传感器和信号：了解张力控制技术

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F_R和垂直方向的力F_V）。如图3-63a所示，设张力为T，F_T为辊子和轴承的重力，α、β为片材的夹角，则

F_R＝T（cosβ-cosα） （3-24）

F_V＝T（sinα-sinβ）＋F_T （3-25）

根据张力传感器的值F_R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是由特殊的刚性材料做成，如ABB公司PFTL101A、101B系列的传感器是由CrMoS17组成的特殊不锈钢材料做成。其工作原理通常有以下三种：

（1）压磁式 张力传感器的一次线圈和二次线圈正确通过传感器的4个孔（其中一次线圈为激励线圈，二次线圈为感应线圈）。在正常情况下（即无水平张力）一次线圈的感应磁场如图3-63b所示，由于孔的合理放置，二次线圈无感应电压产生。当水平张力T作用在传感器上时，一次线圈的电磁场就会产生变化，从而二次线圈就会感应出相应的电压，如图3-63c所示。一旦水平张力作用改变方向，二次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二片钢片中，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。该元件是用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，即在二次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。在二次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3-63 张力传感器的测量原理和工作原理(www.xing528.com)

a）张力分析 b）不受力时的张力传感器 c）不受力时的张力传感器

（2）压敏电阻传感器 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，可用于数宇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）板簧式微位移张力传感器 它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。如日本三菱LX-TD型属于板簧式微位移张力传感器，图3-64所示为LX-TD在张力检测中的应用。

2.浮辊式张力检测方式

图3-64 LX-TD在张力检测中的应用

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，料带上的张力与气缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与气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，利用其自身的冗余作用，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。此系统要求气缸摩擦系数小，响应速度快，气源稳定。浮辊和摆杆的重量要轻，转动要灵活。

常用的浮辊电位器如HoneyweII公司的WPM（见图3-65），它的总机械行程为连续角度，理论电气行程为340°~353°不等，线性度为±0.75％。由于采取隔离滚珠轴承，即使在侧面加载也能保证长寿命，并能抵抗恶劣环境。

图3-65 WPM系列浮辊式电位器