杨素秋

（常州信息职业技术学院，江苏常州，213164）

电容式传感器在纱疵检测中的应用设计

杨素秋

（常州信息职业技术学院，江苏常州，213164）

电容式传感器因其结构简单、功耗小、动态响应快、零漂小和灵敏度高，而被广泛应用。本文介绍了一种用电容式传感器作为检测手段来检测纱线的纱疵信号并转换成便于分析和处理的电压信号的设计方法。实现对纱疵信号的有效检测和转换。

纱疵；电容式传感器；检测

0 引言

在棉纺织厂纱线纱疵不仅是衡量产品质量优劣的重要标志之一，也是各项生产技术管理工作综合水平的反映。在纱线的生产过程中纺纱纤维原料、纱线加工过程和纺纱设备都能引起纱线纱疵。在络筒车上采用电子清纱器来检测和清除纱疵是纺织厂提高纱线质量的最后一关。能够有效检测到纱疵信号的传感器主要有两种，分别是光电传感器和电容传感器。

1 电容式传感器

传感器通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。

电容式传感器是最常见的传感器之一。其工作原理是，当电容器两极板间的电压为V时，聚集在极板上的电荷Q与V之间的关系可以用式1.1来表示。

其中C是电容器的电容。当电压保持不变时,电量Q的值随电容C的变化而发生变化。而电容C的值又取决于两个极板的参数和相对位置以及极板间电介质的电容率。

2 纱线纱疵

纱疵就是纱线的疵点，是由于原料、设备和生产过程等原因所产生的疵点。通常根据纱疵的截面积和长度不同来对纱疵进行分级。通常分短粗节、长粗节和长细节，短粗节共分为16级，长粗节共分为3级。纱疵都是影响纱线质量的有害纱疵，有效检测到纱线的这些有害疵点非常重要。纱疵的检测就是设计一个切实有效的传感器来采集纱疵信号，并将纱疵信号转换成便于传输和处理的电信号。

3 电容式传感器检测纱疵的优势与原理

电容式传感器由于具有结构简单、功耗小、动态响应快、零漂小和灵敏度高以及造价低、不怕振动等特点，使得它更适合纱疵检测。当纱线在电容式传感器的两个极板间通过时，电容两极板间的介质发生了改变。当纱线的粗细也就是纱线单位长度质量发生变化时，介质也随之改变，于是两极板间的电容量也发生了变化。然后设计一个有效地转换电路，把变化的电容量转换成变化的电流量，就实现了纱疵信号的检测。

当纱线垂直于电场通过电容传感器两极板之中，同时充满度很小不会引起电场畸变时， 其电容量为：

通过电容式传感器获得的代表纱线纱疵情况的电容量，在后续的处理和鉴别过程中无法直接应用，因此必须将电容的变化转换为电压、电流或频率信号。这就需要设计一个有效的转换电路。常用的电容检测电路有振荡式、谐振式、AC桥式和充放电式。振荡式电容检测电路，电路简单易于实现，本次设计采用振荡式电容检测电路。

4 振荡式电容检测电路

为了实现纱疵信号的有效检测和输出，分别设计了振荡电路和鉴频电路两部分。

4.1 振荡电路设计

为了提高振荡电路的频率稳定性，振荡器的直流偏置采用了深度直流反馈和基极回路中的镜像电流设计。这样，温度发生变化时振荡器的工作电流保持恒定不变，从而稳定了振荡器振幅。要使振荡器在工作时，晶体管V1的基极处于高频地电位于是在电路中加入电容C4。当纱支电压VZ接近-8V时，三极管V1的基极集电极电容Ccb会突然增大，进而会引起振荡频率的较大偏移。为了保证鉴频电路的零点不发生很大的偏移，于是在振荡器V1的基极集电极之间加入二极管V6。为了隔离晶体管输出电容Cce对频率的影响，在晶体管V1的发射极回路中接入了电阻R7。而由V2构成的放大器是用来提高振荡器的振荡幅度。振荡器电路产生的高频振荡信号经过电容C10耦合至鉴频电路。

4.2 鉴频电路的设计

振荡式电容检测电路的鉴频器电路如图4.2所示。

由C10电容耦合输出未经调制的高频信号被调定在鉴频器谐振回路的谐振点上，其中心频率是30MHz。当电容式传感器CM内没有纱线时，鉴频电路检测到的是一个直流电平，这一电平就是检测信号的零点。当CM内有纱线运行时，纱线本身的不均匀性使CM电容量发生微小变化，这时原来的高频信号就被这种变化所调制。再经过二极管的作用，代表纱线本身质量的直流信号和代表纱线不匀度的交流信号就能被检测出来。

5 总结

在电路调试过程中，传感器的转换特性用规定量规的测定值来表示。在规定纱支电压的各点上，用规定的量规投入CM电容的槽口中，读出投入前和投入后传感器零点的电压差值，由各点电压差值的绝对值所组成的曲线即是该传感器的转换特性，这种转换特性是一直线。为了便于校核，实际应用中传感器的转换特性通常在-4V、0V、+4V三点纱支电压上测量。对于不同规格的传感器其转换特性不同，所用的量规也不同。

[1] 周秀玲等.电子清纱器参数设定及布纱疵控制[J].棉纺织技术，2002，30(11):22-25.

[2] 蒋家云，富宝龙.电容式传感器电容检测电路的研究[J].传感器世界.2008（3）:46-49

Application design of capacitive sensor in the detection of yarn defects

Yang Suqiu
(Changzhou College of Information Technology,Changzhou Jiangsu,213164)

Capacitive sensor is widely used because of its simple structure,low power consumption,fast dynamic response,low drift and high sensitivity.This paper introduces a capacitive sensor as a means of detection to detect the yarn defect signal and convert it into a convenient design method for analysis and processing of voltage signal.To achieve effective detection and conversion of yarn signal.

yarn；capacitive sensor；detection

图4.2 鉴频电路