[发明专利]用于纺纱运行状态监测的传感器、无线传感节点及其方法

权利要求书

1.用于纺纱运行状态监测的传感器，其特征在于，由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形。

2.用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，包括依次连接的传感器（2）、信号处理模块（3）、嵌入式微处理器（4）及电源（5），嵌入式微处理器（4）的输出通过无线传输技术与无线传感网（6）连接；

所述的传感器（2），由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形；

所述的信号处理模块（3），包括依次连接的前置放大器（7）、高通滤波器（8）、峰值放大器（9）、比较器（10）及锁相环（11）。

3.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的嵌入式微处理器（4）选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片。

4.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的电源（5）通过电池供电。

5.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的前置放大器（7），由两个运算放大器LMC6482组成，一级作为跟随器，另一级是放大倍数为80的放大器。

6.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的高通滤波器（8）由一个三阶高通RC网络和一个运算放大器LMC6482组成。

7.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的峰值放大器（9）由一个运算放大器LMC6482和两个1N4453稳压开关二极管组成。

8.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的比较器（10）由两个运算放大器LM339和两个RS触发器7400组成。

9.根据权利要求2所述的用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其特征在于，所述的锁相器（11）由一个锁相环HEF4046组成。

10.纺纱运行状态监测方法，其特征在于，采用用于纺纱运行状态监测的无线传感节点，其结构为包括依次连接的传感器（2）、信号处理模块（3）、嵌入式微处理器（4）及电源（5），嵌入式微处理器（4）的输出通过无线传输技术与无线传感网（6）连接；所述的嵌入式微处理器（4）选用内集有无线射频RF收发器的CC2530芯片；所述的电源（5）通过电池供电；

所述的传感器（2），由具有特殊结构的栅状电极的双面印刷电路板制成，在印刷电路板的正面，数个很细的电极等距并相互连接在一起形成一个电极栅，称其为屏蔽栅，其轮廓形成一个矩形；在印刷电路反面，比正面屏蔽栅数量少一个的电极也相互连接在一起，每个电极正好位于屏蔽栅两个电极空隙，其轮廓也形成一个矩形；

所述的信号处理模块（3），包括依次连接的前置放大器（7）、高通滤波器（8）、峰值放大器（9）、比较器（10）及锁相环（11）；

所述的前置放大器（7），由两个运算放大器LMC6482组成，一级作为跟随器，另一级是放大倍数为80的放大器；所述的高通滤波器（8）由一个三阶高通RC网络和一个运算放大器LMC6482组成；所述的峰值放大器（9）由一个运算放大器LMC6482和两个1N4453稳压开关二极管组成；所述的比较器（10）由两个运算放大器LM339和两个RS触发器7400组成；所述的锁相器（11）由一个锁相环HEF4046组成；

具体按照以下步骤实施：

步骤1：当纱线以某一速度运动时，利用纱线携带的随机静电荷，经传感器（2）的静电感应和空间滤波，获得一个含有频率分量的脉波和低频干扰的混杂信号，具体按照以下步骤实施：

假设在纱线仅有一个点电荷，传感器（2）的信号采集原理如下：

（1）纱线以某一速度相对于传感器（2）运动；

（2）当该点电荷经过信号栅上的某一电极，即恰位于屏蔽栅的两个电极间隙处，那么，在该电极处产生电压信号，但它在其他邻近的电极处，即位于屏蔽栅的电极上，就无感应或很小的干扰感应电压信号；

如果信号栅上的电极没连接在一起，那么，当纱线以某一速度经过传感器（2）运动时，该点电荷在信号栅的每个电极上产生一个电压信号U_s(t)，而相邻的两个电极上产生的电压信号U_s(t)和U_s(t+1)将会有一个Δt的时间差；

如果将信号栅上的所有电极连接在一起，那么，当纺纱运行未发生断头时，将在传感器（2）的输出端得到一个具有周期为Δt的脉波电压信号U_s(t)，否则，将在传感器（2）的输出端得到的是一个无脉波的电平信号即意味着该锭子上的纺纱纱线出现断头；

步骤2：信号处理模块（3）对传感信号进行处理，即包括利用前置放大器（7）对传感器（2）采集的混杂信号进行放大，经高通滤波器（8）的滤波处理消除前置放大器（7）输出信号中的低频干扰信号，通过峰值放大器（9）将高通滤波器（8）的输出信号的幅值调制至限定的±0.7V幅值之间，利用比较器（10）将峰值放大器（9）的输出信号整形成脉冲序列信号，最后，通过锁相环（11）的调频、调相作用，稳定锁住比较器（10）输出的脉冲序列频率和相位，形成具有主频率f_H、周期均匀一致的脉冲序列信号；

步骤3：利用嵌入式微处理器（4）对采集的纺纱运行状态信号进行检测，即包括利用CC2530中P1端口的P1.2引脚和定时器对信号处理模块（3）中比较器（10）输出信号的上升沿进行检测，若在定时时间内，没有检测到脉冲信号的上升沿，表明已出现纺纱断头，否则，正常；利用CC2530中P0端口的P0.0引脚和定时器对信号处理模块（3）中锁相环（11）输出脉冲序列信号的相邻上升沿间进行脉冲计数，检测纺纱运行信号频率，从中获取纺纱断头信号和纺纱运行信号周期；

步骤4：利用嵌入式微处理器（4）对检测的纺纱运行状态的信号进行计算处理，获取锭子上纺纱的纺纱断头、纱线线速、捻线捻度的数据，通过嵌入式微处理器（4）内集成的无线射频RF收发器将感知的数据发送至无线传感网（6）中；

假设，电极间的间距是Δx，那么，通过检测传感器（2）输出信号的频率，即周期Δt，计算纱线的线速v：

v＝Δx/Δt，

根据纱线的原料、成份和规格，纺纱机的锭子转速n在运行前是事先设定的，所以，纱线捻线捻度twise计算式为：

twise＝n/v。