摘要：攤鋪機自動找平系統(tǒng)中高度傳感器的選取非常重要，在對瀝青混凝土攤鋪機自動找平系統(tǒng)中的幾種不同高度傳感器進行了分析與比較后，說明了其在攤鋪機作業(yè)中的性能特點，對研制攤鋪機自動找平系統(tǒng)有重要價值。
關鍵詞：瀝青混凝土攤鋪機；自動找平系統(tǒng)；角位移傳感器；超聲波傳感器；激光傳感器
1 前言
瀝青混凝土攤鋪機是用于鋪筑瀝青混凝土路面的機械，是路面機械的主要機種之一。攤鋪機中自動找平系統(tǒng)的控制精度反映到路面即是該攤鋪機的攤鋪平整度。攤鋪機自動找平控制系統(tǒng)機構如圖1所示。在通常的液壓伺服控制方案中，自動找平的過程如下：由檢測傳感器測出基層面實際高度并與標準高度進行比較，當偏差值達到一定的程度時，認為需要加以調(diào)整，這時由控制器發(fā)出指令，通過液壓泵驅(qū)動找平液壓缸使牽引大臂產(chǎn)生一定量的位移；牽引點位置改變引起熨平板相應垂直運動，從而使鋪層產(chǎn)生變化，彌補路面波動，使鋪后表面均勻一致，實現(xiàn)所要求的路面平整度。瀝青混凝土攤鋪機由于其作業(yè)環(huán)境十分惡劣，環(huán)境溫度高，溫度變化大，灰塵多，故檢測路面高度傳感器的選取非常重要[2]。目前在攤鋪機自動找平系統(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、光學傳感器。現(xiàn)就這幾種傳感器進行分析與比較，為攤鋪機自動找平系統(tǒng)的設計與開發(fā)提供參考。
圖1 攤鋪機自動找平控制系統(tǒng)簡圖
2 角位移式傳感器
角位移式高度傳感器如圖2所示。其原理是測得滑臂與基準線的夾角的大小來換算出相應的熨平板的高度。這種方法為接觸式測量。測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、碼盤式傳感器等。這類傳感器均可精確測得攤鋪機在攤鋪作業(yè)時安裝在牽引大臂上角度傳感器的相應轉(zhuǎn)角，從而可以換算出相應熨平板的高度。角位移高度傳感器的一個共性特點是線性度好，工作溫度范圍寬，工作壽命長。但在施工中由于角位移傳感器為接觸式測量高度，傳感器在基準線上滑動時容易引起其在基準線上振動，因此，此種傳感器的滑臂垂直對稱端常裝有一個平衡錘。
圖2 角位移式傳感器示意圖
3 超聲波傳感器
超聲波傳感器實質(zhì)上是一種可逆的換能器，它將電振蕩的能量變?yōu)闄C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)槌暷芏邮掌鲃t將接收超聲波的能量變?yōu)殡娔堋３暡ㄔ诖郎y高度的空氣介質(zhì)中傳播時，若測出超聲波發(fā)出或回波接收時間差及傳播速度，則可計算出待測熨平板的高度。
超聲波傳感器常采用多探頭超聲波技術。圖3所示為攤鋪機上使用的一種較先進超聲波高度傳感器，該傳感器通過多點探測可以精確地檢測到面或線的細微變化。對一個超聲波探頭其原理可用公式表示為L=1/2Vt，其中t為傳播時間；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，這可以通過校準超聲波探頭來檢測l間的超聲波傳播時間t1進行校證，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量，因而在實際攤鋪時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償和校正方式，但其測量精度不如角位移式傳感器。圖3所示超聲波傳感器在測量40 cm范圍時精度為±2 mm。
圖3 超聲波式傳感器示意簡圖
4 光學式高度傳感器
光學式高度傳感器是利用光學原理來獲取路面高度信息。高度信息的獲取技術根據(jù)光源又可分為主動測距成像和被動測距成像兩種。主動測距成像是利用特別光源所提供的結構信息來獲取高度信息。顯然對于瀝青混凝土路面這種測量對象而言，僅僅靠自然光源來完成圖像采集和灰度提取，其分辨率和測量精度是難以保證的，攤鋪機在夜間施工也不可能。主動測量成像法是從景物目標的表面提取離散化的坐標信息的一種方法，具有測量精度高、抗干擾性能好和實時性強等優(yōu)點。目前，已經(jīng)有多種技術用主動測距成像系統(tǒng)，如成像雷達法、激光三角形法、幾何光學聚集法、全息干涉測量法及FRESNEL衍射技術和光纖圖像傳感器技術等。
由于瀝青混凝土攤鋪機高度測量的特點是測量范圍小(小于50 cm)、測量精度要求高(小于2 mm)，而激光三角法傳感器具有測量速度快、抗干擾能力強、測量精度高等特點，因此激光三角法傳感器是攤鋪機中可應用的較先進的傳感器之一。
如圖4所示為激光三角法基本原理。從光源發(fā)出的光聚焦到被測物體表面上，其中被物體表面散射的光線通過接收透鏡會聚到高分辨率的光電檢測器件(位置敏感探測器PSD)上，形成一個散射光斑，其中心位置由傳感器與被測物體表面之間的距離決定，而光電檢測器件輸出的電信號與光斑的中心位置有關。因此，通過對光電檢測器件輸出的電信號進行運算處理就可獲得傳感器與被測物體表面之間的距離信息。
圖4 激光三角法原理
為了達到精確的聚焦，發(fā)射光束和光電檢測器件受光面以及接收透鏡平面必須相交于一點。在圖4中，假設發(fā)射光束和接收透鏡光軸之間夾角為θ，光電檢測器件的受光面和接收透鏡光軸之間的夾角為φ，接收透鏡在基準距離處的物距和像距分別為E和E′，不難推出被測物體的距離變化Δ和光電檢測器件上散射光斑像點的位置變化δ之間的關系為
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)中推導不帶任何先行假設或近似，因此這一關系是嚴格精確的，它對任何距離的變化都成立，基于這一關系進行運算處理，便可實現(xiàn)激光三角法測距傳感器的高分辨率測距。
激光傳感器和超聲波傳感器同樣是非接觸測量攤鋪路面的高度，精度要高于超聲波傳感器，價格也高于超聲波傳感器，在較高檔的攤鋪機產(chǎn)品中應用較多。
