與齒輪6上的磁鋼片7位于同一水平面上，并且使感應開關元件8位于磁鋼片7附近位置，使感應開關元件8和磁鋼片7相距15mm左右?；魻杺鞲衅?內部連接光電耦合器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上的感應元件8，當沒有信號產生時，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所示的風速傳感器放置于棉花異性纖維檢測整套工序的進風口裝置處，在風速傳感器的左上方的進風口和水平右方的出風口處可以各放置一臺吹風機和抽風機。棉流從水平通道進入，而風從左上方吹進，在通道交接處匯合。吹風機和抽風機同時配合工作，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)明風速傳感器是不會產生直接接觸，因而棉流異纖不會對本發(fā)明風速傳感器中的風向杯4的風速測量造成不良影響。如圖1和2所示，風向杯4的旋轉速度隨風速的變化而變化。風向杯4隨著風吹進行旋轉，帶動中心軸承1旋轉，同時，中心軸承1帶動齒輪6也進行同步旋轉，齒輪6運轉時，磁鋼片7與放置在其附近的霍爾傳感器開關8之間產生霍爾效應。利用霍爾傳感器9 將齒輪6的轉動轉化為脈沖信號，齒輪6每轉動一周，就會產生一定量的脈沖個數，由霍爾傳感器9輸出脈沖，脈沖幅值為12V，經光電耦合器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向杯4轉速的信號。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據處理，單片機11將該值數據處理后，便可以實時得出測量的風速值，風速值直接在顯示器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,當頻率/ =10時，由計數誤差±1引起的相對誤差為±0.1 ；若頻車 =100時，由計數誤差±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，測量精度是不等的。若采用測量頻率法，當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，同樣產生了全量程范圍內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位數碼顯示器和譯碼器，譯碼器的輸出連接驅動
電路，驅動電路的輸出連接8位數碼顯示器。被測信號經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，預置信號由單片機產生，從D觸發(fā)器D端輸入，預置
信號和被測信號^通過D觸發(fā)器來實現同步。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的計數器TO和Tl的計數。標準的時鐘發(fā)生器的信號t,和被測信號
分別輸入計數器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果，其中串口送出待顯示的數據代碼，Pl 口的3根線通過譯碼，驅動后作動態(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
第一步通過調用單片機11的預置子程序，單片機11內先產生一個預置信號，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的計數器TO和Tl的計數。標準時鐘信號 和被測信號分別輸入計數器TO和Tl計數。第三步當閘門時間T上升沿到來時，即INTO和INTl輸入上升沿信號，則控制開關閉合，計數器TO和Tl開始計數。當信號下降沿到達時，控制開關斷開，定時器T0，Tl停止計數，讀入并保存對被測信號和標準時鐘信號的計數值《1和事件計數器Tl對被測信號J 累計得
權利要求
1.一種用于棉花異性纖維檢測的風速傳感器，包括機械測風結構和電測結構兩部分， 其特征是機械測風結構包括水平放置的支撐底板(13)和垂直連接支撐底板(13)的軸承旋轉裝置(5)，軸承旋轉裝置(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)連接風向杯裝置(3)，在風向杯裝置(3)外沿周向水平均布若干個風向杯(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);所述電測結構由霍爾傳感器(9)、光電耦合器 (10)、單片機(11)和顯示器(12)組成；霍爾傳感器(9)前端上具有感應開關元件(8)，感應開關元件(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.—種權利要求1所述風速傳感器的檢測方法，其特征是采用如下步驟A、風向杯(4)隨著風吹進行旋轉，帶動中心軸承(1)和齒輪(6)同步旋轉，磁鋼片(7) 與放置在其附近的霍爾傳感器開關(8)之間產生霍爾效應；B、霍爾傳感器(9)將齒輪(6)的轉動轉化為脈沖信號，齒輪(6)每轉動一次鋸齒，霍爾傳感器(9)便輸出一個脈沖信號，經光電耦合器(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向杯(4)轉速的信號。
3.根據權利要求2所述風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用單片機(11)的預置子程序先產生一個預置信號輸出至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)的計數器TO和Tl的計數；將標準時鐘信號，和被測信號分別輸入計數器TO和Tl計數；第三步當閘門時間上升沿到來時，計數器TO和Tl開始計數；當信號下降沿到達時停止計數，讀入并保存對被測信號和標準時鐘信號*的計數值 ^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速傳感器和檢測方法，中心軸承通過滑動滾珠連接風向杯裝置，在風向杯裝置外沿周向水平均布若干個風向杯；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開關元件，感應開關元件位于磁鋼片附近位置且兩者在同一水平面上，霍爾傳感器內部連接光電耦合器，風向杯隨著風吹進行旋轉帶動中心軸承和齒輪同步旋轉，磁鋼片與霍爾傳感器開關之間產生霍爾效應；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向杯轉速的信號，實現在全頻段范圍內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)先權日2011年7月4日
發(fā)明者張榮標, 徐長琴, 王涵青, 黃義振 申請人:江蘇大學