一种织针实时监测装置和方法，装置包括Y字型光纤束、变倍成像光学镜组、探测光源模块、光电探测器和信号处理模块。本发明装置能够及时准确地探测到损坏的织针，包括针钩断裂、针头断裂或过度弯曲的织针并及时发出警报，可显著提高针织品的质量，该装置具有工作距离长、体积小、实时性强和成本低的特点。
1.一种织针实时监测装置，特征在于该装置包括Y字型光纤束(1)、变倍成像光学镜组(2)、探测光源模块(3)、光电探测器(4)和信号处理模块(5)，所述的Y字型光纤束(1)由两束光纤束的一端合并另一端保持分开的三端：光纤束合并端，探测光光纤端和反射光光纤端构成，所述的探测光光纤端的端面与探测光源模块(3)发出的光束耦合，反射光光纤端的端面与所述的光电探测器(4)耦合，所述的光纤束合并端的端面置于变倍成像光学镜组(2)的物平面，所述的光电探测器(4)的输出端与所述的信号处理模块(5)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的织针实时监测装置，其特征在于所述的Y字型光纤束(1)的合并端的端面形状呈矩形或条状，由多根光纤端面紧密排列而成，所述的光纤束分开的两端的端面形状呈圆形，仍由多根光纤端面紧密排列而成。
3.根据权利要求2所述的织针实时监测装置，其特征在于所述的光纤束合并端的端面形状呈两个长边紧靠的矩形或条状，包括三种结构：所述的探测光光纤端和反射光光纤端的光纤端面分别紧密排列成两个矩形；
所述的探测光光纤端和反射光光纤端的光纤相互交错，紧密排列成一个矩形；
所述的探测光光纤端对应的光纤分布于平行于长边的中心线附近，反射光光纤端对应的光纤分布于两侧，紧密排列成矩形。
4.根据权利要求1所述的织针实时监测装置，其特征在于所述的变倍成像光学镜组(2)由依次的第一凸透镜(201)和第二凸透镜(202)构成，所述的第一凸透镜(201)和第二凸透镜(202)具有变倍成像功能。
5.根据权利要求1所述的织针实时监测装置，其特征在于所述的变倍成像光学镜组(2)的光轴与织针(6)的针杆呈45°角放置，使光斑成像位置正对针钩弯曲的外表面重合。
6.根据权利要求1所述的织针实时监测装置，其特征在于所述的探测光源模块(3)包括光源(301)和光源驱动电路(302)。
7.根据权利要求1所述的织针实时监测装置，其特征在于所述的信号处理模块(5)包括比较器(501)、整形电路(502)、微控制器(503)、显示器(504)和报警器(505)，所述的比较器的输入端分别与微控制器的输出端、光电探测器的输出端相连，比较器的输出端与微控制器的输入端相连，所述的显示器的输入端与微控制器的输出端相连，所述的报警器的输入端与微控制器的输出端相连。
8.利用权利要求1所述的织针实时监测装置对织针进行实时监测的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：①打开电源，将变倍成像光学镜组前条状光斑的像正对针钩弯曲的外表面，使其重合面积达到最大；
②利用光电探测器采集一根静止织针的反射光强度信号，根据显示器显示的信号大小微调所述的变倍成像光学镜组位置，使反射光强度信号达到或超过装置设定的测量阈值；
③开启针织机，所述的光电探测器把随时间变化的反射光强度信号转变为随时间变化的电压信号，然后将电压信号输入到比较器；
④所述的比较器以微控制器设置的阈值电压为基准电压，将输入电压信号转变为方波信号输入微控制器中；
⑤所述的微控制器根据方波信号占空比变化判断织针是否存在针钩、针头断裂或过度偏弯损坏：当方波信号占空比小于正常占空比范围，则微控制器控制报警器发出警报，显示器显示损坏类型为针钩、针头断裂；当方波信号占空比大于正常占空比范围，则微控制器控制报警器发出警报，显示器显示损坏类型为针头过度偏弯。
