摘要：攤鋪機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)中高度傳感器的選取非常重要，在對(duì)瀝青混凝土攤鋪機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)中的幾種不同高度傳感器進(jìn)行了分析與比較后，說(shuō)明了其在攤鋪機(jī)作業(yè)中的性能特點(diǎn)，對(duì)研制攤鋪機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)有重要價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：瀝青混凝土攤鋪機(jī)；自動(dòng)找平系統(tǒng)；角位移傳感器；超聲波傳感器；激光傳感器

　　1　前言

　　瀝青混凝土攤鋪機(jī)是用于鋪筑瀝青混凝土路面的機(jī)械，是路面機(jī)械的主要機(jī)種之一。攤鋪機(jī)中自動(dòng)找平系統(tǒng)的控制精度反映到路面即是該攤鋪機(jī)的攤鋪平整度。攤鋪機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。在通常的液壓伺服控制方案中，自動(dòng)找平的過(guò)程如下：由檢測(cè)傳感器測(cè)出基層面實(shí)際高度并與標(biāo)準(zhǔn)高度進(jìn)行比較，當(dāng)偏差值達(dá)到一定的程度時(shí)，認(rèn)為需要加以調(diào)整，這時(shí)由控制器發(fā)出指令，通過(guò)液壓泵驅(qū)動(dòng)找平液壓缸使?fàn)恳�大臂產(chǎn)生一定量的位移；牽引點(diǎn)位置改變引起熨平板相應(yīng)垂直運(yùn)動(dòng)，從而使鋪層產(chǎn)生變化，彌補(bǔ)路面波動(dòng)，使鋪后表面均勻一致，實(shí)現(xiàn)所要求的路面平整度。瀝青混凝土攤鋪機(jī)由于其作業(yè)環(huán)境十分惡劣，環(huán)境溫度高，溫度變化大，灰塵多，故檢測(cè)路面高度傳感器的選取非常重要[2]。目前在攤鋪機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)中常采用的有以下幾種傳感器：角位移式傳感器、超聲波傳感器、光學(xué)傳感器�，F(xiàn)就這幾種傳感器進(jìn)行分析與比較，為攤鋪機(jī)自動(dòng)找平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供參考。

圖1　攤鋪機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　2　角位移式傳感器

　　角位移式高度傳感器如圖2所示。其原理是測(cè)得滑臂與基準(zhǔn)線的夾角的大小來(lái)?yè)Q算出相應(yīng)的熨平板的高度。這種方法為接觸式測(cè)量。測(cè)量角位移的傳感器有多種，即電位器式傳感器、光柵式角度傳感器、磁柵式角度傳感器、碼盤(pán)式傳感器等。這類傳感器均可精確測(cè)得攤鋪機(jī)在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)安裝在牽引大臂上角度傳感器的相應(yīng)轉(zhuǎn)角，從而可以換算出相應(yīng)熨平板的高度。角位移高度傳感器的一個(gè)共性特點(diǎn)是線性度好，工作溫度范圍寬，工作壽命長(zhǎng)。但在施工中由于角位移傳感器為接觸式測(cè)量高度，傳感器在基準(zhǔn)線上滑動(dòng)時(shí)容易引起其在基準(zhǔn)線上振動(dòng)，因此，此種傳感器的滑臂垂直對(duì)稱端常裝有一個(gè)平衡錘。

圖2　角位移式傳感器示意圖

　　3　超聲波傳感器

　　超聲波傳感器實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器，它將電振蕩的能量變?yōu)闄C(jī)械振蕩，形成超聲波，或者由超聲波能量變成電振蕩。超聲波傳感器可分為發(fā)送器和接收器，發(fā)送器將電能變?yōu)槌�聲能而接收器則將接收超聲波的能量變?yōu)殡娔�。超聲波在待測(cè)高度的空氣介質(zhì)中傳播時(shí)，若測(cè)出超聲波發(fā)出或回波接收時(shí)間差及傳播速度，則可計(jì)算出待測(cè)熨平板的高度。

