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轮胎工业中非接触式激光测距传感器应用

2016-10-12 10:01:33 来源：黄胜强

随着国家对子午胎发展的重视，从产业政策和投资上引导轮胎工业产品结构调整，并根据市场需求，支持了一批重点轮胎企业进行子午胎技术改造。在技术引进方面，采取引进国外先进技术和设备与国内开发相结合的发展方针，促进了我国子午线轮胎的发展。子午胎产量从1985年的28.2万条，占当年轮胎产量的1.5%，1990年的117.6万条，占当年轮胎产量的4.2%，发展到2001年的4263万条，占当年轮胎总产量的39%.1990到2001年的十多年，子午胎年平均增长率达到38%.由于在全行业中大力推行"压缩低档次斜交胎、扩大高性能子午胎"产品结构的产业政策。
　　在这些应用中，非接触式激光测量传感器要优于传统接触/机械随动机，更甚于更早的那种每次测量时可重复性和产量都会变化的电容传感器。接触式或机械随动机的*大缺点是这类传感器需要在轮胎上清洁的通道进行持续的测量。

　　当轮胎转速为60转/分钟（rpm）时轮胎上的刻字或花纹会破坏接触探针。而这些刻字和花纹也会由于不必要的反弹而严重降低其可重复性。与之相反，设计适当的激光测量传感器不受表面纹理，颜色，速度或者不同环境的光的条件的影响。与接触式传感器相比，激光传感器与探针磨损或反弹无关，可在较高的速率下收集数据。

　　在橡胶应用中的性能要求

　　由于橡胶是黑色，它吸收表面上几乎所有的光，这样为了获得高质量的激光点像以及迅速对表面反射率做出调整，测量装置需要足够的光功率。

　　通常即便激光器具有*好的传感器性能也要求激光的光斑比较小，频率响应要很快，以便从具有刻字和各种复杂形状的胎面或侧壁之类的断面中获得可靠的数据。

　　橡胶的待加工原料，典型的如从挤出机，压延机或在轮胎成型过程中的未加工或未硫化的材料，通常还是热而且粘的，具有黑色光泽表面，同时释放出烟雾。测量得到的数据必须反映真实形状尺度和轮廓。

　　它不应受热的，烟的环境或表面的影响，也不应受测量角度或材料的纹理，亮度，斜面，速度或温度的影响。

　　当在高速的TUO（轮胎均一性）机器上测量旋转的轮胎时，非接触式传感器必须迅速提供样本以确保没有漏过检测任何缺损。

　　由于无接触激光测量能迅速对过程变化做出反应，因此对于这类应用是理想的，它可以在整个生产过程中进行高速不间断的测量。

　　如何进行三角测量

　　在橡胶和轮胎工业中大多的非接触式传感器用光学激光三角测量法来准确测量物体或表面。

　　在这种技术中一束光从传感器发射到被测表面。它相当于一个自动光断面显微镜，有时作为一种结构化的光会被提及。在表面，激光发射光斑在一点上。在与激光形成的某个角度上，用透镜形成影像或在这个影像平面的光斑照片，位置传感的检测器就置于这个影像平面。如果表面进一步远离传感器，检测器的光斑变换到不同的点上。通过确定光斑的位置和测量相关的角度，传感器到表面的距离可被确定。

　　有两种主要的检测器类型用于非接触式三角测量传感器。它们都是固态的，与具有粗糙结构的电路芯片集成，只要适当地组装传感器外壳，即使在恶劣的环境中，其仍具有可靠的性能。*种传感器类型是PSD或者称为位置敏感检测器；第二种是CCD也称为带电的耦合设备。

　　位置敏感器件PSD（PositionSensitiveDevice）。PSD属于半导体器件，一般做成P+IN结构，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，其弱点主要是非线性。其工作原理是基于横向光电效应。作为新型器件，PSD已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上，如：兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域上。PSD光电器件是一种光能/位置转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显着提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统。因而近年来采用PSD作为位置检测实现技术一直受到重视，并不断研究开发出新的应用技术。研究表明，PSD与CCD器件的*大不同之处是光电位置信号与照射强度相关，以及PSD信号的非线性影响，因而PSD传感装置主要用于一维和二维位置量检测，直接用于D3定位和位置测量还有许多问题需要解决。
CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显着特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。通常一维的CCD排列用于单点测量。二维的样式与激光线性传感器同时使用，这种传感器可以在一个简单的图象框架中测量二维的外形。CCD检测器的首要缺点是与操作速度有关，这个速度一般要比从PSD获得的小。

　　以PSD为基础的激光传感器对于轮胎和橡胶应用是理想的，它正逐步替代刻度盘指示器，线性变量微分变压器，电容，感应和超声的传感器。生产应用

　　PSD三角测量传感器在轮胎工业中无论是半成品还是生产线上都有着广泛的应用。它具有比大多其他传感科技要小的光斑，对于测量微小变化和断面是理想的选择。以下是在生产应用的一些例子。

　　压延橡胶厚度的测量

　　大多厚度测量是在固定位置完成的，用两种相反的激光，一个在材料上面另一在下面。

　　应用微分传感器产品，对于任何类型的材料均可精确和准确测量厚度的变化。由于样品速率高和光斑小，任何通过的线的变化或材料的震动都不会影响厚度的测量值。

　　在某些情况中，两种传感器被安装在一个机械的滑板和"C"形的框架中，在那可以来回扫描以监测材料的宽度的变化。这个框架必须严格防止由于振动而引入测量误差。

　　其他方面的应用需要一个或多个安装好的以滚轴等作为参考的传感器。这种方法虽然简单且更直接，但它的准确性依赖于所用的精密滚轴。对于轴承磨损和在精密滚珠上积累的污垢必须有所补偿。而且高速使用膨胀的远离参考点的材料也存在着危险。

