激光傳感器在輪胎工業(yè)中的實(shí)現

隨著(zhù)國家對子午胎發(fā)展的重視，從產(chǎn)業(yè)政策和投資上引導輪胎工業(yè)產(chǎn)品結構調整，并根據市場(chǎng)需求，支持了一批重點(diǎn)輪胎企業(yè)進(jìn)行子午胎技術(shù)改造。在技術(shù)引進(jìn)方面，采取引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和設備與國內開(kāi)發(fā)相結合的發(fā)展方針，促進(jìn)了我國子午線(xiàn)輪胎的發(fā)展。子午胎產(chǎn)量從1985年的28.2萬(wàn)條，占當年輪胎產(chǎn)量的1.5%，1990年的117.6萬(wàn)條，占當年輪胎產(chǎn)量的4.2%，發(fā)展到2001年的4263萬(wàn)條，占當年輪胎總產(chǎn)量的39%.1990到2001年的十多年，子午胎年平均增長(cháng)率達到38%.由于在全行業(yè)中大力推行壓縮低檔次斜交胎、擴大高性能子午胎產(chǎn)品結構的產(chǎn)業(yè)政策。

在這些應用中，非接觸式激光測量傳感器要優(yōu)于傳統接觸/機械隨動(dòng)機，更甚于更早的那種每次測量時(shí)可重復性和產(chǎn)量都會(huì )變化的電容傳感器。接觸式或機械隨動(dòng)機的最大缺點(diǎn)是這類(lèi)傳感器需要在輪胎上清潔的通道進(jìn)行持續的測量。

當輪胎轉速為60轉/分鐘(rpm)時(shí)輪胎上的刻字或花紋會(huì )破壞接觸探針。而這些刻字和花紋也會(huì )由于不必要的反彈而嚴重降低其可重復性。與之相反，設計適當的激光測量傳感器不受表面紋理，顏色，速度或者不同環(huán)境的光的條件的影響。與接觸式傳感器相比，激光傳感器與探針磨損或反彈無(wú)關(guān)，可在較高的速率下收集數據。

在橡膠應用中的性能要求

由于橡膠是黑色，它吸收表面上幾乎所有的光，這樣為了獲得高質(zhì)量的激光點(diǎn)像以及迅速對表面反射率做出調整，測量裝置需要足夠的光功率。

通常即便激光器具有最好的傳感器性能也要求激光的光斑比較小，頻率響應要很快，以便從具有刻字和各種復雜形狀的胎面或側壁之類(lèi)的斷面中獲得可靠的數據。

橡膠的待加工原料，典型的如從擠出機，壓延機或在輪胎成型過(guò)程中的未加工或未硫化的材料，通常還是熱而且粘的，具有黑色光澤表面，同時(shí)釋放出煙霧。測量得到的數據必須反映真實(shí)形狀尺度和輪廓。

它不應受熱的，煙的環(huán)境或表面的影響，也不應受測量角度或材料的紋理，亮度，斜面，速度或溫度的影響。

當在高速的TUO(輪胎均一性)機器上測量旋轉的輪胎時(shí)，非接觸式傳感器必須迅速提供樣本以確保沒(méi)有漏過(guò)檢測任何缺損。

由于無(wú)接觸激光測量能迅速對過(guò)程變化做出反應，因此對于這類(lèi)應用是理想的，它可以在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行高速不間斷的測量。

如何進(jìn)行三角測量

在橡膠和輪胎工業(yè)中大多的非接觸式傳感器用光學(xué)激光三角測量法來(lái)準確測量物體或表面。

在這種技術(shù)中一束光從傳感器發(fā)射到被測表面。它相當于一個(gè)自動(dòng)光斷面顯微鏡，有時(shí)作為一種結構化的光會(huì )被提及。在表面，激光發(fā)射光斑在一點(diǎn)上。在與激光形成的某個(gè)角度上，用透鏡形成影像或在這個(gè)影像平面的光斑照片，位置傳感的檢測器就置于這個(gè)影像平面。如果表面進(jìn)一步遠離傳感器，檢測器的光斑變換到不同的點(diǎn)上。通過(guò)確定光斑的位置和測量相關(guān)的角度，傳感器到表面的距離可被確定。

