柔性卷绕物弹性模量在线软检测电路

摘要

本发明涉及一种柔性卷绕物弹性模量在线软检测电路。现有技术只能离线抽样测量，且产品技术数据中无法查到该参数。本发明包括速度脉冲信号变换电路和弹性模量运算电路，速度脉冲信号变换电路包括连接件，连接件的脉冲信号1输入端FV1端与中输入电阻的一端连接，中输入电阻的另一端与下施密特芯片的输入端I端连接，下施密特芯片的输出端0端与下微分电容的一端连接，下微分电容的另一端与下F/V芯片的输入端IN端连接，下F/V芯片的输出端OUT端与下跟随器的正输入端+IN端连接；弹性模量运算电路包括上乘法器、运算放大器、上下乘法器、输出放大器等。本发明通用性强、可靠性高、成本低。

说明书

技术领域

本发明属于工业控制领域，涉及一种电路，特别涉及一种柔性卷绕物弹性模量在线软检测电路。适用于要求在线检测柔性卷绕物弹性模量参数的场合。

背景技术

柔性卷绕物是诸如塑料薄膜、软包装材料、纺织物、纸品、胶带、胶片、柔性线缆等各类柔性带材、柔性线材的统称。弹性模量是表征柔性卷绕物物理性能的重要参数之一，在生产过程中，柔性卷绕物的弹性模量对卷绕物材料的运行状况及张力等参数具有重要影响。目前对柔性卷绕物弹性模量的测量，常用在实验室内进行的抽样离线测量方法，即：在静止状态下对卷绕物材料施力，通过测量拉伸量与施力大小，经计算获得物弹性模量的数据。存在的主要问题是：只能离线抽样测量，且从目前生产用的柔性卷绕物产品技术数据中无法查到该参数，这对制订合理的生产工艺参数与生产操作等造成很大的盲目性。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术存在的不足，在柔性卷绕物生产线中，利用各生产单元中的前、后两驱动轴电机上已有的速度传感器信号与张力传感器信号，提出基于两轴相对线速度差的信号与张力信号进行运算，实现在线获取弹性模量参数的一种柔性卷绕物弹性模量在线软检测电路。

本发明包括速度脉冲信号变换电路和弹性模量运算电路。

速度脉冲信号变换电路包括连接件CN1，CN1的张力信号输入端UT端与左输入电阻R0的一端连接，CN1的脉冲信号1输入端FV1端与中输入电阻R1的一端连接，CN1的脉冲信号2输入端FV2端与右输入电阻R2的一端连接，CN1的地端GND端接地，CN1的信号输出端OUT端与输出放大器IC10的输出端OUT端、增益电位器RP3的一端连接，CN1的正电源输入端+V端与电源模块PM1的正输入端+IN端连接，CN1的负电源输入端-V端与电源模块PM1的负输入端-IN端连接，电源模块PM1的正输出端+V端与上电解电容C3的正端、上高频电容C5的一端、VCC端连接，上电解电容C3的负端、上高频电容C5的另一端接地，电源模块PM1的负输出端-V端与下电解电容C4的负端、下高频电容C6的一端、VSS端连接，下电解电容C4的正端、下高频电容C6的另一端接地，电源模块PM1的地端GND端接地。

上施密特芯片IC1的输入端I端与右输入电阻R2的另一端、右输入电容C1的一端连接，右输入电容C1的另一端接地，上施密特芯片IC1的电源端+V端接VCC端，上施密特芯片IC1的地端GND端接地，上施密特芯片IC1的输出端0端与上微分电容C7的一端连接，上微分电容C7的另一端与上微分电阻R3的一端、上F/V芯片IC3的输入端IN端连接，上微分电阻R3的另一端接VCC端，上F/V芯片IC3的比较端CO端与上限压电阻R4的一端、上比较电阻R5的一端连接，上限压电阻R4的另一端接VCC端，上比较电阻R5的另一端接地，上F/V芯片IC3的参考端REF端与上参考电阻R6的一端连接，上参考电阻R6的另一端与上参考电位器RP1的一端连接，上参考电位器RP1的另一端及其中心端接地，上F/V芯片IC3的电源端+V端接VCC端，上F/V芯片IC3的接地端GND端与逻辑端LO端接地，上F/V芯片IC3的定时端RC端与上定时电阻R7的一端、上定时电容C8的一端连接，上定时电阻R7的另一端接VCC端，上定时电容C8的另一端接地，上F/V芯片IC3的输出端OUT端与上负载电阻R8的一端、上负载电容C9的一端、上跟随器IC5的正输入端+IN端连接，上负载电阻R8的另一端接地，上负载电容C9的另一端接地，上跟随器IC5的输出端OUT端与其负输入端-IN端、上乘法器IC7的X正输入端X1端连接，上跟随器IC5的电源端+V端接VCC端，IC5的接地端GND端接地。

