淺談輪胎工業(yè)中激光傳感器的使用

隨著國家對子午胎發(fā)展的重視，從產業(yè)政策和投資上引導輪胎工業(yè)產品結構調整，并根據市場需求，支持了一批重點輪胎企業(yè)進行子午胎技術改造。在技術引進方面，采取引進國外先進技術和設備與國內開發(fā)相結合的發(fā)展方針，促進了我國子午線輪胎的發(fā)展。子午胎產量從1985年的28.2萬條，占當年輪胎產量的1.5%，1990年的117.6萬條，占當年輪胎產量的4.2%，發(fā)展到2001年的4263萬條，占當年輪胎總產量的39%.1990到2001年的十多年，子午胎年平均增長率達到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”產品結構的產業(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(tǒng)接觸/機械隨動機，更甚于更早的那種每次測量時可重復性和產量都會變化的電容傳感器。接觸式或機械隨動機的最大缺點是這類傳感器需要在輪胎上清潔的通道進行持續(xù)的測量。

當輪胎轉速為60轉/分鐘（rpm）時輪胎上的刻字或花紋會破壞接觸探針。而這些刻字和花紋也會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關，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，這樣為了獲得高質量的激光點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，同時釋放出煙霧。測量得到的數據必須反映真實形狀尺度和輪廓。

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，非接觸式傳感器必須迅速提供樣本以確保沒有漏過檢測任何缺損。

由于無接觸激光測量能迅速對過程變化做出反應，因此對于這類應用是理想的，它可以在整個生產過程中進行高速不間斷的測量。

如何進行三角測量

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

在這種技術中一束光從傳感器發(fā)射到被測表面。它相當于一個自動光斷面顯微鏡，有時作為一種結構化的光會被提及。在表面，激光發(fā)射光斑在一點上。在與激光形成的某個角度上，用透鏡形成影像或在這個影像平面的光斑照片，位置傳感的檢測器就置于這個影像平面。如果表面進一步遠離傳感器，檢測器的光斑變換到不同的點上。通過確定光斑的位置和測量相關的角度，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。第一種傳感器類型是PSD或者稱為位置敏感檢測器；第二種是CCD也稱為帶電的耦合設備。

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單等優(yōu)點， 其弱點主要是非線性。其工作原理是基于橫向光電效應。作為新型器件， PSD 已經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)自動控制、或位置變化等技術領域上。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(tǒng)響應快，分辨率高，成本低，因此具有廣泛應用的價值。同時可對目標信號進行調制，因而可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以用來實現高速、高精度、抗干擾能力強的位置檢測系統(tǒng)。因而近年來采用PSD作為位置檢測實現技術一直受到重視，并不斷研究開發(fā)出新的應用技術。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，以及PSD信號的非線性影響，因而PSD傳感裝置主要用于一維和二維位置量檢測，直接用于D3定位和位置測量還有許多問題需要解決。

CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規(guī)模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。因此，許多采用光學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排列用于單點測量。二維的樣式與激光線性傳感器同時使用，這種傳感器可以在一個簡單的圖象框架中測量二維的外形。CCD檢測器的首要缺點是與操作速度有關，這個速度一般要比從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指示器，線性變量微分變壓器，電容，感應和超聲的傳感器。

生產應用

PSD三角測量傳感器在輪胎工業(yè)中無論是半成品還是生產線上都有著廣泛的應用。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，一個在材料上面另一在下面。

應用微分傳感器產品，對于任何類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，任何通過的線的變化或材料的震動都不會影響厚度的測量值。

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

其他方面的應用需要一個或多個安裝好的以滾軸等作為參考的傳感器。這種方法雖然簡單且更直接，但它的準確性依賴于所用的精密滾軸。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的材料也存在著危險。

擠壓成型和導向

由于具有長程和持久性，對這類型的測量激光傳感器是理想的。這種測量與擠出橡膠的速度和溫度也無關。

被擠出的橡膠通過模具形成特定的形狀，例如輪胎的胎面部分。在擠壓過程中輪廓的在線測量允許通過改正一些參數，如厚度、寬度和輪廓，來控制加工以形成合適的形狀。表面特征，如棱線，中心線和邊緣，也可以被檢測。它主要能給操作者模具是如何磨損及何時改變等信息。

胎面擠壓成的外形通?？梢栽跀D壓的過程中通過機械掃描來完成。在很多應用中需要的速度比機械掃描可取得的要高。

為了適應這個需要，一些生產者發(fā)展了一種高速光學掃描點三角測量傳感器。這種傳感器可以隨著2D掃描線上的每個點而迅速調整激光功率。這就確保每個數據點得到恰當的照射。

重疊和接縫檢測

輪胎不均一的原因一般是在輪胎的鋪疊操作中不正確的層重疊和側面的接合。通過在輪胎制造機器中的在線檢測，譬如誤差和趨勢的迅速檢測，避免了報廢大量的已硫化了的輪胎。在這個應用中，激光傳感器比其它類型的傳感器更準確。