有兩種主要的檢測器類(lèi)型用于非接觸式三角測量傳感器。它們都是固態(tài)的，與具有粗糙結構的電路芯片集成，只要適當地組裝傳感器外殼，即使在惡劣的環(huán)境中，其仍具有可靠的性能。第一種傳感器類(lèi)型是PSD或者稱(chēng)為位置敏感檢測器;第二種是CCD也稱(chēng)為帶電的耦合設備。

位置敏感器件PSD(Position Sensitive Device)。PSD屬于半導體器件，一般做成P+IN結構，具有高靈敏度、高分辨率、響應速度快和配置電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其弱點(diǎn)主要是非線(xiàn)性。其工作原理是基于橫向光電效應。作為新型器件，PSD已經(jīng)被廣泛應用在位置坐標的精確測量上，如：兵器制導和跟蹤、工業(yè)自動(dòng)控制、或位置變化等技術(shù)領(lǐng)域上。PSD光電器件是一種光能/位置轉換器件，由于位置量為模擬量輸出，系統響應快，分辨率高，成本低，因此具有廣泛應用的價(jià)值。同時(shí)可對目標信號進(jìn)行調制，因而可以顯著(zhù)提高系統的抗干擾能力，可以用來(lái)實(shí)現高速、高精度、抗干擾能力強的位置檢測系統。因而近年來(lái)采用PSD作為位置檢測實(shí)現技術(shù)一直受到重視，并不斷研究開(kāi)發(fā)出新的應用技術(shù)。研究表明，PSD與CCD器件的最大不同之處是光電位置信號與照射強度相關(guān)，以及PSD信號的非線(xiàn)性影響，因而PSD傳感裝置主要用于一維和二維位置量檢測，直接用于D3定位和位置測量還有許多問(wèn)題需要解決。

CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過(guò)放大和模數轉換，實(shí)現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。其顯著(zhù)特點(diǎn)是：1.體積小重量輕;2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩定，壽命長(cháng);3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大;4.響應速度快，有自?huà)呙韫δ?，圖像畸變小，無(wú)殘像;5.應用超大規模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。通常一維的CCD排列用于單點(diǎn)測量。二維的樣式與激光線(xiàn)性傳感器同時(shí)使用，這種傳感器可以在一個(gè)簡(jiǎn)單的圖象框架中測量二維的外形。CCD檢測器的首要缺點(diǎn)是與操作速度有關(guān)，這個(gè)速度一般要比從PSD獲得的小。

以PSD為基礎的激光傳感器對于輪胎和橡膠應用是理想的，它正逐步替代刻度盤(pán)指示器，線(xiàn)性變量微分變壓器，電容，感應和超聲的傳感器。

生產(chǎn)應用

PSD三角測量傳感器在輪胎工業(yè)中無(wú)論是半成品還是生產(chǎn)線(xiàn)上都有著(zhù)廣泛的應用。它具有比大多其他傳感科技要小的光斑，對于測量微小變化和斷面是理想的選擇。以下是在生產(chǎn)應用的一些例子。

壓延橡膠厚度的測量

大多厚度測量是在固定位置完成的，用兩種相反的激光，一個(gè)在材料上面另一在下面。

應用微分傳感器產(chǎn)品，對于任何類(lèi)型的材料均可精確和準確測量厚度的變化。由于樣品速率高和光斑小，任何通過(guò)的線(xiàn)的變化或材料的震動(dòng)都不會(huì )影響厚度的測量值。

在某些情況中，兩種傳感器被安裝在一個(gè)機械的滑板和C形的框架中，在那可以來(lái)回掃描以監測材料的寬度的變化。這個(gè)框架必須嚴格防止由于振動(dòng)而引入測量誤差。

其他方面的應用需要一個(gè)或多個(gè)安裝好的以滾軸等作為參考的傳感器。這種方法雖然簡(jiǎn)單且更直接，但它的準確性依賴(lài)于所用的精密滾軸。對于軸承磨損和在精密滾珠上積累的污垢必須有所補償。而且高速使用膨脹的遠離參考點(diǎn)的材料也存在著(zhù)危險。