一种位移－光电式在线检测装置设计

左章华

（广东省南海化工总厂有限公司，广东 佛山528200）

0 引言

导爆索是一种民爆产品，缠绕型导爆索生产过程中，制索机用塑料扁丝、牛皮纸条将药粉包裹缠绕，制成导爆索半成品。导爆索药芯是其重要的质量控制指标之一，如果索芯断细药不仅影响产品的使用性能（如爆轰，爆速等），且与使用的安全性关系重大。实际生产中，通过间接控制检测索芯的直径来掌握药芯药量的多少。

1 检测装置设计原理

导爆索索径检测技术的原理来源于导火索检测，根据相类似的索类产品导火索检测技术，按检测装置与检测对象之间是否直接接触分类，检测方法可分为接触式与非接触式［1－4］。

本检测装置为位移－光电式检测，根据光电效应原理展开设计，探头直接接触并感应探测导爆索的外径变化，间接反应出导爆索断细药，包覆物是否完整无损。探头把感受到的外径变化量（主要是外径变细情况下的变化量），通过检测装置感应机构转换成照射光路的通断信号。当照射光路中的光敏原件受照射时，光敏原件电阻降低，连接光敏原件电路接通，这样就可以制成一个控制电路，实现制索机自动停机控制，防止不合格产品的产生。

2 检测装置感应机构的组成特点

检测装置感应机构如图1所示。

图1 检测装置感应机构

2．1 结构特点及工作过程

正常检测时，导爆索卡在扶正滚轮与测量滚轮之间，导爆索被制索机的牵引轮不断拉制出来，并带动扶正滚轮及测量滚轮转动。静连杆与扶正滚轮通过销轴及滚动轴承连接，静连杆尾端通过固定螺母固定在支座上。测量滚轮、活动连杆、弹簧、发光二极管灯、光敏电阻、定位弹簧、定位珠和调整旋钮共同装配在测量机构固定套上，构成主体测量感应传动部套。测量机构固定套也是安装在支座上，这样才能最终保证2个滚轮位置的定位。

弹簧为压弹簧，始终作用于活动连杆，保证测量滚轮始终压在待测的导爆索上。

发光二极管灯为光源，与光敏电阻处于同一圆柱通道内，该通道即为光路通道，二者相对，光敏电阻随时接受发光二极管的触发作用。活动连杆与调整旋钮的调整心杆也处于一个圆柱通孔内，两相比较，光路通道直径要比圆柱通孔小些。正常制索过程中，活动连杆尾端端面与调整旋钮的调整心杆端面密合，形成密封面，该密封面正处于光路通道中间，遮挡住光路通道，使光亮无法照射到光敏电阻上。当2个滚轮间导爆索变细时，活动连杆在弹簧的作用下前移，这时活动连杆与调整旋钮的调整心杆密封面出现间隙，发光二极管发出的光将触发光敏电阻。

调整旋钮与调整心杆实际上加工为一体。调整旋钮的内侧加工有一圈定位凹坑，与定位弹簧及定位钢珠相配合。实际上加工了25个凹坑，由于调整心杆的螺纹螺距为0．50 mm，所以每次旋转调整旋钮，调整一个定位凹坑位置，就会得到调整心杆轴向0．02 mm的进退调整量。

很重要的一点，接触式的检测元件都是在一定机械力作用下卡住制索的。这种可控的微调量适用于导爆索的初始设置，保证机械力的控制，得到理想的控制状态。正式生产前，标准直径的导爆索卡在扶持滚轮与测量滚轮之间，旋转调整旋钮，调整到光路通道透光触发控制电路后，调整量旋进0．10 mm，即得到基本的初始工作设置。

2．2 探头设计

2．2．1 探头的选择

图2 a为前期设计使用的探头结构形状，一端为静探杆，另一端为动探杆，动静探杆端部均为直径4 mm圆弧的一部分并修为圆滑刃口，正好卡住4 mm的导爆索，导爆索与探头间为滑动摩擦。这种探头也可以实际使用，但问题是这种探头接触部位容易造成包裹缠绕导爆索的编织覆盖物磨损，影响产品质量。

图2 b为新设计的一种探头，该探头在整个检测装置感应机构中的装配位置如图1所示，为一组滚动轮，动静滚动轮均开有一段直径4 mm圆弧槽，导爆索卡在圆弧槽中，导爆索与探头间的接触关系为滚动摩擦。动静连杆均加工有U形口，滚动轮装在U形口中，通过轴承及销轴与动静连杆连接。

