激光位移傳感器在紙坯厚度在線檢測(cè)中的應(yīng)用

[摘 要]：介紹了基于激光位移傳感器與電渦流位移傳感器的位移差動(dòng)法在線檢測(cè)紙坯厚度的原理及測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該測(cè)量原理完全消除了造紙機(jī)卷紙滾筒的徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)各個(gè)傳感器標(biāo)定，并采用最小二乘法線性擬合標(biāo)定數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。 關(guān)鍵詞：紙坯厚度；激光位移傳感器；電渦流位移傳感器 0 引言 紙張厚度測(cè)量屬于薄質(zhì)非金屬材料的厚度測(cè)量。在濕度較大的紙張厚度測(cè)量中，接觸法易劃傷被測(cè)表面，且測(cè)量誤差較大；非接觸法中的電容、紅外線及輻射等方法由于受紙張水分、密度等因素的影響，使檢測(cè)值不穩(wěn)定，檢測(cè)精度不能滿足生產(chǎn)質(zhì)量控制要求。由于激光位移傳感器和電渦流位移傳感器均為非接觸測(cè)量，測(cè)量精度高、穩(wěn)定，并且，不受被測(cè)物體的濕度、密度等因素的影響，因此，采用激光位移傳感器和電渦流位移傳感器的位移差動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)了濕度較大的紙張厚度的在線高精度的測(cè)量。以MCS-5l單片機(jī)為核心的二次儀表，完成數(shù)據(jù)的采集、標(biāo)度變換、厚度測(cè)量運(yùn)算、測(cè)量結(jié)果顯示與存儲(chǔ)、通信，打印等功能，完全滿足實(shí)際生產(chǎn)中質(zhì)量控制和管理的要求。 1 測(cè)量原理 紙坯厚度在線測(cè)量原理如圖l，因?yàn)榧垙垶榉墙饘伲词節(jié)穸容^大的紙張，對(duì)電渦流位移傳感器的測(cè)距也不會(huì)產(chǎn)生影響，所以，電渦流位移傳感器可測(cè)量金屬滾筒表面的徑向跳動(dòng)。無(wú)紙坯時(shí)，激光位移傳感器測(cè)量值T₁為傳感器距滾筒上表面的距離，同時(shí)，電渦流位移傳感器距滾筒上表面的測(cè)量值為C₁；當(dāng)有紙坯時(shí)，激光位移傳感器測(cè)量值T₂為傳感器距滾筒上紙坯的上表面距離，同時(shí)，電渦流位移傳感器距滾筒上表面的測(cè)量值為C₂，則滾筒上的紙坯厚度為 T＝（T₁ －T₂）－（C₁－C₂）， （1） 式中C₁，C₂為電渦流傳感器2次測(cè)量時(shí)刻，滾筒的徑向跳動(dòng)，式（1）計(jì)算結(jié)果的誤差取決于激光位移傳感器和電渦流位移傳感器的精度。本測(cè)量方案中，采用兩組測(cè)厚傳感器是為了測(cè)量紙坯沿滾筒橫向的平均值；定位傳感器用于觸發(fā)采集兩組測(cè)厚傳感器的信號(hào)。 2 單片機(jī)系統(tǒng)硬件 紙坯厚度在線測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。電渦流位移傳感器和激光位移傳感器輸出信號(hào)經(jīng)濾波、放大調(diào)理單元，通過(guò)A/D變換器，單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度變換、紙坯厚度測(cè)量運(yùn)算、判斷合格紙坯、顯示紙坯測(cè)量厚度和超差值、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)等。 本測(cè)量系統(tǒng)的二次儀表中的微處理采用2片Philip公司的89C52單片機(jī)組成雙CPU系統(tǒng)，每片單片機(jī)內(nèi)自帶8k字節(jié)非易失性程序存儲(chǔ)器、256字節(jié)靜態(tài)RAM、3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器、24個(gè)I/O口等。單片機(jī)l為主單片機(jī)，外圍電路有幾乎無(wú)限次可擦寫非易失性鐵電存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)及設(shè)定參數(shù)，A/D變換器采用MAXl86，其主要功能為四線串行接口、8通道、12位分辨力、轉(zhuǎn)換速率133 kSPS 。DSl2B887為時(shí)鐘芯片用于記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間；單片機(jī)2為從單片機(jī)，通過(guò)串口與主單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，單片機(jī)2主要用于處理鍵盤輸入和顯示輸出以減輕主單片機(jī)負(fù)擔(dān)，LED顯示用于紙坯的厚度值、誤差值、鍵盤輸入值等，鍵盤用于參數(shù)設(shè)定、LED顯示切換等，此系統(tǒng)還可以通過(guò)通信接口與其他計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表通信來(lái)完成數(shù)據(jù)交換。 3 系統(tǒng)標(biāo)定和軟件設(shè)計(jì) 測(cè)量系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝前，應(yīng)對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法得到線性擬合方程，并將其寫入主單片機(jī)程序中。測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝完后，通過(guò)鍵盤完成傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定，即測(cè)量無(wú)紙坯時(shí)，激光位移傳感器和電渦流位移傳感器距滾筒的距離T1，C1。程序采用模塊式設(shè)計(jì)，程序流程圖如圖3所示。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 將激光位移傳感器和電渦流位移傳感器分別固定在微動(dòng)測(cè)量平臺(tái)上，位移與傳感器的輸出電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4和圖5，圖中，點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，曲線為三次數(shù)據(jù)擬合曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)擬合曲線比較得出，電渦流位移傳感器的最大誤差為±0.0027mm，激光位移傳感器的最大誤差為±0.004mm。由激光位移傳感器與電渦流位移傳感器的位移差動(dòng)法組成在線檢測(cè)紙坯厚度時(shí)的最大誤差為|±0.0027mm | ＋|±0.004mm|＝0.0067mm。 5 結(jié)論 （1）可選用更高分辨力的A/D變換器提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度； （2）采用激光位移傳感器和電渦流位移傳感器差動(dòng)測(cè)量方法，消除了的徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量精度只取決于測(cè)量系統(tǒng)； （3）采用非接觸測(cè)量，不僅不會(huì)破壞紙坯，而且，消除了接觸法對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響； （4）本測(cè)量系統(tǒng)在某造紙廠安裝使用近一年，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。