下施密特芯片IC2的输入端I端与中输入电阻R1的另一端、中输入电容C2的一端连接，中输入电容C2的另一端接地，下施密特芯片IC2的电源端+V端接VCC端，下施密特芯片IC2的地端GND端接地，下施密特芯片IC2的输出端O端与下微分电容C10的一端连接，下微分电容C10的另一端与下微分电阻R9的一端、下F/V芯片IC4的输入端IN端连接，下微分电阻R9的另一端接VCC端，下F/V芯片IC4的比较端CO端与下限压电阻R10的一端、下比较电阻R11的一端连接，下限压电阻R10的另一端接VCC端，下比较电阻R11的另一端接地，下F/V芯片IC4的参考端REF端与下参考电阻R12的一端连接，下参考电阻R12的另一端与下参考电位器RP2的一端连接，下参考电位器RP2的另一端及其中心端接地，下F/V芯片IC4的电源端+V端接VCC端，下F/V芯片IC4的接地端GND端与逻辑端LO端接地，下F/V芯片IC4的定时端RC端与下定时电阻R13的一端、下定时电容C11的一端连接，下定时电阻R13的另一端接VCC端，下定时电容C11的另一端接地，下F/V芯片IC4的输出端OUT端与下负载电阻R14的一端、下负载电容C12的一端、下跟随器IC6的正输入端+IN端连接，下负载电阻R14的另一端接地，下负载电容C12的另一端接地，下跟随器IC6的输出端OUT端与其负输入端-IN端、上乘法器IC7的X负输入端X2端、正端下电阻R18的一端连接，下跟随器IC6的电源端+V端接VCC端，IC6的接地端GND端接地。

弹性模量运算电路包括上乘法器IC7，上乘法器IC7的Y负输入端Y2端、偏置端Z端接地，上乘法器IC7的正电源端+V端接VCC端，上乘法器IC7的负电源端-V端接VSS端，上乘法器IC7的输出端OUT端与负端上电阻R15的一端连接，上乘法器IC7的Y正输入端Y1端与运算放大器IC8的输出端OUT端、下乘法器IC9的X正输入端X1端连接，运算放大器IC8的正电源端+V端接VCC端、接地端GND端接地，运算放大器IC8的负输入端-IN端与负端上电阻R15的另一端、负端下电阻R16的一端连接，负端下电阻R16的另一端接地，运算放大器IC8的正输入端+IN端与正端上电阻R17的一端、正端下电阻R18的另一端连接， 正端上电阻R17的另一端接地；下乘法器IC9的Y负输入端Y2端、偏置端Z端接地，下乘法器IC9的正电源端+V端接VCC端，下乘法器IC9的负电源端-V端接VSS端，下乘法器IC9的Y正输入端Y1端与左输入电阻R0的另一端、左输入电容C0的一端连接，左输入电容C0的另一端接地，下乘法器IC9的输出端OUT端与滤波电阻R19一端连接，滤波电阻R19另一端与滤波电容C13的一端、分压电阻R20的一端、输出放大器IC10的正输入端+IN端连接，滤波电容C13的另一端、分压电阻R20的另一端接地，输出放大器IC10的负输入端-IN端与接地电阻R21的一端、反馈电阻R22的一端连接，接地电阻R21的另一端接地，反馈电阻R22的另一端与增益电位器RP3的另一端及其中心端连接。

本发明的有益效果是：利用柔性卷绕物各生产单元中的前、后两驱动轴电机上已有的速度传感器信号及张力传感器信号，对两轴线速度信号与张力信号进行简单的电路运算，即可在线获取柔性卷绕物的弹性模量参数，该方法可靠性高、成本低、通用性强。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为本发明的实际应用状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括速度脉冲信号变换电路和弹性模量运算电路。

