3、张力定义与测量：张力单位、张力传感器类型、测量原理与校准
张力控制是放卷过程稳定性的核心，而张力测量则是张力控制的前提。如果测量不准，再先进的控制算法也无从谈起。本章将系统讲解张力的物理定义与工程单位、主流张力传感器的结构类型与选型逻辑、测量原理（特别是应变片式与浮辊式），以及传感器校准的完整流程与实操要点。理解这些内容，是后续分析张力波动根源、制定稳定方案的基础。
3.1 张力的物理定义与工程单位体系
核心原理：张力（Tension）在物理上是指材料内部相邻质点间因拉伸变形而产生的相互作用力，方向沿材料轴线。在放卷工程中，张力表现为卷材（薄膜、纸张、金属箔、纤维等）在运行方向上受到的拉伸力。张力的大小直接决定了卷材的平整度、厚度均匀性以及收卷的紧实度。
工程中常用的张力单位有以下几类，需要根据设备规格和工艺习惯正确选用：
| 单位类型 | 符号 | 换算关系 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 牛顿 | N | 1 N = 0.102 kgf | 国际标准，多数PLC/控制器默认单位 |
| 千克力 | kgf | 1 kgf = 9.81 N | 国内设备常用，直观对应砝码质量 |
| 磅力 | lbf | 1 lbf = 4.448 N | 欧美进口设备、英制规格 |
| 线性张力 | N/mm 或 N/m | 总张力 ÷ 材料宽度 | 薄膜/纸张行业，衡量单位宽度受力 |
判断方法：在设备调试和工艺参数设定时，务必确认PLC程序中张力显示的单位与传感器标定单位一致。例如，某设备传感器量程为 0-500 N，但HMI显示为 0-50 kgf，若未正确换算，会导致设定值偏差近 10 倍，直接引发张力波动或断带事故。
3.2 张力传感器类型与选型逻辑
核心原理：张力传感器是将机械张力转换为可测量电信号的元件。根据安装方式和测量原理，主要分为以下三类：
- 应变片式张力传感器（测力传感器）：安装在导辊轴承座下方或轴端，通过检测辊轴承受的径向力来间接测量材料张力。精度高（±0.1%~0.5% FS），响应快，是当前放卷张力测量的主流方案。
- 浮辊式张力传感器（浮动辊/跳舞辊）：利用弹簧或气缸支撑的浮动辊，材料绕过辊面时，张力变化引起辊位置偏移，通过位移传感器（电位器、LVDT）或角度传感器反馈位置信号。结构简单、抗冲击，但响应速度较慢，精度较低（±1%~2% FS）。
- 称重式张力传感器：将导辊整体支撑在称重传感器上，测量辊及材料的重力与张力合力。适用于大张力、低速重载场合，但体积较大，安装空间要求高。
选型判断流程：
- 确定张力范围：最大张力不超过传感器量程的 80%，最小张力不低于量程的 5%（保证信噪比）。
- 确定安装空间：轴座式适合空间紧凑的场合；通轴式适合辊轴两端均可安装的场合。
- 确定环境条件：高温、高湿、腐蚀性环境需选择密封等级 IP65 以上的传感器。
- 确定信号类型：模拟量（0-10V / 4-20mA）适合传统PLC；数字量（RS485/Profinet）适合现代高速控制系统。
3.3 测量原理：从应变片到数字信号
核心原理：应变片式张力传感器基于金属电阻应变效应。当弹性体（通常为合金钢或铝合金）受到外力产生微小形变时，粘贴在其表面的应变片电阻值发生变化。通过惠斯通电桥将电阻变化转换为电压信号，再经仪表放大器放大为标准的模拟量信号。
典型的信号链路如下：
弹性体形变 → 应变片电阻变化(ΔR/R) → 惠斯通电桥(差分电压) → 仪表放大器(增益) → 低通滤波 → ADC采样 → PLC/控制器电桥输出电压与应变的关系为：
V_out = (V_exc / 4) × (ΔR/R) × GF × ε其中 V_exc 为激励电压（通常 5V 或 10V），GF 为应变片灵敏系数（约 2.0），ε 为弹性体表面应变。满量程时，典型输出灵敏度为 2 mV/V，即 10V 激励下满量程输出 20 mV，需经放大器放大至 0-10V 或 4-20mA。
浮辊式测量原理：浮辊位置由张力与气缸/弹簧力的平衡决定。当张力增大时，浮辊被推向一侧，位移传感器输出位置信号。控制器根据位置偏差调节放卷轴扭矩，使浮辊回到中间位置。这种测量方式本质上是“力-位置”转换，存在滞后和死区，但能吸收瞬时冲击。
3.4 传感器校准：流程、方法与周期
操作流程：校准的目的是建立传感器输出信号与实际张力之间的精确对应关系。标准校准流程如下：
| 步骤 | 操作内容 | 工具/标准 | 验收标准 |
|---|---|---|---|
| 1. 零点校准 | 空载状态下，将传感器输出调至零点（4mA 或 0V） | 万用表/校准仪 | 零点偏差 < 0.1% FS |
| 2. 量程标定 | 在辊面施加标准力（砝码或测力计），调整增益至满量程输出 | 标准砝码（精度 ±0.05%） | 满量程偏差 < 0.2% FS |
| 3. 线性验证 | 分别施加 25%、50%、75% 量程力，记录输出值 | 多点校准记录表 | 非线性误差 < 0.3% FS |
| 4. 温漂补偿 | 记录环境温度变化下的零点漂移，设置软件补偿系数 | 温度计、校准软件 | 温漂 < 0.05% FS/℃ |
| 5. 复校周期 | 每 3-6 个月或设备大修后重新校准 | 校准记录档案 | 与上次校准偏差 < 0.5% FS |
案例拆解：某涂布机放卷段张力传感器校准过程
- 背景与约束：设备为 5 辊涂布机，放卷张力设定 80 N，材料为 PET 薄膜，宽 500mm。传感器为 0-200 N 应变片式，输出 4-20mA。现场无标准测力计，仅有 10kg 和 20kg 标准砝码。
- 初始现象：设备运行中张力显示波动 ±5 N，但实际卷材出现明显褶皱，怀疑传感器测量不准。
- 分析判断：检查发现传感器安装后未做正式校准，零点偏移约 2 N，且增益设置错误，导致 80 N 实际张力显示为 72 N。
- 实际操作：① 拆除导辊，将传感器置于自由状态，调整零点电位器至 4.00mA；② 使用专用工装将 10kg 砝码（98.1N）悬挂于辊面中心，调整增益至 12.00mA（对应 100 N 量程的 50%）；③ 再挂 20kg 砝码（196.2N），验证输出应为 20.00mA，实测 19.96mA，偏差 0.2% FS，符合要求；④ 记录校准数据，更新PLC中张力换算系数。
- 结果对比：校准后张力显示稳定在 80 N ±0.5 N，褶皱问题消除，产品合格率从 92% 提升至 98.5%。
- 复盘经验：新设备或移机后必须进行完整校准；砝码悬挂位置应模拟实际材料包角，否则会产生杠杆误差。