　　超聲波傳感器常采用多探頭超聲波技術(shù)。圖3所示為攤鋪機(jī)上使用的一種較先進(jìn)超聲波高度傳感器，該傳感器通過(guò)多點(diǎn)探測(cè)可以精確地檢測(cè)到面或線的細(xì)微變化。對(duì)一個(gè)超聲波探頭其原理可用公式表示為L(zhǎng)=1/2Vt，其中t為傳播時(shí)間；V為已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。由于超聲波傳播速度也受溫度、空氣介質(zhì)等環(huán)境因素的影響，這可以通過(guò)校準(zhǔn)超聲波探頭來(lái)檢測(cè)l間的超聲波傳播時(shí)間t1進(jìn)行校證，即由l=1/2Vt1可得V=2l/t1，于是有L=t/t1l。超聲波傳感器由于為非接觸式測(cè)量，因而在實(shí)際攤鋪時(shí)比角位移式傳感器使用更為方便。盡管超聲波傳感器加了不同的補(bǔ)償和校正方式，但其測(cè)量精度不如角位移式傳感器。圖3所示超聲波傳感器在測(cè)量40 cm范圍時(shí)精度為±2 mm。

圖3　超聲波式傳感器示意簡(jiǎn)圖

　　4　光學(xué)式高度傳感器

　　光學(xué)式高度傳感器是利用光學(xué)原理來(lái)獲取路面高度信息。高度信息的獲取技術(shù)根據(jù)光源又可分為主動(dòng)測(cè)距成像和被動(dòng)測(cè)距成像兩種。主動(dòng)測(cè)距成像是利用特別光源所提供的結(jié)構(gòu)信息來(lái)獲取高度信息。顯然對(duì)于瀝青混凝土路面這種測(cè)量對(duì)象而言，僅僅靠自然光源來(lái)完成圖像采集和灰度提取，其分辨率和測(cè)量精度是難以保證的，攤鋪機(jī)在夜間施工也不可能。主動(dòng)測(cè)量成像法是從景物目標(biāo)的表面提取離散化的坐標(biāo)信息的一種方法，具有測(cè)量精度高、抗干擾性能好和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，已經(jīng)有多種技術(shù)用主動(dòng)測(cè)距成像系統(tǒng)，如成像雷達(dá)法、激光三角形法、幾何光學(xué)聚集法、全息干涉測(cè)量法及FRESNEL衍射技術(shù)和光纖圖像傳感器技術(shù)等。

　　由于瀝青混凝土攤鋪機(jī)高度測(cè)量的特點(diǎn)是測(cè)量范圍小(小于50 cm)、測(cè)量精度要求高(小于2 mm)，而激光三角法傳感器具有測(cè)量速度快、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，因此激光三角法傳感器是攤鋪機(jī)中可應(yīng)用的較先進(jìn)的傳感器之一。

　　如圖4所示為激光三角法基本原理。從光源發(fā)出的光聚焦到被測(cè)物體表面上，其中被物體表面散射的光線通過(guò)接收透鏡會(huì)聚到高分辨率的光電檢測(cè)器件(位置敏感探測(cè)器PSD)上，形成一個(gè)散射光斑，其中心位置由傳感器與被測(cè)物體表面之間的距離決定，而光電檢測(cè)器件輸出的電信號(hào)與光斑的中心位置有關(guān)。因此，通過(guò)對(duì)光電檢測(cè)器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理就可獲得傳感器與被測(cè)物體表面之間的距離信息。

圖4　激光三角法原理

　　為了達(dá)到精確的聚焦，發(fā)射光束和光電檢測(cè)器件受光面以及接收透鏡平面必須相交于一點(diǎn)。在圖4中，假設(shè)發(fā)射光束和接收透鏡光軸之間夾角為θ，光電檢測(cè)器件的受光面和接收透鏡光軸之間的夾角為φ，接收透鏡在基準(zhǔn)距離處的物距和像距分別為E和E′，不難推出被測(cè)物體的距離變化Δ和光電檢測(cè)器件上散射光斑像點(diǎn)的位置變化δ之間的關(guān)系為

　　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)中推導(dǎo)不帶任何先行假設(shè)或近似，因此這一關(guān)系是嚴(yán)格精確的，它對(duì)任何距離的變化都成立，基于這一關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算處理，便可實(shí)現(xiàn)激光三角法測(cè)距傳感器的高分辨率測(cè)距。

　　激光傳感器和超聲波傳感器同樣是非接觸測(cè)量攤鋪路面的高度，精度要高于超聲波傳感器，價(jià)格也高于超聲波傳感器，在較高檔的攤鋪機(jī)產(chǎn)品中應(yīng)用較多。

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