图2 探头形状

2．2．2 测量滚动轮参数设计［5－6］

测量滚动轮设计上不但是圆弧槽，而且还将圆弧槽上加工为类似蜗轮形状的凸弧齿，凸弧齿圆弧形齿顶外形直径为4 mm，也就是刚刚好卡住标准4 mm的导爆索。

将圆弧槽上加工为凸弧齿主要基于索径变大的情况下，齿状结构可以弱化这一不利因素对正常制索的影响。由于导爆索是柔性索类产品，当采用蜗轮状凸弧齿，齿间间隙所产生的空间将容纳索径变大量，避免导爆索在探头这里阻滞拉断。

纯圆弧槽与凸弧齿圆弧槽在测量标准导爆索时，有一点很明显的变化就是会产生一个很小的串动。对于凸弧齿圆弧槽，当导爆索从一条齿向另一条齿过渡时，由于齿间与导爆索的接触面是不连续的，检测探头将要产生一定的串量，串动值和齿间距有关。齿间距越大串动值越大。

在整个检测装置设计中，有一个重要的参数要事先确定，即探头的串量不能大于0．10 mm。当探头的串量大于0．10 mm时，检测滚轮的活动连杆与调整连杆之间密封面也将出现0．10 mm的间隙，光通路透光强度达到感应触发光敏电阻，造成控制停机。这个极限串量是根据实际检测数据得到的。

所以，为保证齿间距离不至影响串动量过大，设计的探头允许串量为极限值0．10 mm的20%，即允许串量为0．02 mm，并以此来确定齿间距离。

如图3所示，根据实际情况确定凸弧齿的齿顶圆直径为14 mm，齿高为1 mm，检测滚轮直径为17 mm（扶正滚轮直径为17 mm），检测滚轮与扶正滚轮之间距离在卡测标准索径时为1 mm。

在以上条件下，当齿间距离产生的串量为0．02 mm时，实际上是两道凸弧齿之间截取的直径为14 mm齿顶圆的弦高。这时净齿间距离为1．06 mm。以此为基准，考虑齿顶厚度为0．30～0．40 mm，可将齿顶圆等分30份，得到30条凸弧齿。

图3 测量滚动轮凸弧齿参数

改进后的检测探头不但克服了前期设计探头的大部分缺陷，还能够更加准确敏感检测到药芯的直径变化，避免包裹缠绕物折叠、错位的偶然影响。能够更好感应到药芯的密实程度，基本排除药芯、塑料扁丝和牛皮纸条偶然不均匀对检测的影响，作为接触式感应机构及时稳定准确反映索径的变化。

3 检测装置控制机构

光电控制器的电源电路如图4所示。采用220 V交流电供电，经变压器变压后，采用晶体管整流稳压后得出12 V和2．2 V的2种总电压。光电控制器控制电路如图5所示。

图4 光电控制器稳压电源原理

图5 光电控制器控制电路

输入通过光敏电阻D的阻值变化，控制晶体管BG1发射极对地的阻值变化，本级采用射级输出时，为了增加输入阻抗，从而保证光敏电阻在照度极小的情况下可靠工作，把D设计和安装在BG1的基极上，当无光射入时BG1截止，D几乎无电流通过。第2射极触发器由BG2，BG3组成，其作用相当于一个电子开关，在第1级输入电压作用下接通、断开，当索径正常时（令其绿灯亮），BG1截止，电子开关BG2截止，BG3导通，在射极电阻上只有BG3的射极电流通过，BG2基极电位低于发射极电位VE，但当BG2基极电位稍高于射极电位VE时，即D受光，BG1射极电阻8 kΩ上稍有电流（约2～5 μA）流过，电子开关触动工作，当D无光照时又恢复原状。最后一级是功率放大，其作用是把前级输入的通断信号经过功率放大后带动继电器动作，切断电动机220 V电源，停机。

4 结束语

对导爆索检测装置的设计进行了论述，作为接触式感应方式，整个检测装置具有测量简单可靠、连续测量、反映速度快和控制快等特点。导爆索与测量滚轮理论上无相对运动，消除了滑动摩擦生热这一隐患，测量中保证了系统工作状态的安全性。由于采用测量滚动轮，卡测索径将更为准确。从结构上来看，光电效应的原理应用也有一定的启示，是解决类似问题的良好思路。

在生产现场导爆索检测装置还存在以下问题：一是测量滚动轮参数可以进一步优化；二是对药芯偏粗、药量偏大的情况，还要进一步改进加药机构；三是还需对防爆控制箱进行设计，并需相关检测部门进行合格检测；四是作为爆炸环境应用，还需要相关权威机构的评估鉴定，才能正式投运应用。

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［6］ 机械工程手册电机工程手册编辑委员会．机械工程师手册［M］．北京：机械工业出版社，1990．