羅 聲，程志遠(yuǎn)，李維嘉，單福林

（1. 西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3. 九江四元科技有限公司，江西 九江 332000）

引 言

在光纖繞制過程中，對張力的精確測量和高精度控制是保證光纖環(huán)品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。光纖張力傳感器是測量光纖內(nèi)部張力的測量元件，屬于動態(tài)張力測量范疇。纖細(xì)的光纖非常脆弱，繞制過程中的張力值僅有0.1～0.2 N。對于高性能的光纖環(huán)，要求繞制過程中的張力精度控制范圍不超過0.002 N，這就要求張力傳感器的測量精度不得低于0.001 N。同時(shí)，在繞制過程中，光纖的高頻振顫也會給張力的測量帶來干擾信號，這就給高精度、高敏感的光纖張力傳感器的研制提出了非常高的要求[1]。針對現(xiàn)有的多采用應(yīng)變式測量和位移傳感器測量的光纖張力傳感器[2]，本文提出了一種基于擺角測量的浮動式光纖張力的測量方法，利用ADAMS仿真平臺構(gòu)建了浮動式張力測量元件的動力學(xué)模型，開展了結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化匹配，確定了合適的設(shè)計(jì)參數(shù)。樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了0.001 N的檢測精度，并在光纖繞制機(jī)上得到了應(yīng)用。

1 動態(tài)張力測量方式

常用的動態(tài)張力測量方式有2種：應(yīng)變式張力測量方式和浮動式張力測量方式，如圖1所示。采用應(yīng)變片檢測張力是一種直接測量張力的方式，通常需要應(yīng)變片或壓力傳感器與導(dǎo)線輪組合，結(jié)構(gòu)類型比較多樣[3-4]。應(yīng)變片式測量結(jié)構(gòu)由2個(gè)對稱布置的定滑輪負(fù)責(zé)導(dǎo)線，光纖的張力T與應(yīng)變片測得的壓力N和測力輪、導(dǎo)向輪之間的夾角θ存在著N= 2Tcosθ的關(guān)系式，可以認(rèn)為θ在工作過程中保持不變，測出壓力就可以得到張力。這種測量方式的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)靈敏，測量精度高，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是缺少儲能原件，無法吸收張力突變時(shí)的張力峰值，當(dāng)有外部擾動時(shí)，張力值變化過大，容易引起控制系統(tǒng)的震蕩，不利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖1 典型張力測量方式

浮動式張力測量是一種間接張力測量方式，張力大小由測量機(jī)構(gòu)的位移或角度反映出來，通過位移或角度傳感器間接得到[5]。當(dāng)張力T穩(wěn)定時(shí)，舞蹈輪的彈簧力F與張力保持在某個(gè)穩(wěn)定的平衡位置。當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，通過位移傳感器可以得到舞蹈輪的位移變化值Δx，并得出張力的對應(yīng)值。該測量方法包含儲能設(shè)備，可以吸收大干擾引起的張力波動，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在需要對彈簧的參數(shù)和3個(gè)輪子的相對位置進(jìn)行優(yōu)化匹配，以滿足高精度的動態(tài)測量要求。另外，為了實(shí)現(xiàn)微小量的測量，現(xiàn)有的方法是采用高精度、高敏感、低慣量的位移傳感器，價(jià)格較為昂貴。

針對浮動式張力測量傳感器在使用位移傳感器實(shí)現(xiàn)張力測量時(shí)存在的不足，本文采用角度傳感器，在同樣的張力情況下，傳感器的擺動角度更大，而且采用滾動軸承可進(jìn)一步減小測量機(jī)構(gòu)的靜摩擦和動摩擦，從而提高測量的靈敏度。

2 仿真分析及參數(shù)優(yōu)化匹配

2.1 張力傳感器的建模

基于角度傳感器的光纖張力測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由放線輪引出的光纖依次經(jīng)過定滑輪、舞蹈輪、定滑輪，然后繞制到光纖環(huán)上。舞蹈輪基座通過連桿與角度傳感器相連的同時(shí)還與一端固定的彈簧相連。在穩(wěn)定狀態(tài)下，舞蹈輪在光纖張力T，連桿支撐力N和彈簧彈力F的共同作用下保持平衡，其受力分析如圖2所示。

圖2 張力傳感器結(jié)構(gòu)（改進(jìn)后）

角度傳感器可以測出連桿相對于參考位置的角度θ。當(dāng)光纖張力發(fā)生變化時(shí)，舞蹈輪與連桿發(fā)生擺動，角度傳感器可以測出擺動的角度大小，通過測量角度就可以得到張力的大小。

在ADAMS中建立的光纖張力測量系統(tǒng)的動力學(xué)模型如圖3所示。3個(gè)滑輪、連桿、舞蹈輪之間的相對位置固定，通過調(diào)整密度來調(diào)整各個(gè)元件的質(zhì)量。用繩索模型模擬光纖，出于仿真的需要，光纖模型一端固定，另一端與沿x軸方向的力相連。

2.2 張力測量傳感器的指標(biāo)要求

在光纖環(huán)的繞制過程中，光纖在光纖環(huán)上每纏繞一周，其線速度可以分為2個(gè)階段：保持速度大小不變的勻速階段和先加速后減速的變速階段。由胡克定律可知，光纖線速度的變化會引起張力值的變化，變速階段的存在相當(dāng)于對光纖張力產(chǎn)生周期性的擾動，擾動的頻率與收線輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，每轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個(gè)擾動。