檢測環(huán)保輪胎的徑向和橫向彎曲面

為了減少廢品，必須及早的在生產過程中監(jiān)測產品的彎曲面并在輪胎成型中對其進行測量；它也提供必要的信息來執(zhí)行正確的操作。當在制造輪胎機械中測量環(huán)保輪胎，可以分析和測量內層，側壁或者胎面的接合重疊。通過在固化和檢測之前識別和更正問題，可以保證得到更均一的終產品。對于創(chuàng)造一個好的測量如圓度和諧度的統(tǒng)計計算的基準，所提供的準確度和可重復性是關鍵因素。

最終檢查的應用

輪胎側壁檢查

當需要把淘汰率或把高等級輪胎降級的可能性減到最小，側壁檢查過程必須檢測所有可疑的產品，譬如有凹陷和凸起的輪胎。這個過程牽涉到很多手工檢測，這就需要花費大量的時間和金錢。

很多輪胎制造受傳感器的測量限制的影響，因此必須加強他們的側壁凹凸測量系統(tǒng)的敏感性，這就需要貴的手工檢測。一些測量系統(tǒng)甚至不能分辨凹陷還是凸起。

目前最新的測量精確性和先進的軟件分析克服了大多這些限制。例如PSD激光三角測量傳感器可提供準確可靠的數據，同時具有高分辨和高速度。

輪胎凸起是在輪胎生產過程中側壁材料的小接頭產生的不牢固的點。通常如果接頭沒有足夠的重疊，當輪胎受到壓力膨脹時，就會像氣球一樣爆裂。這個凸起可以在任何位置，高度從0.3mm到3.0mm，寬度從5.0mm到7.0mm.

PSD激光傳感器可以在輪胎轉速為60rpm時快速檢測凸起或其它變形，測量凸起準確率可達到±0.0254mm.

有效的凸起高度大約為0.3mm.由于很多凸起不是相關的繩而是氣泡，顧客現在可以要求高度限在0.2mm.

激光傳感器也可以在斜面上測量，其無數據損失也無角度預先復位的必要。它可提供在側壁上凸起，凹陷，窩的X/Y點和位置，也可以通過黑色的刻字，潤滑油或任何其它的障礙物來測量。

激光傳感器：利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉化為相應的電信號。 常見的是激光測距傳感器，它通過記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間，因為光速太快。

均一輪胎機器

很多傳感器用于輪胎均一機器（TUO）中。雖然很多TUO，如TTOC-II和TSOS系統(tǒng)，用的是激光，但大多系統(tǒng)還是用有非常大的光斑電容探針，這有時就可能導致產品不合格。

其它機器用接觸式探針，它在旋轉的輪胎表面上面彈而引起錯誤，或者用低終端傳感器，它不如高終端那樣有高樣品率和高級的光控回路的激光。

激光傳感器和TUO機器結合，可提供比傳統(tǒng)接觸測量和電容傳感器系統(tǒng)精確得多且快速的周期。

輪胎均一系統(tǒng)被不斷的改進以便以更高效率檢測輪胎和新的側壁式樣。利用一些系統(tǒng)，檢測周期減少到17秒，為了適應輪胎生產商設計的規(guī)格還將進一步減少。

徑向彎曲面

徑向彎曲面?zhèn)鞲衅饕部捎行У臏y量輪胎圓度。在此應用中數據處理軟件可消除針形排氣，溢料和凹槽，只在胎面頂部的測量來進行非常精確的圓度分析。結果是輪胎的彎曲面的過濾表示，關鍵是減少或除去所有凹槽的深度和高頻率元素，這些因素會導致產品不確定性。

為了保證輪胎生產的嚴格的要求，一些傳感器制造商使用高頻數據采集系統(tǒng)來改進傳感器。這將進一步增加傳感器的速度。

胎面磨損分析

無接觸激光測量提供一個輪胎完全磨損側面，以及不規(guī)則磨損的量。這是對于路面噪聲蘊含量和識別當地磨損現象，如腳踵/腳趾磨損，凹進的拖拉，對角線的磨損，肩部的擦處和中心的磨損是重要的。

當新輪胎的高精確表面被側面和徑向彎曲面替代時，以非接觸激光為基礎的胎面測量也是一種測量診斷生產問題的有效工具。

輪胎生產需要準確的原型輪胎的磨損數據來改進設計。汽車生產商用這種分析來提供比較的測量以挑選最好的輪胎設計。

隨著市場競爭日益激烈，輪胎工業(yè)依賴于質量的增加，這就要求可靠的測量和限制停工時間。正因為如此，激光傳感器由于它們的速度，精確性和可靠性，所處的地位日益變得重要。激光傳感器生產商通過完善符合或甚至超越期望值的傳感器來滿足這些需要。最后，橡膠和輪胎生產商依靠增加質量的控制來減少生產成本和保持在市場中的競爭性。