张力控制系统中的张力传感器和张力信号

    张力传感器的功能就是能在生产过程中对片材、线材、带材及其他类似产品的张力进行在线连续测量，并能提供瞬时值。    常见的张力传感器主要有以下几种。    (1)承座式张力传感器。它是对张力直接进行检测，与机械紧密地结合在一起，没有移动部件的检测方式。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊两侧的端轴上，料带通过检测导辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或变形，从而检测出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器，最终实现张力闭环控制。其优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换卷等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及做出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。    张力传感器放置在辊子的支持轴承下方，由刚性材料做成，它只对水平方向的张力起作用。当一定张力的片材通过该辊时，片材所受到的张力分成两部分（水平方向的力FR和垂直方向的力FV）。如图6.16(a)所示，设张力为T，FT为辊子和轴承的重力，α、β为片材的夹角，则    FR=T（cosβ-cosα）    Fv=T（sinα-sinβ）+FT    根据张力传感器的值FR就可以计算出该片材此时的张力值T。    承座式张力传感器一般由特殊的刚性材料做成，如ABB公司的PFTL101A、101B系列传感器是由CrMoS17组成的特殊不锈钢材料做成的。其工作原理通常有以下三种。    ①压磁式。该张力传感器的初级线圈和次级线圈正确通过传感器的四个孔（其中初级线圈为激励线圈，次级线圈为感应线圈）。在正常情况下（无水平张力），初级线圈的感应磁场如图6.16(b)所示，由于孔的合理放置，次级线圈无感应电压产生。当水平张力r作用在传感器上时，初级线圈的电磁场就会产生变化，从而次级线圈就会感应出相应的电压，如图6.16(c)所示。一旦水平张力作用改变方向，次级线圈的电压极性也相应改变。张力传感器的激励信号为330Hz、0.5A的交流信号．张力作用的大小反映在输出信号的幅度上，张力的方向则反映在输出信号的极性上。信号放大器的作用就是先过滤为DC信号，然后通过增益运算放大器，最后可以选择适当的加法器、减法器等输出张力控制所需的纸幅A侧张力信号、B侧张力信号、A侧+B侧的张力之和信号和A侧-B侧的张力之差信号。    该类型传感器通常是由两块铁板和四片弹性钢片连接组成的。四片弹性钢片用来吸收垂直方向的分力，磁性测量元件安装在中间两片钢片的当中，使测力计只对测量方向上的机械应力敏感。在测量过程中，磁弹性元件由于受机械应力的变化，将产生磁性材料的导磁性能变化。该元件由一种经过特殊技术处理过的多片金属薄片组成。在元件上绕有两个交叉而互成垂直角度的线圈，在没有外界机械应力时，因为两个线圈相互垂直，故不会出现磁耦现象，即在次级线圈上不会产生感应电压。当磁性元件在测量方向上受到机械应力时即出现磁耦现象。在次级线圈上产生与机械力成正比的感应交流电压信号，通过信号处理，输出一个与机械力大小成正比的张力信号。
    图6.16    张力传感器的测量原理和工作原理    ②压敏电阻型。该传感器安装于轴承和机架之间，记录水平方向的卷筒张力，采用相应的放大器来进行全桥电压供给和测量信号的处理。放大器输出端的信号和径向作用力成比例，可用于数字显示或作为闭环回路的瞬时值。如美国蒙特福T系列就属于压敏电阻型。    ③板簧式。板簧式微位移张力传感器的优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换卷等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。如日本三菱LX - TD型就属于板簧式微位移张力传感器。    (2)浮辊式(Dancer Arm)张力检测方式。它是一种间接的张力检测方式，实质上是一种位置控制，当张力稳定时，料带上的张力与汽缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与汽缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，此时摆杆将绕M点转动并带动浮辊电位器一起转动。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将以位置信号方式反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控制伺服驱动系统进行纠偏。然后浮辊恢复到原来的平衡位置。由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构，利用其自身的惯性作用，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用，同时也能减弱料卷的偏心（椭圆）以及速度变化对张力的影响。此系统要求汽缸摩擦系数小，响应速度快，气源稳定。浮辊和摆杆的重量要轻，转动要灵活。    ①浮辊/反馈复合式张力检测方式。它可同时检测由浮辊电位器输出的浮辊位置信号和张力传感器输出的张力信号，从而可向系统提供更高精度的张力控制。其特点是：它不但具有浮辊控制对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能，而且还对机器加、减速时有很好的缓冲平稳作用，并容易实现高速切换卷，具有张力传感器闭环控制的高精度、高重复性的特点。例如美国蒙特福( MONTALVO)公司的X/D3000型浮辊/反馈复合式张力控制装置就属于该种类型。    ②由卷径得出的张力检测方式。它用安装在卷轴处的接近开关检测出卷轴的转速，并通过所设定的卷轴直径初始值和材料厚度，累积计算求得收卷或放卷筒当前的直径，相应卷径的变化输出控制信号，以控制收卷转矩或放卷制动转矩，从而调整料带的张力。因为卷轴每转一圈，卷径会发生2倍于料带厚度的变化，此种张力控制不受外界刺激的影响，能实行稳定的张力控制。