【導(dǎo)讀】隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，輪胎工業(yè)依賴于質(zhì)量的增加，這就要求可靠的測(cè)量和限制停工時(shí)間。正因?yàn)槿绱耍す鈧鞲衅饔捎谒鼈兊乃俣龋_性和可靠性，所處的地位日益變得重要。
隨著國(guó)家對(duì)子午胎發(fā)展的重視，從產(chǎn)業(yè)政策和投資上引導(dǎo)輪胎工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，并根據(jù)市場(chǎng)需求，支持了一批重點(diǎn)輪胎企業(yè)進(jìn)行子午胎技術(shù)改造。在技術(shù)引進(jìn)方面，采取引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備與國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)相結(jié)合的發(fā)展方針，促進(jìn)了我國(guó)子午線輪胎的發(fā)展。子午胎產(chǎn)量從1985年的28.2萬(wàn)條，占當(dāng)年輪胎產(chǎn)量的1.5%，1990年的117.6萬(wàn)條，占當(dāng)年輪胎產(chǎn)量的4.2%，發(fā)展到2001年的4263萬(wàn)條，占當(dāng)年輪胎總產(chǎn)量的39%.1990到2001年的十多年，子午胎年平均增長(zhǎng)率達(dá)到38%.由于在全行業(yè)中大力推行"壓縮低檔次斜交胎、擴(kuò)大高性能子午胎"產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)政策。
在這些應(yīng)用中，非接觸式激光測(cè)量傳感器要優(yōu)于傳統(tǒng)接觸/機(jī)械隨動(dòng)機(jī)，更甚于更早的那種每次測(cè)量時(shí)可重復(fù)性和產(chǎn)量都會(huì)變化的電容傳感器。接觸式或機(jī)械隨動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)是這類傳感器需要在輪胎上清潔的通道進(jìn)行持續(xù)的測(cè)量。
當(dāng)輪胎轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分鐘（rpm）時(shí)輪胎上的刻字或花紋會(huì)破壞接觸探針。而這些刻字和花紋也會(huì)由于不必要的反彈而嚴(yán)重降低其可重復(fù)性。與之相反，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募す鉁y(cè)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(wú)關(guān)，可在較高的速率下收集數(shù)據(jù)。
在橡膠應(yīng)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(zhì)量的激光點(diǎn)像以及迅速對(duì)表面反射率做出調(diào)整，測(cè)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(yīng)要很快，以便從具有刻字和各種復(fù)雜形狀的胎面或側(cè)壁之類的斷面中獲得可靠的數(shù)據(jù)。
橡膠的待加工原料，典型的如從擠出機(jī)，壓延機(jī)或在輪胎成型過(guò)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(shí)釋放出煙霧。測(cè)量得到的數(shù)據(jù)必須反映真實(shí)形狀尺度和輪廓。
它不應(yīng)受熱的，煙的環(huán)境或表面的影響，也不應(yīng)受測(cè)量角度或材料的紋理，亮度，斜面，速度或溫度的影響。
當(dāng)在高速的TUO（輪胎均一性）機(jī)器上測(cè)量旋轉(zhuǎn)的輪胎時(shí)，非接觸式傳感器必須迅速提供樣本以確保沒(méi)有漏過(guò)檢測(cè)任何缺損。
由于無(wú)接觸激光測(cè)量能迅速對(duì)過(guò)程變化做出反應(yīng)，因此對(duì)于這類應(yīng)用是理想的，它可以在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行高速不間斷的測(cè)量。
如何進(jìn)行三角測(cè)量
在橡膠和輪胎工業(yè)中大多的非接觸式傳感器用光學(xué)激光三角測(cè)量法來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量物體或表面。
在這種技術(shù)中一束光從傳感器發(fā)射到被測(cè)表面。它相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)光斷面顯微鏡，有時(shí)作為一種結(jié)構(gòu)化的光會(huì)被提及。在表面，激光發(fā)射光斑在一點(diǎn)上。在與激光形成的某個(gè)角度上，用透鏡形成影像或在這個(gè)影像平面的光斑照片，位置傳感的檢測(cè)器就置于這個(gè)影像平面。如果表面進(jìn)一步遠(yuǎn)離傳感器，檢測(cè)器的光斑變換到不同的點(diǎn)上。通過(guò)確定光斑的位置和測(cè)量相關(guān)的角度，傳感器到表面的距離可被確定。
有兩種主要的檢測(cè)器類型用于非接觸式三角測(cè)量傳感器。它們都是固態(tài)的，與具有粗糙結(jié)構(gòu)的電路芯片集成，只要適當(dāng)?shù)亟M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(cè)器；第二種是CCD也稱為帶電的耦合設(shè)備。
