基于ADAMS的高精度光纖張力傳感器仿真設(shè)計*

羅 聲，程志遠，李維嘉，單福林

（1. 西安工程大學(xué)機電工程學(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，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)計參數(shù)。樣機的試驗結(jié)果達到了0.001 N的檢測精度，并在光纖繞制機上得到了應(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個對稱布置的定滑輪負責(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)點是響應(yīng)靈敏，測量精度高，價格便宜。缺點是缺少儲能原件，無法吸收張力突變時的張力峰值，當(dāng)有外部擾動時，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，舞蹈輪的彈簧力F與張力保持在某個穩(wěn)定的平衡位置。當(dāng)張力發(fā)生變化時，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。其缺點是設(shè)計較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在需要對彈簧的參數(shù)和3個輪子的相對位置進行優(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現(xiàn)張力測量時存在的不足，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一步減小測量機構(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，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^試錯的方法，選一個合適的區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)選取不同的參數(shù)進行仿真測試，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，仿真時外力成分包含階躍信號和一個頻率為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，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 試驗驗證

根據(jù)仿真獲得的優(yōu)化匹配參數(shù)，開展了樣機的研發(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，需要進行張力傳感器的標(biāo)定，采用吊掛質(zhì)量的方法進行標(biāo)定試驗。

記錄的試驗數(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

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，并對樣機進行了測試。

實物的測試數(shù)據(jù)表明，張力傳感器的測量精度高達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)計的方法效率高，可以在光纖張力測量領(lǐng)域發(fā)揮作用。