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沥青/混凝土机械 |
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摊铺机自动找平系统高度传感器的分析与比较 |
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作者：清华大学 张光海 何克忠 |
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摘要：摊铺机自动找平系统中高度传感器的选取非常重要，在对沥青混凝土摊铺机自动找平系统中的几种不同高度传感器进行了分析与比较后，说明了其在摊铺机作业中的性能特点，对研制摊铺机自动找平系统有重要价值。
关键词：沥青混凝土摊铺机；自动找平系统；角位移传感器；超声波传感器；激光传感器
1 前言
沥青混凝土摊铺机是用于铺筑沥青混凝土路面的机械，是路面机械的主要机种之一。摊铺机中自动找平系统的控制精度反映到路面即是该摊铺机的摊铺平整度。摊铺机自动找平控制系统机构如图1所示。在通常的液压伺服控制方案中，自动找平的过程如下：由检测传感器测出基层面实际高度并与标准高度进行比较，当偏差值达到一定的程度时，认为需要加以调整，这时由控制器发出指令，通过液压泵驱动找平液压缸使牵引大臂产生一定量的位移；牵引点位置改变引起熨平板相应垂直运动，从而使铺层产生变化，弥补路面波动，使铺后表面均匀一致，实现所要求的路面平整度。沥青混凝土摊铺机由于其作业环境十分恶劣，环境温度高，温度变化大，灰尘多，故检测路面高度传感器的选取非常重要[2]。目前在摊铺机自动找平系统中常采用的有以下几种传感器：角位移式传感器、超声波传感器、光学传感器。现就这几种传感器进行分析与比较，为摊铺机自动找平系统的设计与开发提供参考。
图1 摊铺机自动找平控制系统简图
2 角位移式传感器
角位移式高度传感器如图2所示。其原理是测得滑臂与基准线的夹角的大小来换算出相应的熨平板的高度。这种方法为接触式测量。测量角位移的传感器有多种，即电位器式传感器、光栅式角度传感器、磁栅式角度传感器、码盘式传感器等。这类传感器均可精确测得摊铺机在摊铺作业时安装在牵引大臂上角度传感器的相应转角，从而可以换算出相应熨平板的高度。角位移高度传感器的一个共性特点是线性度好，工作温度范围宽，工作寿命长。但在施工中由于角位移传感器为接触式测量高度，传感器在基准线上滑动时容易引起其在基准线上振动，因此，此种传感器的滑臂垂直对称端常装有一个平衡锤。
图2 角位移式传感器示意图
3 超声波传感器
超声波传感器实质上是一种可逆的换能器，它将电振荡的能量变为机械振荡，形成超声波，或者由超声波能量变成电振荡。超声波传感器可分为发送器和接收器，发送器将电能变为超声能而接收器则将接收超声波的能量变为电能。超声波在待测高度的空气介质中传播时，若测出超声波发出或回波接收时间差及传播速度，则可计算出待测熨平板的高度。
超声波传感器常采用多探头超声波技术。图3所示为摊铺机上使用的一种较先进超声波高度传感器，该传感器通过多点探测可以精确地检测到面或线的细微变化。对一个超声波探头其原理可用公式表示为L=1/2Vt，其中t为传播时间；V为已知超声波在介质中的传播速度。由于超声波传播速度也受温度、空气介质等环境因素的影响，这可以通过校准超声波探头来检测l间的超声波传播时间t1进行校证，即由l=1/2Vt1可得V=2l/t1，于是有L=t/t1l。超声波传感器由于为非接触式测量，因而在实际摊铺时比角位移式传感器使用更为方便。尽管超声波传感器加了不同的补偿和校正方式，但其测量精度不如角位移式传感器。图3所示超声波传感器在测量40 cm范围时精度为±2 mm。
图3 超声波式传感器示意简图
4 光学式高度传感器
光学式高度传感器是利用光学原理来获取路面高度信息。高度信息的获取技术根据光源又可分为主动测距成像和被动测距成像两种。主动测距成像是利用特别光源所提供的结构信息来获取高度信息。显然对于沥青混凝土路面这种测量对象而言，仅仅靠自然光源来完成图像采集和灰度提取，其分辨率和测量精度是难以保证的，摊铺机在夜间施工也不可能。主动测量成像法是从景物目标的表面提取离散化的坐标信息的一种方法，具有测量精度高、抗干扰性能好和实时性强等优点。目前，已经有多种技术用主动测距成像系统，如成像雷达法、激光三角形法、几何光学聚集法、全息干涉测量法及FRESNEL衍射技术和光纤图像传感器技术等。
由于沥青混凝土摊铺机高度测量的特点是测量范围小(小于50 cm)、测量精度要求高(小于2 mm)，而激光三角法传感器具有测量速度快、抗干扰能力强、测量精度高等特点，因此激光三角法传感器是摊铺机中可应用的较先进的传感器之一。
如图4所示为激光三角法基本原理。从光源发出的光聚焦到被测物体表面上，其中被物体表面散射的光线通过接收透镜会聚到高分辨率的光电检测器件(位置敏感探测器PSD)上，形成一个散射光斑，其中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决定，而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关。因此，通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处理就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。
图4 激光三角法原理
为了达到精确的聚焦，发射光束和光电检测器件受光面以及接收透镜平面必须相交于一点。在图4中，假设发射光束和接收透镜光轴之间夹角为θ，光电检测器件的受光面和接收透镜光轴之间的夹角为φ，接收透镜在基准距离处的物距和像距分别为E和E′，不难推出被测物体的距离变化Δ和光电检测器件上散射光斑像点的位置变化δ之间的关系为
Δ=Esinφδ/[E′sinθ－δsin(θ+φ)]＝（D1δ）／（D2－δ） (1)
式中：D1＝Esinφ／sin(θ+φ)，D2＝Esinθ／sin(θ+φ)。
式(1)中推导不带任何先行假设或近似，因此这一关系是严格精确的，它对任何距离的变化都成立，基于这一关系进行运算处理，便可实现激光三角法测距传感器的高分辨率测距。
激光传感器和超声波传感器同样是非接触测量摊铺路面的高度，精度要高于超声波传感器，价格也高于超声波传感器，在较高档的摊铺机产品中应用较多。
(end)
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(6/6/2004) |
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