激光傳感器在輪胎工業(yè)中的實(shí)現(xiàn)

隨著國(guó)家對(duì)子午胎發(fā)展的重視，從產(chǎn)業(yè)政策和投資上引導(dǎo)輪胎工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，并根據(jù)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(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備與國(guó)內(nèi)開發(fā)相結(jié)合的發(fā)展方針，促進(jìn)了我國(guó)子午線輪胎的發(fā)展。子午胎產(chǎn)量從1985年的28.2萬條，占當(dāng)年輪胎產(chǎn)量的1.5%，1990年的117.6萬條，占當(dāng)年輪胎產(chǎn)量的4.2%，發(fā)展到2001年的4263萬條，占當(dāng)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(zhǎng)率達(dá)到38%.由于在全行業(yè)中大力推行壓縮低檔次斜交胎、擴(kuò)大高性能子午胎產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)政策。

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

當(dāng)輪胎轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/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(yán)重降低其可重復(fù)性。與之相反，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募す鉁y(cè)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關(guān)，可在較高的速率下收集數(shù)據(jù)。

在橡膠應(yīng)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(duì)表面反射率做出調(diào)整，測(cè)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(yīng)要很快，以便從具有刻字和各種復(fù)雜形狀的胎面或側(cè)壁之類的斷面中獲得可靠的數(shù)據(jù)。

橡膠的待加工原料，典型的如從擠出機(jī)，壓延機(jī)或在輪胎成型過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(cè)量得到的數(shù)據(jù)必須反映真實(shí)形狀尺度和輪廓。

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

當(dāng)在高速的TUO(輪胎均一性)機(jī)器上測(cè)量旋轉(zhuǎn)的輪胎時(shí)，非接觸式傳感器必須迅速提供樣本以確保沒有漏過檢測(cè)任何缺損。

由于無接觸激光測(cè)量能迅速對(duì)過程變化做出反應(yīng)，因此對(duì)于這類應(yīng)用是理想的，它可以在整個(gè)生產(chǎn)過程中進(jìn)行高速不間斷的測(cè)量。

如何進(jìn)行三角測(cè)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(cè)量法來準(zhǔn)確測(cè)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(cè)表面。它相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)光斷面顯微鏡，有時(shí)作為一種結(jié)構(gòu)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(cè)器就置于這個(gè)影像平面。如果表面進(jìn)一步遠(yuǎn)離傳感器，檢測(cè)器的光斑變換到不同的點(diǎn)上。通過確定光斑的位置和測(cè)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(cè)器類型用于非接觸式三角測(cè)量傳感器。它們都是固態(tài)的，與具有粗糙結(jié)構(gòu)的電路芯片集成，只要適當(dāng)?shù)亟M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。第一種傳感器類型是PSD或者稱為位置敏感檢測(cè)器;第二種是CCD也稱為帶電的耦合設(shè)備。

位置敏感器件PSD(Position Sensitive Device)。PSD屬于半導(dǎo)體器件，一般做成P+IN結(jié)構(gòu)，具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快和配置電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其弱點(diǎn)主要是非線性。其工作原理是基于橫向光電效應(yīng)。作為新型器件，PSD已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在位置坐標(biāo)的精確測(cè)量上，如：兵器制導(dǎo)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(zhuǎn)換器件，由于位置量為模擬量輸出，系統(tǒng)響應(yīng)快，分辨率高，成本低，因此具有廣泛應(yīng)用的價(jià)值。同時(shí)可對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，因而可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以用來實(shí)現(xiàn)高速、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的位置檢測(cè)系統(tǒng)。因而近年來采用PSD作為位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)一直受到重視，并不斷研究開發(fā)出新的應(yīng)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(hào)與照射強(qiáng)度相關(guān)，以及PSD信號(hào)的非線性影響，因而PSD傳感裝置主要用于一維和二維位置量檢測(cè)，直接用于D3定位和位置測(cè)量還有許多問題需要解決。

CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(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(wěn)定，壽命長(zhǎng);3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大;4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像;5.應(yīng)用超大規(guī)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(cè)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(cè)量。二維的樣式與激光線性傳感器同時(shí)使用，這種傳感器可以在一個(gè)簡(jiǎn)單的圖象框架中測(cè)量二維的外形。CCD檢測(cè)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(chǔ)的激光傳感器對(duì)于輪胎和橡膠應(yīng)用是理想的，它正逐步替代刻度盤指示器，線性變量微分變壓器，電容，感應(yīng)和超聲的傳感器。

生產(chǎn)應(yīng)用

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

壓延橡膠厚度的測(cè)量

大多厚度測(cè)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(yīng)用微分傳感器產(chǎn)品，對(duì)于任何類型的材料均可精確和準(zhǔn)確測(cè)量厚度的變化。由于樣品速率高和光斑小，任何通過的線的變化或材料的震動(dòng)都不會(huì)影響厚度的測(cè)量值。

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

其他方面的應(yīng)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(zhǔn)確性依賴于所用的精密滾軸。對(duì)于軸承磨損和在精密滾珠上積累的污垢必須有所補(bǔ)償。而且高速使用膨脹的遠(yuǎn)離參考點(diǎn)的材料也存在著危險(xiǎn)。