基于激光三角法测量经纱管振程的研究

０   引言

       经纱管的振程直接影响纱线质量和锭子使用寿 命，目前关于振程测量的研究主要有：王文彬等基于 压电晶体的压电效应，利用压电式传感器测量锭子 振动情况［１］；齐晓旭利用锭子故障诊断系统测量锭子振动信号，该方法可以满足实验室测量需求，应必 须接触式测量而无法用于大规模检测［２］；锭子测振 仪广泛用于经纱管振动测量，但也须手动测量，效率 较低；马晓建等研究了影响锭子振动的因素，采用频 域分析、小波变换的方法对锭子振动进行分析，确定 均方值以表示锭子振动情况［３］；王金福等通过频域 分析方法研究评价轴承的振动情况［４］。但是，测 量 经纱管振程的研究较少。为此，笔者基于激光三角 法测量位移原理设计塑料经纱管振程测量平台，统 计分析其振动数据，以研究确定振动评价标准。

１   激光三角法测量基本原理

      利用激光三角原理测量位移的方法，主要有斜 射式测量和直射式测量［５］。

      斜射式测量位移的工作原理为：激光器发射的 激光束与被测物体表面构成一定角度，被测物体将 光线反射至线性 ＣＣＤ表面；当被测物体的位移发生 改变时，光斑位置在线性 ＣＣＤ 表面发生移动，从而 测量出被测物体位置的变化，如图１所示。该测量 方法经常用于测量表面光滑的物体。

       　直射式测量位移的工作原理为：采用垂直照射 的方式，当被测物体移动时，因物体表面漫反射导致 在线性 ＣＣＤ 表面成像位置发生变化，如图２所示。 该测量方法适用于测量表面粗糙的物体。

       　因为塑料经纱管应具有加捻卷绕纱线的功能， 故其表面粗糙度 Ｒａ 值较大，应根据直射式测量位 移的原理对经纱管的振动情况进行测量。

２    经纱管振程测量系统

       经纱管套装在锭子上，其振动视为是在平衡位 置附近摆动，故用单方向位移传感器进行测量［６］。

       当经纱管工作转速为１８ｋｒ／ｍｉｎ时，根 据 香 农定理则采样频率不应小于被测量信号频率的２倍； 因此经纱管振程测量采用的传感器频率不应小于 ６００Ｈｚ，在经纱管一 个 转 动 周 期 内 至 少 可 以 测 量２ 个位移点。测量采样点如图３所示。

   　传感器振程测量检测系统主要由激光位移传感 器、数据采集卡、计算机数据处理系统等组成。为统 计振动结果，将传感器测量数据正数设定。传感器 标定见图４。

        　测量前传感器进行标定，标定的数据采用最小 二乘法进行 拟 合［７］，拟 合 曲 线 见 图５。为 了 确 保 数 据的准确性，对同位置位移值取多次均值，最终拟合 方程为：ｙ＝０．４０２ｘ－１１．２５８，相关系数Ｒ２＝０．９９。

 ３    经纱管振程评价标准与验证

３．１ 经纱管振程均值

        在振动评价中通常采用均值作为评价的标准，振程均值可以体现出经纱管振动信号距离中心的变 化情况［８］，其表达式为：

３．２    经纱管振程变异系数

         经纱管在高速旋转过程中，方差表示经纱管振 动位移的离散程度［９］；由于经纱管的振动中心并不 总是其几何中心，用方差评价经纱管振程并不合理。 为此，定义经纱管振程变异系数，其表达式为：

        式中：ｎ 表示采样数据点的个数；ｘ 为经纱管振 程均值，见计算公式（１）；ｘｉ 为传感器第ｉ次测量经 纱管振程的数值。

        将传感器最大量程记为传感器相对零点，如图 ６所示。

    　将测量的经纱管振程数据以矩阵的形式表示， 列方向表示测量的经纱管振程值，行方向表示重复 次数，记为Ａｍｎ。

     　矩阵行方向数据记录着经纱管在１个旋转周期 内传感器测量的振程位移数据，根据经纱管振程变 异系数公式计算行方向的ＣＶ 值，其表达式为：

       　将计算的ＣＶ 值取为均值，称为经纱管变异系数均值，其表达式为：

        另一种对矩阵数据处理的方法，为对矩阵列方 向的数值取均值。列方向数据为经纱管转动中重复 位置点的振动位移，取其均值并计算变异系数，称为 经纱管平均变异系数，其表达式为：

      　式中：ａｊ 为各列的均值，ａｊ为ａｊ 的均值。

         图７为经纱管 在１０ｓ内 振 程 测 量 系 统 的 变 异 系数均值和平均变异系数的变化情况。实验表明： 平均变异系数变化幅度平稳，因此采用其为经纱管 振程的评价标准。

         　经纱管在低速旋转时的振动幅度较高速时明 显，因此设定不同的转速对以上２种经纱管振程的 评价标准进行试验验证。设定管长为１９５ｍｍ 经纱 管在１８ｋｒ／ｍｉｎ，１２ｋｒ／ｍｉｎ，６ｋｒ／ｍｉｎ及３ｋｒ／ｍｉｎ 的不同转速条件下进行试验，采样时间为１０ｓ，依据 式（１）和式（５）计算经纱管振程均值和振程变异系 数，试验统计结果见图８和图９。

         　当经纱管转速为６ｋｒ／ｍｉｎ时接近第一阶临界 转速，经纱管振动较明显、相应的振程变异系数值增 大 ；随着转速提升，经纱管振程变异系数降低，试验

结果与观测结果相符，验证了评价指标的合理性。

４   结论

４．１ 塑料经纱管表面粗糙度 Ｒａ 值较大，可根据直 射式测量原理对其振动情况进行测量；塑料经纱管 工作振动情况近似为强迫振动，可采用单方向位移 传感器进行测距。

４．２ 针对测量数据采取２种统计学分析方法，试验 表 明塑料经纱管振程平均变异系数变化稳定，能更 为准确地反映其振动程度。

４．３ 当塑料经纱管转速为６ｋｒ／ｍｉｎ时，其振程平均变异系数明显变大。