超声波传感器在自动化放线机中的应用

周慧颖

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

0 引言

在线缆绕制行业中，张力控制系统主要应用于对线材生产线中的卷取机和开卷机的控制，其主要作用是为了使线材在工作过程当中具有恒定的张力。张力控制系统控制张力通常有间接法和直接法两类。直接法是对张力的直接反馈控制，其是通过张力计测量出实际的张力值,并产生反馈信号,根据反馈信号控制恒定的张力值。直接法具有控制系统简单和精度较高的优点，可避免由于卷径变化、速度变化和空载转矩等因素对张力稳定造成的影响。缺点是机械式张力计的响应速度较慢，这是由于反馈信号的滞后，应用中经常会出现超调现象，造成系统的冲击和波动。而间接法则是通过检测系统中与线缆工作张力存在着线性比例关系的一些要素从而达到间接控制张力的一种方法。在生产实际中，间接法的应用较直接法更为广泛。

在传统的直接张力控制方式中，机械式张力传感器作为信号反馈的元件，其实际上取得的也是压力信号，工作中要将导线从传感器中穿过才能正常运行，因此对导线的磨损就不可避免，如图1所示。

1 张力传感器

图1 张力传感器

张力传感器按工作原理有微位移型和应变片型2类。微位移型是由外力的作用使板簧产生位移，经过差接变压器来检测出张力值的过程，板簧位移量约为±0.2 mm，由于位移值较小，故称作微位移型张力检测器；应变片型是将张力应变片和压缩应变片以电桥连接的方式拼接在一起，当受到外界压力时应变片的电阻值发生改变，通过改变的阻值来确定所受张力的大小的变化。张力传感器作为张力检测元件，通常配套自动张力控制器、磁粉离合器或磁粉制动器一同使用，张力传感器具有高稳定度、线性度良好、响应速度快、重量轻、体积小等特点。但在一些特殊的场合，如在绕/放线设备机械结构设计中对空间的限制等原因，为了避免接触摩擦对电缆线造成的磨损，客户要求能够提供一种无接触的信号取得方案。调研中我们发现，工业电抗器的绕制采用的扁平电缆，都是绕制在很大的空心线轴之上的。线轴直径多在1～2 m之间，这样，在绕线和放线的过程中，线轴直径的变化量就可以作为一个模拟量反馈到控制系统之中。然后控制单元依据简单的程序算法，确定给出一个变化的电信号，电信号精确控制磁粉制动器的扭矩输出，使之得到一个恒定张力的控制。

2 超声波传感器

近年来，随着国内外各种传感器技术的发展，超声波测距传感器技术得到了长足发展。其工作原理是通过“回声延时”（即声波发出和声波返回之间的时间差）来确定传感器与被测物体之间的距离。

超声波传感器由波发送器、波接收器、控制器和电源4部分组成。工作时，首先由波发送器将电振动能量转换成超声波能量向空中辐射；波接收器将超声波能量接收，将超声波能量再转换为电能量，再经过控制器部分对脉冲链频率等进行控制、计算，最终将信号作为传感器接收器的输出，从而实现对发送的波进行检测的目的。

超声波传感器是利用声波介质对被测物体进行非接触式和无损耗的检测。超声波无论对透明的物体还是有颜色的物体、金属物体或者非金属物体以及固体、液体或粉状物都能检测，几乎不受外界环境影响，这一特性使其相对它类型的光电传感器拥有了更广泛的应用前途。

3 超声波传感器的实际应用

图2、图3是我单位为某电力公司设计制作自动放线机。传感器选用的是美国邦纳公司生产的T30U型超声波直反式测距传感器，如图4所示。T30U型超声波测距传感器具有内置的温度补偿功能，可有效地减少温度梯度变化对传感器测量的影响，并且具有增强的EMC及RFI，抗干扰性强，量程范围为100～3000 mm，同时具备开关量和模拟量两种输出方式，工作温度-20～+70℃，具有示教 （Teach-in）功能，调试中可以通过按键便捷地设置工作行程和信号输出的启停位置。

图2 自动放线机结构示意图

4 结语

采用超声波传感器的自动放线机产品对导线无磨损，最大限度地保护了导线在绕线生产过程中不受损伤，且具有测距精确，定位精度高，响应时间快，抗干扰能力强，测量范围大，并且对被测物体的表面形状，材质等均无严格要求等特点。配合台湾磁粉制动器、PLC和人机界面将其整合为一台自动化程度较高的恒张力控制自动放线装置。

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