织针实时监测装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及纺织工业的针织机，特别是一种织针实时监测装置和方法，可实时监测针织机作业过程中织针的损坏状况，包括针钩断裂、针头断裂或过度弯曲，并及时发出警报。
背景技术
[0002] 针织机是现代纺织生产普遍使用的设备。在针织机的作业过程中，针织机床上一端具有针钩的织针往复运动钩取纱线，并将纱线牵拉进入线圈或者各种结构而形成针织物。一旦织针出现损坏，例如针钩、针头断裂或过度偏弯而未被发现，则钩取和牵拉纱线的动作没有完成，织物上会产生连续的疵点或缝隙，严重影响织品质量，织物成品率下降。因此，针织机工作过程中有必要对织针状态进行实时监控，在探测到织针损坏或异常以后立即报警并停止针织机的作业，以进行织针更换或复检。
[0003] 在先技术一（参见“基于机器视觉的织物疵点在线自动检测方法及其装置”，中国专利号201110052541.5，发明人薛云灿，刚建勋，杨启文，孙宁，沈继冬）利用工业摄像机在线采集织物图像并与标准图像模板比对，判断疵点类型并报警。该装置借由疵点产生后停机检查针头状态来判断是否有损坏织针出现，但这种方法存在以下不足：
[0004] 1、实时反馈性较弱。该技术通过对织物疵点的检测而间接检测织针状态，发现织物出现疵点后再停机检查损坏织针，反应时间较长，造成的织物废品率高。
[0005] 2、检测技术难度大。该技术通过实时图像处理方法实现，需要专用的算法与标准图像模板比对，需要开发专用的图像处理软件,计算量大，需要大容量、高速计算机系统。
[0006] 在先技术二（参见“圆型针织机织针缺陷探测装置”，美国专利No.3904529，发明人中村）依据反射光检测的方法，在针织机针床附近设置一个发光光源，采用一根光纤或光纤束作为反射光接收探头，探头对准织针针钩外侧，针钩反射的光由光纤或光纤束近距离接收后，由光电探测器转换为电信号进行处理。当针钩损坏时，反射光强度发生变化。由此，信号处理系统判别织针状态。该装置存在以下不足：
[0007] 1、工作距离过近。为保证较多反射光进入光纤，以被光电探测器接收并处理，光纤或光纤束一端距离织针必须靠近，约在3mm以内，在安装、调试和使用时光纤较易与织针硬接触，导致光纤或织针的损伤。
[0008] 2、采用分体结构，安装工序较多，占用空间大。由于光源和光纤或光纤束需要同时对准织针针钩外侧，因此需要在织针针钩外侧留出足够大的空间放置光源和光纤或光纤束。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种织针实时监测装置和方法，该装置能够及时准确地探测到损坏的织针，包括针钩断裂、针头断裂或过度弯曲的织针并及时发出警报，可显著提高针织品的质量，该装置具有工作距离长、体积小、实时性强和成本低的特点。
[0010] 本发明的技术解决方案如下：
[0011] 一种织针实时监测装置，特点在于该装置包括Y字型光纤束、变倍成像光学镜组、探测光源模块、光电探测器和信号处理模块，所述的Y字型光纤束由两束光纤束的一端合并另一端保持分开的三端：光纤束合并端，探测光光纤端和反射光光纤端构成，所述的探测光光纤端的端面与探测光源模块发出的光束耦合，反射光光纤端的端面与所述的光电探测器耦合，所述的光纤束合并端的端面置于变倍成像光学镜组的物平面。
[0012] 所述的Y字型光纤束的合并端的端面形状呈矩形或条状，由多根光纤端面紧密排列而成，所述的光纤束分开的两端的端面形状呈圆形，仍由多根光纤端面紧密排列而成。
[0013] 所述的光纤束合并端的端面形状呈两个长边紧靠的矩形或条状，包括三种结构：
[0014] 所述的探测光光纤端和反射光光纤端的光纤端面分别紧密排列成两个矩形；
[0015] 所述的探测光光纤端和反射光光纤端的光纤相互交错，紧密排列成一个矩形；
[0016] 所述的探测光光纤端对应的光纤分布于平行于长边的中心线附近，反射光光纤端对应的光纤分布于两侧，紧密排列成矩形。
