超聲波傳感器在自動化放線機中的應用

周慧穎

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

0 引言

在線纜繞制行業中，張力控制系統主要應用于對線材生產線中的卷取機和開卷機的控制，其主要作用是為了使線材在工作過程當中具有恒定的張力。張力控制系統控制張力通常有間接法和直接法兩類。直接法是對張力的直接反饋控制，其是通過張力計測量出實際的張力值,并產生反饋信號,根據反饋信號控制恒定的張力值。直接法具有控制系統簡單和精度較高的優點，可避免由于卷徑變化、速度變化和空載轉矩等因素對張力穩定造成的影響。缺點是機械式張力計的響應速度較慢，這是由于反饋信號的滯后，應用中經常會出現超調現象，造成系統的沖擊和波動。而間接法則是通過檢測系統中與線纜工作張力存在著線性比例關系的一些要素從而達到間接控制張力的一種方法。在生產實際中，間接法的應用較直接法更為廣泛。

在傳統的直接張力控制方式中，機械式張力傳感器作為信號反饋的元件，其實際上取得的也是壓力信號，工作中要將導線從傳感器中穿過才能正常運行，因此對導線的磨損就不可避免，如圖1所示。

1 張力傳感器

圖1 張力傳感器

張力傳感器按工作原理有微位移型和應變片型2類。微位移型是由外力的作用使板簧產生位移，經過差接變壓器來檢測出張力值的過程，板簧位移量約為±0.2 mm，由于位移值較小，故稱作微位移型張力檢測器；應變片型是將張力應變片和壓縮應變片以電橋連接的方式拼接在一起，當受到外界壓力時應變片的電阻值發生改變，通過改變的阻值來確定所受張力的大小的變化。張力傳感器作為張力檢測元件，通常配套自動張力控制器、磁粉離合器或磁粉制動器一同使用，張力傳感器具有高穩定度、線性度良好、響應速度快、重量輕、體積小等特點。但在一些特殊的場合，如在繞/放線設備機械結構設計中對空間的限制等原因，為了避免接觸摩擦對電纜線造成的磨損，客戶要求能夠提供一種無接觸的信號取得方案。調研中我們發現，工業電抗器的繞制采用的扁平電纜，都是繞制在很大的空心線軸之上的。線軸直徑多在1～2 m之間，這樣，在繞線和放線的過程中，線軸直徑的變化量就可以作為一個模擬量反饋到控制系統之中。然后控制單元依據簡單的程序算法，確定給出一個變化的電信號，電信號精確控制磁粉制動器的扭矩輸出，使之得到一個恒定張力的控制。

2 超聲波傳感器

近年來，隨著國內外各種傳感器技術的發展，超聲波測距傳感器技術得到了長足發展。其工作原理是通過“回聲延時”（即聲波發出和聲波返回之間的時間差）來確定傳感器與被測物體之間的距離。

超聲波傳感器由波發送器、波接收器、控制器和電源4部分組成。工作時，首先由波發送器將電振動能量轉換成超聲波能量向空中輻射；波接收器將超聲波能量接收，將超聲波能量再轉換為電能量，再經過控制器部分對脈沖鏈頻率等進行控制、計算，最終將信號作為傳感器接收器的輸出，從而實現對發送的波進行檢測的目的。

超聲波傳感器是利用聲波介質對被測物體進行非接觸式和無損耗的檢測。超聲波無論對透明的物體還是有顏色的物體、金屬物體或者非金屬物體以及固體、液體或粉狀物都能檢測，幾乎不受外界環境影響，這一特性使其相對它類型的光電傳感器擁有了更廣泛的應用前途。

3 超聲波傳感器的實際應用

圖2、圖3是我單位為某電力公司設計制作自動放線機。傳感器選用的是美國邦納公司生產的T30U型超聲波直反式測距傳感器，如圖4所示。T30U型超聲波測距傳感器具有內置的溫度補償功能，可有效地減少溫度梯度變化對傳感器測量的影響，并且具有增強的EMC及RFI，抗干擾性強，量程范圍為100～3000 mm，同時具備開關量和模擬量兩種輸出方式，工作溫度-20～+70℃，具有示教 （Teach-in）功能，調試中可以通過按鍵便捷地設置工作行程和信號輸出的啟停位置。

圖2 自動放線機結構示意圖

4 結語

采用超聲波傳感器的自動放線機產品對導線無磨損，最大限度地保護了導線在繞線生產過程中不受損傷，且具有測距精確，定位精度高，響應時間快，抗干擾能力強，測量范圍大，并且對被測物體的表面形狀，材質等均無嚴格要求等特點。配合臺灣磁粉制動器、PLC和人機界面將其整合為一臺自動化程度較高的恒張力控制自動放線裝置。

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