2.13.4. Ик оэп линейной плотности ленты

Сущность работы оптоэлектронных преобразователей линейной плотности (ОЭП ЛП) волокнистых текстильных материалов заключается в ослаблении проходящего через него светового потока с длиной волны 0,8 – 0,9 мкм в зависимости от его плотности. С учетом временной нестабильности, влияния температуры и других факторов на пару «светодиод-фотодиод» применяются различные способы коррекции режимов его работы. Функциональная схема ИК ОЭП ЛП ленты или пряжи со структурной коррекцией приведена на рис. 2.67. Устройство работает в двух режимах [16]: контроля и измерения.

В режиме измерения выполняются следующие операции:

1) формирование прямоугольных импульсов длительностью порядка 10 мкс с частотой 1 кГц и амплитудой 0,3 – 0,5 В (блок 1);

2) формирование импульсов тока величиной 3 – 4 А с указанной частотой и длительностью (блок 2);

3) усиление импульсов фотосигнала с k_у = 10000 (блок 5);

4) синхронное на частоте 1 кГц пропускание импульсных сигналов с сохранением их импульсной и амплитудной модуляции (блок 6);

5) пропускание импульсных измерительных сигналов (блок 7);

Рис. 2.67. Функциональная схема ОЭП ЛП со структурным методом коррекции погрешности

6) детектирование и сглаживание измерительных импульсов (блок 8);

7) фильтрация низкочастотной составляющей измерительного сигнала (блок 9);

8) выполнение аналогового вычитания амплитуды измерительного сигнала из единичного опорного U_о (блок 10);

9) логарифмирование разностного аналогового сигнала (блок 11);

10) ввод прологарифмированного аналогового сигнала в ЭВМ (блок 12);

11) регистрация и индикация выходного сигнала (блоки 13 и 14).

- в режиме контроля:

1) формирование прямоугольных импульсов длительностью порядка 10 мкс с частотой 1 кГц и амплитудой 0,3 – 0,5 В (блок 1);

2) формирование импульсов тока величиной 3 – 4 А с указанной частотой и длительностью (блок 2);

3) усиление импульсов фотосигнала с k_у = 10000 (блок 5);

4) синхронное на частоте 1 кГц пропускание импульсных сигналов с сохранением их импульсной и амплитудной модуляции (блок 6);

5) формирование управляющего сигнала при рассогласовании между контрольным сигналом и заданным значением U_с (блок 15);

6) детектирование и сглаживание контрольных импульсов (блок 16);

7) фильтрация низкочастотной составляющей контрольного сигнала (блок 17);

8) инверсия контрольного сигнала по уровню (блок 18);

9) отработка логической операции «И» по инвертированному и контрольному сигналам (блок 19);

10) формирование сигнала запроса прохождения контрольного сигнала на детектирование и сглаживание измерительных импульсов (блоки 19 и 7);

11) пропускание контрольных импульсов (блок 20);

12) детектирование и сглаживание контрольных импульсов (блок 21);

13) фильтрация низкочастотной составляющей контрольного сигнала (блок 22);

14) сравнение значений заданного U_з и контрольного сигналов (блок 23);

15) изменение токовых режимов светодиода до сведения сигнала рассогласования между амплитудой контрольного сигнала с выхода фотодиода и заданным U_з значением до нуля.

С целью уменьшения влияния влажности волокнистого материала измерения ЛП производятся на двух длинах волн в ИК диапазоне излучения. Схема двухволнового микропроцессорного ИК ОЭП ЛП представлена на рис. 2.68.

Принцип работы схемы двухволнового ОЭП ЛП заключается в следующем.