位置敏感器件PSD（Position Sensitive Device）。PSD屬于半導(dǎo)體器件，一般做成P+IN結(jié)構(gòu)，具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快和配置電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其弱點(diǎn)主要是非線性。其工作原理是基于橫向光電效應(yīng)。作為新型器件，PSD已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在位置坐標(biāo)的精確測(cè)量上，如：兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動(dòng)控制、或位置變化等技術(shù)領(lǐng)域上。PSD光電器件是一種光能/位置轉(zhuǎn)換器件，由于位置量為模擬量輸出，系統(tǒng)響應(yīng)快，分辨率高，成本低，因此具有廣泛應(yīng)用的價(jià)值。同時(shí)可對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，因而可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的位置檢測(cè)系統(tǒng)。因而近年來(lái)采用PSD作為位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)一直受到重視，并不斷研究開(kāi)發(fā)出新的應(yīng)用技術(shù)。研究表明，PSD與CCD器件的最大不同之處是光電位置信號(hào)與照射強(qiáng)度相關(guān)，以及PSD信號(hào)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(cè)，直接用于D3定位和位置測(cè)量還有許多問(wèn)題需要解決。
CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測(cè)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(diǎn)測(cè)量。二維的樣式與激光線性傳感器同時(shí)使用，這種傳感器可以在一個(gè)簡(jiǎn)單的圖象框架中測(cè)量二維的外形。CCD檢測(cè)器的首要缺點(diǎn)是與操作速度有關(guān)，這個(gè)速度一般要比從PSD獲得的小。
以PSD為基礎(chǔ)的激光傳感器對(duì)于輪胎和橡膠應(yīng)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(yīng)和超聲的傳感器。
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生產(chǎn)應(yīng)用
PSD三角測(cè)量傳感器在輪胎工業(yè)中無(wú)論是半成品還是生產(chǎn)線上都有著廣泛的應(yīng)用。它具有比大多其他傳感科技要小的光斑，對(duì)于測(cè)量微小變化和斷面是理想的選擇。以下是在生產(chǎn)應(yīng)用的一些例子。
壓延橡膠厚度的測(cè)量
大多厚度測(cè)量是在固定位置完成的，用兩種相反的激光，一個(gè)在材料上面另一在下面。
應(yīng)用微分傳感器產(chǎn)品，對(duì)于任何類型的材料均可精確和準(zhǔn)確測(cè)量厚度的變化。由于樣品速率高和光斑小，任何通過(guò)的線的變化或材料的震動(dòng)都不會(huì)影響厚度的測(cè)量值。
在某些情況中，兩種傳感器被安裝在一個(gè)機(jī)械的滑板和"C"形的框架中，在那可以來(lái)回掃描以監(jiān)測(cè)材料的寬度的變化。這個(gè)框架必須嚴(yán)格防止由于振動(dòng)而引入測(cè)量誤差。
其他方面的應(yīng)用需要一個(gè)或多個(gè)安裝好的以滾軸等作為參考的傳感器。這種方法雖然簡(jiǎn)單且更直接，但它的準(zhǔn)確性依賴于所用的精密滾軸。對(duì)于軸承磨損和在精密滾珠上積累的污垢必須有所補(bǔ)償。而且高速使用膨脹的遠(yuǎn)離參考點(diǎn)的材料也存在著危險(xiǎn)。
擠壓成型和導(dǎo)向
由于具有長(zhǎng)程和持久性，對(duì)這類型的測(cè)量激光傳感器是理想的。這種測(cè)量與擠出橡膠的速度和溫度也無(wú)關(guān)。
被擠出的橡膠通過(guò)模具形成特定的形狀，例如輪胎的胎面部分。在擠壓過(guò)程中輪廓的在線測(cè)量允許通過(guò)改正一些參數(shù)，如厚度、寬度和輪廓，來(lái)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(cè)。它主要能給操作者模具是如何磨損及何時(shí)改變等信息。
胎面擠壓成的外形通常可以在擠壓的過(guò)程中通過(guò)機(jī)械掃描來(lái)完成。在很多應(yīng)用中需要的速度比機(jī)械掃描可取得的要高。
為了適應(yīng)這個(gè)需要，一些生產(chǎn)者發(fā)展了一種高速光學(xué)掃描點(diǎn)三角測(cè)量傳感器。這種傳感器可以隨著2D掃描線上的每個(gè)點(diǎn)而迅速調(diào)整激光功率。這就確保每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)得到恰當(dāng)?shù)恼丈洹?/p>
重疊和接縫檢測(cè)
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(cè)面的接合。通過(guò)在輪胎制造機(jī)器中的在線檢測(cè)，譬如誤差和趨勢(shì)的迅速檢測(cè)，避免了報(bào)廢大量的已硫化了的輪胎。在這個(gè)應(yīng)用中，激光傳感器比其它類型的傳感器更準(zhǔn)確。
檢測(cè)環(huán)保輪胎的徑向和橫向彎曲面
為了減少?gòu)U品，必須及早的在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的彎曲面并在輪胎成型中對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；它也提供必要的信息來(lái)執(zhí)行正確的操作。當(dāng)在制造輪胎機(jī)械中測(cè)量環(huán)保輪胎，可以分析和測(cè)量?jī)?nèi)層，側(cè)壁或者胎面的接合重疊。通過(guò)在固化和檢測(cè)之前識(shí)別和更正問(wèn)題，可以保證得到更均一的終產(chǎn)品。對(duì)于創(chuàng)造一個(gè)好的測(cè)量如圓度和諧度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算的基準(zhǔn)，所提供的準(zhǔn)確度和可重復(fù)性是關(guān)鍵因素。