光纖環(huán)繞制設(shè)備的最大工作速度是60 r/min，因此光纖張力周期性變化的最大頻率是1 Hz。此外，在繞制過程中張力的控制精度應(yīng)滿足±0.001 N的要求。

根據(jù)以上情況，對張力傳感器的設(shè)計(jì)提出以下要求：

1）系統(tǒng)頻寬為1.5 Hz；

2）測量范圍為0.10～0.25 N；

3）測量精度為0.001 N；

4）靈敏度為0.000 5 N。

2.3 張力測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化匹配

彈簧是張力傳感器中影響響應(yīng)輸出的重要元器件，因此，選擇一組合適的彈簧參數(shù)是仿真的重要環(huán)節(jié)?？梢酝ㄟ^試錯(cuò)的方法，選一個(gè)合適的區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)選取不同的參數(shù)進(jìn)行仿真測試，最終確定合適的彈簧參數(shù)。

根據(jù)建立的仿真模型（圖3），只改變彈簧的質(zhì)量、剛度和阻尼，用同樣的外力作為輸入，觀測連桿擺動角度的變化，得到由擾動引起的張力傳感器的輸出值。為了模擬張力波動的頻率，仿真時(shí)外力成分包含階躍信號和一個(gè)頻率為1.5 Hz的正弦擾動。正弦信號δ=0.004 9 sin(3πt)，其中，0.004 9為0.5 g質(zhì)量的重力，N；t為響應(yīng)時(shí)間，s。經(jīng)過仿真，得到4組不同參數(shù)下由擾動引起的輸出值，見表1。

表1 不同參數(shù)仿真效果對比

角度傳感器的最小分辨率為0.015°，考慮到環(huán)境的影響，張力傳感器的輸出值應(yīng)具有一定的冗余。

第1組由擾動引起的輸出值為0.01°，角度傳感器無法測出；第2組的輸出值雖然大于0.015°，但比較接近0.015°，容易受到環(huán)境溫度、濕度等的影響，冗余不夠，也不合適；第4組的輸出值過大，當(dāng)張力變化大時(shí)，張力傳感器容易震蕩，甚至發(fā)散，穩(wěn)定性差；第3組的參數(shù)比較合適，既能保證測出因擾動引起的張力變化，也不會發(fā)生振蕩。因此，第3組參數(shù)是仿真得到的最理想的彈簧參數(shù)。在彈簧預(yù)緊力為-0.007 N、連桿長30 mm、連桿鉸鏈靜摩擦系數(shù)為0.14、連桿鉸鏈動摩擦系數(shù)為0.093這組參數(shù)下，張力傳感器可以測出頻率為1.5 Hz、幅值為0.004 9 N的擾動信號，其時(shí)間響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 張力傳感器模型在1.5 Hz擾動信號下的響應(yīng)曲線

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真獲得的優(yōu)化匹配參數(shù)，開展了樣機(jī)的研發(fā)工作，選配合適的器件制造出了如圖5所示的張力傳感器。

圖5 張力傳感器實(shí)物

3.1 張力傳感器的標(biāo)定

角度傳感器的型號為MCJSV010A-30-38AH，該傳感器的測量精度高，可以滿足張力傳感器的測力需求，其關(guān)鍵參數(shù)為量程0°～30°，電源DC 24 V，輸出電壓0～10 V，精度0.05%。

為了得到張力與傳感器輸出值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，需要進(jìn)行張力傳感器的標(biāo)定，采用吊掛質(zhì)量的方法進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，繪制出質(zhì)量與張力傳感器輸出電壓之間的曲線，如圖6所示。

表2 張力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)表

圖6 張力傳感器輸入輸出擬合曲線

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)擬合出二者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

式中：u為輸出電壓，V；m為質(zhì)量，g。

張力傳感器的測量精度約為0.000 8 N，滿足測量要求。

3.2 階躍響應(yīng)試驗(yàn)

在光纖的一端加入15 g的階躍力，用示波器測出的階躍響應(yīng)曲線如圖7的實(shí)線所示，虛線則是由仿真模型得到的響應(yīng)曲線。

從圖7可以看出，試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)基本一致。說明在ADAMS中建立的模型準(zhǔn)確，與實(shí)物契合度高，在仿真中優(yōu)化匹配的彈簧參數(shù)較為合理，可以用來指導(dǎo)高精度張力傳感器的研制工作。

圖7 張力傳感器仿真與試驗(yàn)對比圖

4 結(jié)束語

本文針對高精度光纖張力測控系統(tǒng)中張力傳感器的研發(fā)工作需要，利用ADAMS仿真開展了張力傳感器的彈簧質(zhì)量、剛度、阻尼等關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化匹配，研制出了張力傳感器樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行了測試。

實(shí)物的測試數(shù)據(jù)表明，張力傳感器的測量精度高達(dá)0.000 8 N，系統(tǒng)頻寬大于1.5 Hz，滿足高精度光纖張力測控系統(tǒng)的測量要求。在ADAMS中建立的張力傳感器模型準(zhǔn)確度高，仿真設(shè)計(jì)的方法效率高，可以在光纖張力測量領(lǐng)域發(fā)揮作用。