激光位移传感器在纸坯厚度在线检测中的应用

[摘 要]：介绍了基于激光位移传感器与电涡流位移传感器的位移差动法在线检测纸坯厚度的原理及测量系统的软硬件设计。该测量原理完全消除了造纸机卷纸滚筒的径向跳动对测量结果的影响。通过对各个传感器标定，并采用最小二乘法线性拟合标定数据，进一步提高系统的测量精度。 关键词：纸坯厚度；激光位移传感器；电涡流位移传感器 0 引言 纸张厚度测量属于薄质非金属材料的厚度测量。在湿度较大的纸张厚度测量中，接触法易划伤被测表面，且测量误差较大；非接触法中的电容、红外线及辐射等方法由于受纸张水分、密度等因素的影响，使检测值不稳定，检测精度不能满足生产质量控制要求。由于激光位移传感器和电涡流位移传感器均为非接触测量，测量精度高、稳定，并且，不受被测物体的湿度、密度等因素的影响，因此，采用激光位移传感器和电涡流位移传感器的位移差动原理，实现了湿度较大的纸张厚度的在线高精度的测量。以MCS-5l单片机为核心的二次仪表，完成数据的采集、标度变换、厚度测量运算、测量结果显示与存储、通信，打印等功能，完全满足实际生产中质量控制和管理的要求。 1 测量原理 纸坯厚度在线测量原理如图l，因为纸张为非金属，即使湿度较大的纸张，对电涡流位移传感器的测距也不会产生影响，所以，电涡流位移传感器可测量金属滚筒表面的径向跳动。无纸坯时，激光位移传感器测量值T₁为传感器距滚筒上表面的距离，同时，电涡流位移传感器距滚筒上表面的测量值为C₁；当有纸坯时，激光位移传感器测量值T₂为传感器距滚筒上纸坯的上表面距离，同时，电涡流位移传感器距滚筒上表面的测量值为C₂，则滚筒上的纸坯厚度为 T＝（T₁ －T₂）－（C₁－C₂）， （1） 式中C₁，C₂为电涡流传感器2次测量时刻，滚筒的径向跳动，式（1）计算结果的误差取决于激光位移传感器和电涡流位移传感器的精度。本测量方案中，采用两组测厚传感器是为了测量纸坯沿滚筒横向的平均值；定位传感器用于触发采集两组测厚传感器的信号。 2 单片机系统硬件 纸坯厚度在线测量系统的结构框图如图2。电涡流位移传感器和激光位移传感器输出信号经滤波、放大调理单元，通过A/D变换器，单片机系统对测量信号进行数据采集、标度变换、纸坯厚度测量运算、判断合格纸坯、显示纸坯测量厚度和超差值、存储测量数据等。 本测量系统的二次仪表中的微处理采用2片Philip公司的89C52单片机组成双CPU系统，每片单片机内自带8k字节非易失性程序存储器、256字节静态RAM、3个定时计数器、24个I/O口等。单片机l为主单片机，外围电路有几乎无限次可擦写非易失性铁电存储器用于存储测量数据及设定参数，A/D变换器采用MAXl86，其主要功能为四线串行接口、8通道、12位分辨力、转换速率133 kSPS 。DSl2B887为时钟芯片用于记录数据采集的时间；单片机2为从单片机，通过串口与主单片机进行数据交换，单片机2主要用于处理键盘输入和显示输出以减轻主单片机负担，LED显示用于纸坯的厚度值、误差值、键盘输入值等，键盘用于参数设定、LED显示切换等，此系统还可以通过通信接口与其他计算机或数字仪表通信来完成数据交换。 3 系统标定和软件设计 测量系统在现场安装前，应对各个传感器进行标定，将标定数据通过最小二乘法得到线性拟合方程，并将其写入主单片机程序中。测量系统现场安装完后，通过键盘完成传感器的零点标定，即测量无纸坯时，激光位移传感器和电涡流位移传感器距滚筒的距离T1，C1。程序采用模块式设计，程序流程图如图3所示。 4 实验结果 将激光位移传感器和电涡流位移传感器分别固定在微动测量平台上，位移与传感器的输出电压实验数据如图4和图5，图中，点为实验数据，曲线为三次数据拟合曲线。实验数据与数据拟合曲线比较得出，电涡流位移传感器的最大误差为±0.0027mm，激光位移传感器的最大误差为±0.004mm。由激光位移传感器与电涡流位移传感器的位移差动法组成在线检测纸坯厚度时的最大误差为|±0.0027mm | ＋|±0.004mm|＝0.0067mm。 5 结论 （1）可选用更高分辨力的A/D变换器提高数据转换的精度； （2）采用激光位移传感器和电涡流位移传感器差动测量方法，消除了的径向跳动对测量结果的影响，测量精度只取决于测量系统； （3）采用非接触测量，不仅不会破坏纸坯，而且，消除了接触法对测量结果的影响； （4）本测量系统在某造纸厂安装使用近一年，运行稳定、可靠，完全满足现场使用要求。