[0017] 所述的变倍成像光学镜组由依次的第一凸透镜和第二凸透镜构成，所述的第一凸透镜和第二凸透镜具有变倍成像功能。
[0018] 所述的变倍成像光学镜组的光轴与织针的针杆呈45°角放置，使光斑成像位置正对针钩弯曲的外表面重合。
[0019] 所述的探测光源模块包括光源和光源驱动电路，由光源驱动电路发出一定频率的方波信号对光源进行强度调制。
[0020] 所述的信号处理模块包括比较器、微控制器、显示器和报警器，所述的比较器的输入端分别与微控制器的输出端、光电探测器的输出端相连，比较器的输出端与微控制器的输入端相连，所述的显示器的输入端与微控制器的输出端相连，所述的报警器的输入端与微控制器的输出端相连。
[0021] 所述的光源驱动电路的输入端与微控制器的输出端相连，根据微控制器发出的控制信号来设定所述的方波信号的频率及占空比。
[0022] 利用所述的织针实时监测装置对织针进行实时监测的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
[0023] ①打开电源，将变倍成像光学镜组前条状光斑的像正对针钩弯曲的外表面，使其重合面积达到最大；
[0024] ②利用所述的光电探测器采集一根静止织针的反射光强度信号，根据显示器显示的信号大小微调所述的变倍成像光学镜组位置，使反射光强度信号达到或超过装置设定的测量阈值；
[0025] ③开启针织机，利用所述的光电探测器把随时间变化的反射光强度信号转变为随时间变化的电压信号，然后将电压信号输入到所述的比较器；
[0026] ④所述的比较器以所述的微控制器设置的阈值电压为基准电压，将输入电压信号转变为方波信号输入微控制器中；
[0027] ⑤所述的微控制器根据方波信号占空比变化判断织针是否存在针钩、针头断裂或过度偏弯等损坏：
[0028] 当方波信号占空比小于正常占空比范围，则微控制器控制报警器发出警报，显示器显示损坏类型为针钩、针头断裂；当方波信号占空比大于正常占空比范围，则微控制器控制报警器发出警报，显示器显示损坏类型为针头过度偏弯。
[0029] 与在先技术相比，本发明有以下优点：
[0030] 1.直接监测织针状态，实时性较好。信号处理模块主要进行信号调制、电压比较等工作；
[0031] 2.工作距离长，不易造成损坏。本发明所采用的变倍成像光学镜组具有较大的光学数值孔径，在保证反射光接收空间角的基础上仍有较长的工作距离，距离织针较远，避免了在安装、调试和使用中因误操作而造成光学头的损坏；
[0032] 3.光纤制作成本低。本发明所使用光纤传光束为常用规格，加工工序简单，成本较低。
附图说明
[0033] 图1是本发明织针实时监测装置结构示意图
[0034] 图2是本发明Y字型光纤束示意图
[0035] 图3是本发明光学系统示意图
[0036] 图4是本发明信号处理原理图
[0037] 图5是本发明实施例方波信号检测结果图
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0039] 先请参阅图1，图1是本发明织针实时监测装置实施例的结构框图。由图可见，本发明织针实时监测装置，包括Y字型光纤束1、变倍成像光学镜组2、探测光源模块3、光电探测器4和信号处理模块5，所述的Y字型光纤束1由两束光纤束的一端合并另一端保持分开的三端：光纤束合并端，探测光光纤端和反射光光纤端构成，所述的探测光光纤端的端面与探测光源模块3发出的光束耦合，反射光光纤端的端面与所述的光电探测器4耦合，所述的光纤束合并端的端面置于变倍成像光学镜组2的物平面。
[0040] 所述的Y字型光纤束1设计如图2第一种设计方案所示，光纤束合并端的端面形状呈两个长边紧靠的矩形或条状，每个矩形或条状由多根光纤端面紧密排列而成，这两个矩形或条状的端面分别对应探测光光纤端和反射光光纤端。探测光光纤端和反射光光纤端的端面形状是圆形，仍由多根光纤端面紧密排列而成。