速度脉冲信号变换电路包括连接件CN1，CN1的张力信号输入端UT端与左输入电阻R0的一端连接，CN1的脉冲信号1输入端FV1端与中输入电阻R1的一端连接，CN1的脉冲信号2输入端FV2端与右输入电阻R2的一端连接，CN1的地端GND端接地，CN1的信号输出端OUT端与输出放大器IC10的输出端OUT端、增益电位器RP3的一端连接，CN1的正电源输入端+V端与电源模块PM1的正输入端+IN端连接，CN1的负电源输入端-V端与电源模块PM1的负输入端-IN端连接，电源模块PM1的正输出端+V端与上电解电容C3的正端、上高频电容C5的一端、VCC端连接，上电解电容C3的负端、上高频电容C5的另一端接地，电源模块PM1的负输出端-V端与下电解电容C4的负端、下高频电容C6的一端、VSS端连接，下电解电容C4的正端、下高频电容C6的另一端接地，电源模块PM1的地端GND端接地；上施密特芯片IC1的输入端I端与右输入电阻R2的另一端、右输入电容C1的一端连接，右输入电容C1的另一端接地，上施密特芯片IC1的电源端+V端接VCC端，上施密特芯片IC1的地端GND端接地，上施密特芯片IC1的输出端O端与上微分电容C7的一端连接，上微分电容C7的另一端与上微分电阻R3的一端、上F/V芯片IC3的输入端IN端连接，上微分电阻R3的另一端接VCC端，上F/V芯片IC3的比较端CO端与上限压电阻R4的一端、上比较电阻R5的一端连接，上限压电阻R4的另一端接VCC端，上比较电阻R5的另一端接地，上F/V芯片IC3的参考端REF端与上参考电阻R6的一端连接，上参考电阻R6的另一端与上参考电位器RP1的一端连接，上参考电位器RP1的另一端及其中心端接地，上F/V芯片IC3的电源端+V端接VCC端，上F/V芯片IC3的接地端GND端与逻辑端LO端接地，上F/V芯片IC3的定时端RC端与上定时电阻R7的一端、上定时电容C8的一端连接，上定时电阻R7的另一端接VCC端，上定时电容C8的另一端接地，上F/V芯片IC3的输出端OUT端与上负载电阻R8的一端、上负载电容C9的一端、上跟随器IC5的正输入端+IN端连接，上负载电阻R8的另一端接地，上负载电容C9的另一端接地，上跟随器IC5的输出端OUT端与其负输入端-IN端、上乘法器IC7的X正输入端X1端连接，上跟随器IC5的电源端+V端接VCC端，IC5的接地端GND端接地；下施密特芯片IC2的输入端I端与中输入电阻R1的另一端、中输入电容C2的一端连接，中输入电容C2的另一端接地，下施密特芯片IC2的电源端+V端接VCC端，下施密特芯片IC2的地端GND端接地，下施密特芯片IC2的输出端O端与下微分电容C10的一端连接，下微分电容C10的另一端与下微分电阻R9的一端、下F/V芯片IC4的输入端IN端连接，下微分电阻R9的另一端接VCC端，下F/V芯片IC4的比较端CO端与下限压电阻R10的一端、下比较电阻R11的一端连接，下限压电阻R10的另一端接VCC端，下比较电阻R11的另一端接地，下F/V芯片IC4的参考端REF端与下参考电阻R12的一端连接，下参考电阻R12的另一端与下参考电位器RP2的一端连接，下参考电位器RP2的另一端及其中心端接地，下F/V芯片IC4的电源端+V端接VCC端，下F/V芯片IC4的接地端GND端与逻辑端LO端接地，下F/V芯片IC4的定时端RC端与下定时电阻R13的一端、下定时电容C11的一端连接，下定时电阻R13的另一端接VCC端，下定时电容C11的另一端接地，下F/V芯片IC4的输出端OUT端与下负载电阻R14的一端、下负载电容C12的一端、下跟随器IC6的正输入端+IN端连接，下负载电阻R14的另一端接地，下负载电容C12的另一端接地，下跟随器IC6的输出端OUT端与其负输入端-IN端、上乘法器IC7的X负输入端X2端、正端下电阻R18的一端连接，下跟随器IC6的电源端+V端接VCC端，IC6的接地端GND端接地；

弹性模量运算电路包括上乘法器IC7，上乘法器IC7的Y负输入端Y2端、偏置端Z端接地，上乘法器IC7的正电源端+V端接VCC端，上乘法器IC7的负电源端-V端接VSS端，上乘法器IC7的输出端OUT端与负端上电阻R15的一端连接，上乘法器IC7的Y正输入端Y1端与运算放大器IC8的输出端OUT端、下乘法器IC9的X正输入端X1端连接，运算放大器IC8的正电源端+V端接VCC端、接地端GND端接地，运算放大器IC8的负输入端-IN端与负端上电阻R15的另一端、负端下电阻R16的一端连接，负端下电阻R16的另一端接地，运算放大器IC8的正输入端+IN端与正端上电阻R17的一端、正端下电阻R18的另一端连接， 正端上电阻R17的另一端接地；下乘法器IC9的Y负输入端Y2端、偏置端Z端接地，下乘法器IC9的正电源端+V端接VCC端，下乘法器IC9的负电源端-V端接VSS端，下乘法器IC9的Y正输入端Y1端与左输入电阻R0的另一端、左输入电容C0的一端连接，左输入电容C0的另一端接地，下乘法器IC9的输出端OUT端与滤波电阻R19一端连接，滤波电阻R19另一端与滤波电容C13的一端、分压电阻R20的一端、输出放大器IC10的正输入端+IN端连接，滤波电容C13的另一端、分压电阻R20的另一端接地，输出放大器IC10的负输入端-IN端与接地电阻R21的一端、反馈电阻R22的一端连接，接地电阻R21的另一端接地，反馈电阻R22的另一端与增益电位器RP3的另一端及其中心端连接。