На первом этапе МПУ 23 вырабатывает управляющее воздействие в виде цифрового двоичного кода Z₁, который преобразуется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 24 в аналоговый сигнал U₁. Управляющий сигнал на входе коммутатора 21 подан таким образом, что включается канал измерения ЛП, т.е. сигнал с ЦАП поступает только на преобразователь «напряжение-ток» 17, включается светодиод 13. У светодиода 13 максимум излучения соответствует длине волны ₁ (при этом поглощение ИК излучения молекулами воды является минимальным, а выделяемый сигнал преимущественно соответствует значению ЛП волокнистого материала). При подаче с МПУ сигнала на поднятие светоотражающей заслонки 8 благодаря усилителю импульсного сигнала 19 и приводу 10 светопоток Ф₁ проходит через световолокно 6 и 3, ослабляется в зависимости от значения ЛП волокнистого материала 1 до величины Ф₁₁, поступает через световолокно 2 и 4 на фотодиод 11. Напряжение с выхода фотодиода усиливается до напряжения U₁₁ при помощи нормирующего усилителя 15 и через коммутатор 20 поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 22. Сигнал U₁₁ благодаря АЦП 22 преобразуется в цифровую форму Z₁₁ и поступает на МПУ.

Рис. 2.68. Функциональная схема двухволнового ОЭП ЛП с компенсацией влияния влагосодержания на измерение ЛП

Второй этап работы аналогичен первому. Однако при этом происходит переключение коммутаторов 20 и 21. Светопоток Ф₂ светодиода 14 (максимум спектра излучения соответствует ₂ – длине волны при которой, преимущественно, выделяется сигнал о количестве воды в волокнистом материале) пропорционален цифровому коду Z₂. Светопоток Ф₂, пройдя через световолокно 7 и 3, волокнистый материал 1, ослабляется в соответствии с влагосодержанием волокнистого материала до значения Ф₂₁ и через световолокно 2 и 5 поступает на фотодиод 12. Сигнал Z₂₁ на входе МПУ пропорционален значению светопотока Ф₂₁. На третьем и четвертом этапах происходит коррекция светопотоков Ф₁₂ и Ф₂₂ (при опущенной заслонке со светоотражающей поверхностью 9) таким образом, что в течение длительного времени Ф₁₂ = сonst и Ф₂₂ = const.

Действительное значение ЛП для вторичной обработки (определение градиента неровноты, корреляционной функции, статистических показателей) в виде двоичного кода поступает с МПУ на персональную ЭВМ (ПЭВМ).

Если контролируемый материал облучать ИК-потоком на длине волны ₁, соответствующей поглощению преимущественно волокнистым материалом, и на длине волны ₂, соответствующей поглощению преимущественно молекулами воды, то прошедшие через объект потоки будут равны:

; (2.49)

, (2.50)

где ₁ и ₃ – коэффициенты поглощения излучения молекулами волокон для рабочих длин волн ₁ и ₂ соответственно;

₂ и ₄ – коэффициенты поглощения излучения молекулами воды для рабочих длин волн ₁ и ₂ соответственно;

m₁, m₂ – массы волокна и воды соответственно.

В цифровом коде выражения (2.49) и (2.50) можно представить как

; (2.51)

, (2.52)

где ₁, ₂ – конструктивные коэффициенты передачи оптоэлектронных каналов.

Для выделения сигнала, пропорционального ЛП, необходимо решить систему уравнений полученную из выражений (2.51) и (2.52):

(2.53)

Тогда значение ЛП можно определить как

. (2.54)

Основной задачей при разработке двухволновых ОЭП ЛП является правильный выбор рабочих длин волн ₁ и ₂. Как правило, подобная задача решается экспериментально при помощи метода спектрофотометрии. Наиболее целесообразным для практического применения является длина волны ближнего ИК диапазона 1,94 мкм, так как поглощение ИК излучения водой в этом диапазоне носит характер индуцированной атомной поляризации, сопутствующей колебаниям атомов. Однако использование ₂ = 1,94 мкм может быть затруднено в силу скудности номенклатуры ИК-свето- и фотодиодов отечественного производства. Поэтому выходом из данной ситуации может являться использование спектра поглощения воды в области высших гармоник и комбинационных составляющих стандартных колебаний, таких как 0,97 мкм, 1,19 мкм и 1,45 мкм, либо использование свето- и фотодиодов зарубежного производства со сложной гетероструктурой, полученной методом жидкофазной эпитаксии. Выбор длины волны ₁ осуществляется в ИК-области, где поглощение излучения молекулами воды минимально, например ₁ = 0,82 мкм.