[0041] 所述的变倍成像光学镜组2由依次的第一凸透镜201和第二凸透镜202构成。所述的第一凸透镜201、第二凸透镜202在装置中具有变倍成像功能。为了清楚区分相邻的织针信号，成像光斑宽度需小于或等于针杆厚度及针与针的空隙宽度。参考中华人民共和国纺织行业标准FZ/T90105-1999，针织机机号范围为2至50，针杆厚度范围为0.26mm～2.2mm，针与针间空隙范围为0.248mm～10.5mm。为匹配不同机号对应的织针，成像倍率要根据针杆厚度及针与针的空隙宽度确定，可通过更换不同焦距透镜实现变倍成像功能。所述的变倍成像光学镜组2与针杆呈45°角放置，使光斑成像位置正对针钩弯曲的外表面并尽可能重合。
[0042] 所述的探测光源模块3包括光源301和光源驱动电路302。所述的光源301的输出光束与所述的Y字型光纤束1的探测光光纤端耦合，它们的相对位置要保证光源301发出的光尽可能多地进入探测光光纤端。所述的光源驱动电路302的作用是发出一定频率的方波信号对光源进行强度调制。
[0043] 所述的光电探测器4的输入端与所述的Y字型光纤束1的反射光光纤端耦合，它们的相对位置要保证反射光光纤端的光尽可能多地进入光电探测器4。
[0044] 所述的信号处理系统包括比较器501、微控制器502、显示器503和报警器504。，所述的比较器的输入端分别与微控制器的输出端、光电探测器的输出端相连，比较器的输出端与微控制器的输入端相连，所述的显示器的输入端与微控制器的输出端相连，所述的报警器的输入端与微控制器的输出端相连。
[0045] 所述的比较器501用于将输入的电压信号转变成具有不同占空比的方波信号，并输入到所述的微控制器502中。当一个织针从变倍成像光学镜组2前经过时，输入比较器501的电压信号幅值会先减小至小于比较器的基准电压，而后增大至大于基准电压，过程中比较器输出方波产生两次跳变，由此每一根织针的电压信号都将转变为一个具有不同占空比的方波信号。
[0046] 所述的微控制器502根据输入的方波信号占空比变化判断织针是否存在针钩、针头断裂或过度偏弯等损坏。当方波信号占空比小于正常占空比范围，则微控制器502控制报警器504发出警报，显示器503显示损坏类型为针钩、针头断裂；当方波信号占空比大于正常占空比范围，则微控制器502控制报警器504发出警报，显示器503显示损坏类型为针头过度偏弯。
[0047] 所述的光源301、光源驱动电路302、比较器501、微控制器502、显示器503和报警器504，由于这些电路及元件的连接都是现有的常规的，请恕我在此不再赘述。
[0048] 本发明的最佳实施例的结构如图1、图2、图3、图4所示，其具体结构和参数如下：
[0049] 光源301为红光发光二极管（LED），中心波长为680nm。Y字型光纤束1采用芯径50μm玻璃光纤排列而成，数值孔径≥0.6。变倍成像光学镜组采用光学4F系统结构，包含第一凸透镜201和第二凸透镜202，有效焦距21.3mm，后工作距离18.0mm,成像倍率为1倍。Y字型光纤束1合并端的端面置于第一凸透镜201左方18.0mm处，光斑成像在第二凸透镜202右方18.0mm处。光电探测器4为PIN二极管。光电探测器中的前置放大电路的运放型号为OPA637。比较器型号为LM393，微控制器采用STM32系列。
[0050] 利用上述实施例装置对32针/英寸的针织机针床上的织针进行实时监测：
[0051] 依据单根织针静态测量值U1，设置比较器基准电压U0=U1×40%；依据针织机的机号设置判别织针状态正常的占空比动态范围为30%～70%。
[0052] 其实际监测信号如图5所示，图中为比较器输出的方波信号。监测结果表明，所述装置对该织针机针床上的织针中的损坏织针与歪针的识别准确率达100%。