本发明所使用的包括施密特芯片IC1、IC2，F/V芯片IC3、IC4，跟随器IC5、IC6，乘法器IC7、IC9，放大器IC8、IC10，电源模块PM1，连接件CN1等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：施密特芯片采用CD40106，F/V芯片采用LM231、跟随器与放大器采用TLC2264、乘法器采用AD633、电源模块采用E0512D-2W、连接件CN1采用CH2.54-7连接器等。

本发明中的主要电路参数及输入输出关系如下：

（一）张力软检测方法的依据

                 （1）

                                              （2）

                                                   （3）

                               （4）

式（4）即为本发明提出的弹性模量检测计算的依据，其中:为张力（N）；、分别为相邻两轴的线速度（m/min），；为柔性卷绕物的截面积（m²）；ε为柔性卷绕物的弹性模量（N/m²）；L为两轴间的柔性卷绕物长度（m）；是柔性卷绕物在上述相邻两轴间的运行时间（s），因很小，故张力可近似为与两单元间的相对速差关系。

（二）电路算法与参数配合关系

                  （5）

                        （6）

                 （7）

                      （8）

                                  （9）

                                              （10）

                                           （11）

                                   （12）

                                        （13）

                                     （14）

稳态时：                                       （15）

    （16）

                                    （17）

式中的分别是图1电路中的上F/V芯片IC3、下F/V芯片IC4、上跟随器IC5、下跟随器IC6、运算放大器IC8、下乘法器IC9、输出放大器IC10各输出端的电压信号，为经连接件CN1的张力信号输入端UT端的输入信号由左输入电阻R0与左输入电容C0滤波后与张力成正比的电压信号；式（6）、式（8）、式（17）中的、、推荐值为10V，为弹性模量的最大值，、由被测的线速度与光电编码器名牌数据决定，其余各式为电路元件参数间的配合关系。

本发明的柔性卷绕物弹性模量在线软检测电路的工作过程：

速度脉冲信号变换电路的工作过程：外部直流电源（如5V）的电源正、负端分别从连接件CN1的+V端子、-V端子输入，经电源模块PM1输出正、负电压分别为VCC（如+12V）、VSS（如-12V）的正负对称电源，给图1电路供电。将来自一个生产单元中两台电机轴上的光电编码器信号与张力信号分别从连接件CN1的FV1端子、FV2端子、UT端子（注：相对速度低的一路信号接FV1端）输入，因经连接件CN1的FV1端子、FV2端子输入的是脉冲频率信号，故需分别经上F/V芯片IC3、下F/V芯片IC4为核心的频率/电压转换电路后形成与频率成正比的电压信号并由上跟随器IC5、下跟随器IC6进行跟随输出，分别如式（5）、式（7）式。

弹性模量运算电路的工作过程：来自上跟随器IC5、下跟随器IC6各输出端OUT端的、两路信号，由上乘法器IC7及运算放大器IC8组成的除法器实现如式（9）所示的运算，运算放大器IC8输出信号与来自连接件CN1的UT端子并经左输入电阻R0、左输入电容C0滤波后反映张力信号的电压信号通过下乘法器IC9的运算及由滤波电阻R19、滤波电容C13组成的滤波环节进行滤波，最后经输出放大器IC10进行增益调整后输出与弹性模量成正比的信号，如式（16）所示，输出放大器IC10的输出信号经连接件CN1的信号输出端OUT端输出。

本发明的一种柔性卷绕物弹性模量在线软检测电路实际应用状态示意图如图2所示，将与驱动进给轴2的进给电机3联结的线速光电编码器4输出信号、与驱动牵出轴5的牵出电机6联结的转速光电编码器7输出信号分别接到本发明电路1中连接件CN1的脉冲信号1输入端FV1端、脉冲信号2输入端FV2端，将张力传感器8输出信号接到本发明电路1中连接件CN1的张力信号输入端UT端，经本发明电路1运算后将与卷绕物9弹性模量成正比的信号输出到后续的生产过程监测与控制系统，实现在生产过程中对柔性卷绕物弹性模量参数的实时测控。