激光传感器在轮胎工业中的实现

随着国家对子午胎发展的重视，从产业政策和投资上引导轮胎工业产品结构调整，并根据市场需求，支持了一批重点轮胎企业进行子午胎技术改造。在技术引进方面，采取引进国外先进技术和设备与国内开发相结合的发展方针，促进了我国子午线轮胎的发展。子午胎产量从1985年的28.2万条，占当年轮胎产量的1.5%，1990年的117.6万条，占当年轮胎产量的4.2%，发展到2001年的4263万条，占当年轮胎总产量的39%.1990到2001年的十多年，子午胎年平均增长率达到38%.由于在全行业中大力推行压缩低档次斜交胎、扩大高性能子午胎产品结构的产业政策。

在这些应用中，非接触式激光测量传感器要优于传统接触/机械随动机，更甚于更早的那种每次测量时可重复性和产量都会变化的电容传感器。接触式或机械随动机的最大缺点是这类传感器需要在轮胎上清洁的通道进行持续的测量。

当轮胎转速为60转/分钟(rpm)时轮胎上的刻字或花纹会破坏接触探针。而这些刻字和花纹也会由于不必要的反弹而严重降低其可重复性。与之相反，设计适当的激光测量传感器不受表面纹理，颜色，速度或者不同环境的光的条件的影响。与接触式传感器相比，激光传感器与探针磨损或反弹无关，可在较高的速率下收集数据。

在橡胶应用中的性能要求

由于橡胶是黑色，它吸收表面上几乎所有的光，这样为了获得高质量的激光点像以及迅速对表面反射率做出调整，测量装置需要足够的光功率。

通常即便激光器具有最好的传感器性能也要求激光的光斑比较小，频率响应要很快，以便从具有刻字和各种复杂形状的胎面或侧壁之类的断面中获得可靠的数据。

橡胶的待加工原料，典型的如从挤出机，压延机或在轮胎成型过程中的未加工或未硫化的材料，通常还是热而且粘的，具有黑色光泽表面，同时释放出烟雾。测量得到的数据必须反映真实形状尺度和轮廓。

它不应受热的，烟的环境或表面的影响，也不应受测量角度或材料的纹理，亮度，斜面，速度或温度的影响。

当在高速的TUO(轮胎均一性)机器上测量旋转的轮胎时，非接触式传感器必须迅速提供样本以确保没有漏过检测任何缺损。

由于无接触激光测量能迅速对过程变化做出反应，因此对于这类应用是理想的，它可以在整个生产过程中进行高速不间断的测量。

如何进行三角测量

在橡胶和轮胎工业中大多的非接触式传感器用光学激光三角测量法来准确测量物体或表面。

在这种技术中一束光从传感器发射到被测表面。它相当于一个自动光断面显微镜，有时作为一种结构化的光会被提及。在表面，激光发射光斑在一点上。在与激光形成的某个角度上，用透镜形成影像或在这个影像平面的光斑照片，位置传感的检测器就置于这个影像平面。如果表面进一步远离传感器，检测器的光斑变换到不同的点上。通过确定光斑的位置和测量相关的角度，传感器到表面的距离可被确定。

有两种主要的检测器类型用于非接触式三角测量传感器。它们都是固态的，与具有粗糙结构的电路芯片集成，只要适当地组装传感器外壳，即使在恶劣的环境中，其仍具有可靠的性能。第一种传感器类型是PSD或者称为位置敏感检测器;第二种是CCD也称为带电的耦合设备。

位置敏感器件PSD(Position Sensitive Device)。PSD属于半导体器件，一般做成P+IN结构，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，其弱点主要是非线性。其工作原理是基于横向光电效应。作为新型器件，PSD已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上，如：兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域上。PSD光电器件是一种光能/位置转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显着提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统。因而近年来采用PSD作为位置检测实现技术一直受到重视，并不断研究开发出新的应用技术。研究表明，PSD与CCD器件的最大不同之处是光电位置信号与照射强度相关，以及PSD信号的非线性影响，因而PSD传感装置主要用于一维和二维位置量检测，直接用于D3定位和位置测量还有许多问题需要解决。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显着特点是：1.体积小重量轻;2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长;3.灵敏度高，噪声低，动态范围大;4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像;5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。通常一维的CCD排列用于单点测量。二维的样式与激光线性传感器同时使用，这种传感器可以在一个简单的图象框架中测量二维的外形。CCD检测器的首要缺点是与操作速度有关，这个速度一般要比从PSD获得的小。

以PSD为基础的激光传感器对于轮胎和橡胶应用是理想的，它正逐步替代刻度盘指示器，线性变量微分变压器，电容，感应和超声的传感器。

生产应用

PSD三角测量传感器在轮胎工业中无论是半成品还是生产线上都有着广泛的应用。它具有比大多其他传感科技要小的光斑，对于测量微小变化和断面是理想的选择。以下是在生产应用的一些例子。

压延橡胶厚度的测量

大多厚度测量是在固定位置完成的，用两种相反的激光，一个在材料上面另一在下面。

应用微分传感器产品，对于任何类型的材料均可精确和准确测量厚度的变化。由于样品速率高和光斑小，任何通过的线的变化或材料的震动都不会影响厚度的测量值。

在某些情况中，两种传感器被安装在一个机械的滑板和C形的框架中，在那可以来回扫描以监测材料的宽度的变化。这个框架必须严格防止由于振动而引入测量误差。

其他方面的应用需要一个或多个安装好的以滚轴等作为参考的传感器。这种方法虽然简单且更直接，但它的准确性依赖于所用的精密滚轴。对于轴承磨损和在精密滚珠上积累的污垢必须有所补偿。而且高速使用膨胀的远离参考点的材料也存在着危险。