最終檢查的應(yīng)用
輪胎側(cè)壁檢查
當(dāng)需要把淘汰率或把高等級(jí)輪胎降級(jí)的可能性減到最小，側(cè)壁檢查過(guò)程必須檢測(cè)所有可疑的產(chǎn)品，譬如有凹陷和凸起的輪胎。這個(gè)過(guò)程牽涉到很多手工檢測(cè)，這就需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。
很多輪胎制造受傳感器的測(cè)量限制的影響，因此必須加強(qiáng)他們的側(cè)壁凹凸測(cè)量系統(tǒng)的敏感性，這就需要貴的手工檢測(cè)。一些測(cè)量系統(tǒng)甚至不能分辨凹陷還是凸起。
目前最新的測(cè)量精確性和先進(jìn)的軟件分析克服了大多這些限制。例如PSD激光三角測(cè)量傳感器可提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)具有高分辨和高速度。
輪胎凸起是在輪胎生產(chǎn)過(guò)程中側(cè)壁材料的小接頭產(chǎn)生的不牢固的點(diǎn)。通常如果接頭沒(méi)有足夠的重疊，當(dāng)輪胎受到壓力膨脹時(shí)，就會(huì)像氣球一樣爆裂。這個(gè)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(zhuǎn)速為60rpm時(shí)快速檢測(cè)凸起或其它變形，測(cè)量凸起準(zhǔn)確率可達(dá)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(guān)的繩而是氣泡，顧客現(xiàn)在可以要求高度限在0.2mm.
激光傳感器也可以在斜面上測(cè)量，其無(wú)數(shù)據(jù)損失也無(wú)角度預(yù)先復(fù)位的必要。它可提供在側(cè)壁上凸起，凹陷，窩的X/Y點(diǎn)和位置，也可以通過(guò)黑色的刻字，潤(rùn)滑油或任何其它的障礙物來(lái)測(cè)量。
激光傳感器：利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)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(xué)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(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。常見(jiàn)的是激光測(cè)距傳感器，它通過(guò)記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測(cè)定傳輸時(shí)間，因?yàn)楣馑偬臁?/p>
均一輪胎機(jī)器
很多傳感器用于輪胎均一機(jī)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(shí)就可能導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。
其它機(jī)器用接觸式探針，它在旋轉(zhuǎn)的輪胎表面上面彈而引起錯(cuò)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(jí)的光控回路的激光。
激光傳感器和TUO機(jī)器結(jié)合，可提供比傳統(tǒng)接觸測(cè)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(jìn)以便以更高效率檢測(cè)輪胎和新的側(cè)壁式樣。利用一些系統(tǒng)，檢測(cè)周期減少到17秒，為了適應(yīng)輪胎生產(chǎn)商設(shè)計(jì)的規(guī)格還將進(jìn)一步減少。
徑向彎曲面
徑向彎曲面?zhèn)鞲衅饕部捎行У臏y(cè)量輪胎圓度。在此應(yīng)用中數(shù)據(jù)處理軟件可消除針形排氣，溢料和凹槽，只在胎面頂部的測(cè)量來(lái)進(jìn)行非常精確的圓度分析。結(jié)果是輪胎的彎曲面的過(guò)濾表示，關(guān)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不確定性。
為了保證輪胎生產(chǎn)的嚴(yán)格的要求，一些傳感器制造商使用高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)改進(jìn)傳感器。這將進(jìn)一步增加傳感器的速度。
胎面磨損分析
無(wú)接觸激光測(cè)量提供一個(gè)輪胎完全磨損側(cè)面，以及不規(guī)則磨損的量。這是對(duì)于路面噪聲蘊(yùn)含量和識(shí)別當(dāng)?shù)啬p現(xiàn)象，如腳踵/腳趾磨損，凹進(jìn)的拖拉，對(duì)角線的磨損，肩部的擦處和中心的磨損是重要的。
當(dāng)新輪胎的高精確表面被側(cè)面和徑向彎曲面替代時(shí)，以非接觸激光為基礎(chǔ)的胎面測(cè)量也是一種測(cè)量診斷生產(chǎn)問(wèn)題的有效工具。
輪胎生產(chǎn)需要準(zhǔn)確的原型輪胎的磨損數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。汽車生產(chǎn)商用這種分析來(lái)提供比較的測(cè)量以挑選最好的輪胎設(shè)計(jì)。
激光傳感器生產(chǎn)商通過(guò)完善符合或甚至超越期望值的傳感器來(lái)滿足需要。最后，橡膠和輪胎生產(chǎn)商依靠增加質(zhì)量的控制來(lái)減少生產(chǎn)成本和保持在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)性。