　　挤压成型和导向

　　由于具有长程和持久性，对这类型的测量激光传感器是理想的。这种测量与挤出橡胶的速度和温度也无关。

　　被挤出的橡胶通过模具形成特定的形状，例如轮胎的胎面部分。在挤压过程中轮廓的在线测量允许通过改正一些参数，如厚度、宽度和轮廓，来控制加工以形成合适的形状。表面特征，如棱线，中心线和边缘，也可以被检测。它主要能给操作者模具是如何磨损及何时改变等信息。

　　胎面挤压成的外形通常可以在挤压的过程中通过机械扫描来完成。在很多应用中需要的速度比机械扫描可取得的要高。

　　为了适应这个需要，一些生产者发展了一种高速光学扫描点三角测量传感器。这种传感器可以随着2D扫描线上的每个点而迅速调整激光功率。这就确保每个数据点得到恰当的照射。

　　重叠和接缝检测

　　轮胎不均一的原因一般是在轮胎的铺叠操作中不正确的层重叠和侧面的接合。通过在轮胎制造机器中的在线检测，譬如误差和趋势的迅速检测，避免了报废大量的已硫化了的轮胎。在这个应用中，激光传感器比其它类型的传感器更准确。

　　检测环保轮胎的径向和横向弯曲面

　　为了减少废品，必须及早的在生产过程中监测产品的弯曲面并在轮胎成型中对其进行测量；它也提供必要的信息来执行正确的操作。当在制造轮胎机械中测量环保轮胎，可以分析和测量内层，侧壁或者胎面的接合重叠。通过在固化和检测之前识别和更正问题，可以保证得到更均一的终产品。对于创造一个好的测量如圆度和谐度的统计计算的基准，所提供的准确度和可重复性是关键因素。
　　*终检查的应用

　　轮胎侧壁检查

　　当需要把淘汰率或把高等级轮胎降级的可能性减到*小，侧壁检查过程必须检测所有可疑的产品，譬如有凹陷和凸起的轮胎。这个过程牵涉到很多手工检测，这就需要花费大量的时间和金钱。

　　很多轮胎制造受传感器的测量限制的影响，因此必须加强他们的侧壁凹凸测量系统的敏感性，这就需要贵的手工检测。一些测量系统甚至不能分辨凹陷还是凸起。

　　目前*新的测量精确性和先进的软件分析克服了大多这些限制。例如PSD激光三角测量传感器可提供准确可靠的数据，同时具有高分辨和高速度。

　　轮胎凸起是在轮胎生产过程中侧壁材料的小接头产生的不牢固的点。通常如果接头没有足够的重叠，当轮胎受到压力膨胀时，就会像气球一样爆裂。这个凸起可以在任何位置，高度从0.3mm到3.0mm，宽度从5.0mm到7.0mm.

　　PSD激光传感器可以在轮胎转速为60rpm时快速检测凸起或其它变形，测量凸起准确率可达到±0.0254mm.

　　有效的凸起高度大约为0.3mm.由于很多凸起不是相关的绳而是气泡，顾客现在可以要求高度限在0.2mm.

　　激光传感器也可以在斜面上测量，其无数据损失也无角度预先复位的必要。它可提供在侧壁上凸起，凹陷，窝的X/Y点和位置，也可以通过黑色的刻字，润滑油或任何其它的障碍物来测量。

　　激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。常见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。

　　均一轮胎机器

　　很多传感器用于轮胎均一机器（TUO）中。虽然很多TUO，如TTOC-II和TSOS系统，用的是激光，但大多系统还是用有非常大的光斑电容探针，这有时就可能导致产品不合格。

　　其它机器用接触式探针，它在旋转的轮胎表面上面弹而引起错误，或者用低终端传感器，它不如高终端那样有高样品率和高级的光控回路的激光。

　　激光传感器和TUO机器结合，可提供比传统接触测量和电容传感器系统精确得多且快速的周期。

　　轮胎均一系统被不断的改进以便以更高效率检测轮胎和新的侧壁式样。利用一些系统，检测周期减少到17秒，为了适应轮胎生产商设计的规格还将进一步减少。

　　径向弯曲面

　　径向弯曲面传感器也可有效的测量轮胎圆度。在此应用中数据处理软件可消除针形排气，溢料和凹槽，只在胎面顶部的测量来进行非常精确的圆度分析。结果是轮胎的弯曲面的过滤表示，关键是减少或除去所有凹槽的深度和高频率元素，这些因素会导致产品不确定性。

　　为了保证轮胎生产的严格的要求，一些传感器制造商使用高频数据采集系统来改进传感器。这将进一步增加传感器的速度。

　　胎面磨损分析

　　无接触激光测量提供一个轮胎完全磨损侧面，以及不规则磨损的量。这是对于路面噪声蕴含量和识别当地磨损现象，如脚踵/脚趾磨损，凹进的拖拉，对角线的磨损，肩部的擦处和中心的磨损是重要的。

　　当新轮胎的高精确表面被侧面和径向弯曲面替代时，以非接触激光为基础的胎面测量也是一种测量诊断生产问题的有效工具。

　　轮胎生产需要准确的原型轮胎的磨损数据来改进设计。汽车生产商用这种分析来提供比较的测量以挑选*好的轮胎设计。

　　随着市场竞争日益激烈，轮胎工业依赖于质量的增加，这就要求可靠的测量和限制停工时间。正因为如此，激光传感器由于它们的速度，精确性和可靠性，所处的地位日益变得重要。激光传感器生产商通过完善符合或甚至超越期望值的传感器来满足这些需要。*后，橡胶和轮胎生产商依靠增加质量的控制来减少生产成本和保持在市场中的竞争性。

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