張力傳感器成為金屬加工行業精密制造的控制要素

來源：發布時間：2025-04-25

一、張力控制：金屬加工的質量與效率基石

在金屬加工的全流程中，從鋼材冷軋到鋁型材拉伸，從鋼絲繩捻制到精密箔材軋制，張力控制是決定產品性能的**變量。張力波動超過 ±3% 會導致金屬板材出現浪形、邊裂，或使線材產生直徑偏差、內部應力集中，嚴重時造成斷帶、斷線事故。傳統機械張力控制依賴配重砝碼或摩擦制動器，張力穩定性*能達到 ±8%，而現代智能產線通過張力傳感器構建的閉環系統，可將張力波動精細控制在 ±0.5% 以內，使不銹鋼薄板的成材率從 75% 提升至 92%。

張力傳感器的**價值體現在三個關鍵環節：

軋制工序：實時監測軋機出口帶材張力，避免因張力不均導致的板形缺陷（如中浪、邊浪），將板形公差從 ±20I 單位縮小至 ±5I 單位；

拉絲工序：動態調節線材拉伸張力，防止因張力突變引發的斷線事故，使高速拉絲機的斷絲頻率從 3 次 / 小時降至 0.5 次 / 小時；

熱處理工序：控制退火爐內帶材張力，避免高溫下因張力不足導致的褶皺或張力過大造成的延伸率超標，將熱處理后的尺寸精度提升 40%。

二、張力傳感器與壓力傳感器的技術分野

在金屬加工設備中，張力傳感器與壓力傳感器雖同屬力學測量范疇，但技術原理和應用場景存在***差異：

（一）測量原理與對象

張力傳感器：專注于線性拉伸力的直接測量，通過彈性體形變感應張力變化。例如，應變片式傳感器在張力作用下，彈性體產生微米級形變，粘貼于表面的應變片因拉伸或壓縮導致電阻值變化，經惠斯通電橋轉換為電壓信號，精度可達 ±0.05% FS，適用于 10N 至 1000kN 的寬張力范圍。

壓力傳感器：主要測量氣體、液體或固體表面的壓強，基于壓阻效應或壓電效應，將壓力信號轉換為電信號。在金屬加工中，壓力傳感器常用于監測液壓系統壓力（如軋機壓下油缸壓力），精度 ±0.2% FS，確保軋制力的穩定輸出。

（二）應用場景協同

張力傳感器是金屬材料線性運動的 “拉力標尺”，直接決定材料的幾何尺寸與內部應力；壓力傳感器是流體動力系統的 “壓力閥門”，保障液壓、氣動系統的穩定運行。二者在冷軋機組中形成高效協同：張力傳感器監測帶材張力以調整前后輥速比，壓力傳感器檢測液壓壓下系統壓力以控制軋制厚度，共同實現 “板形 - 厚度” 的雙重精細控制。

三、張力傳感器的技術類型與金屬加工適配

1. 應變片式張力傳感器

基于電阻應變原理，采用合金鋼或鋁合金彈性體，表面粘貼高精度應變片，通過全橋電路實現張力信號的轉換。其優勢在于成本適中、量程覆蓋廣（10N-500kN）、響應速度快（0.1ms 級），適用于中低速金屬加工設備，如拉絲機、矯直機。在銅桿連鑄連軋生產線中，該傳感器實時監測軋后銅桿張力，通過 PLC 系統動態調整軋輥轉速，使銅桿直徑偏差從 ±0.1mm 降至 ±0.03mm，滿足精密電纜導體的生產要求。

2. 磁致伸縮式張力傳感器

利用鐵基合金的磁致伸縮效應，當張力作用于傳感器時，內部磁路發生變化，通過感應線圈輸出與張力成正比的電壓信號。其**優勢是抗振動、耐粉塵、耐高溫（150℃環境穩定工作），適用于高污染、高振動的熱軋環境。在 H 型鋼生產線中，磁致伸縮式傳感器監測矯直機的矯直張力，配合液壓系統將 H 型鋼的直線度從 3mm/m 提升至 1mm/m，顯著提高建筑用鋼的結構穩定性。

3. 光纖式張力傳感器

基于光纖布拉格光柵（FBG）技術，張力作用導致光纖光柵發生軸向應變，引起反射光波長漂移，通過解調儀實現張力測量。該技術具備抗電磁干擾、本質安全（無電火花）、體積?。ㄖ睆? 0.5mm）的優勢，特別適合精密箔材軋制和高速線材軋制。在鋰離子電池用鋁箔軋制中，分布式光纖傳感器陣列以 200Hz 的采樣頻率監測箔材張力，通過邊緣計算實時調整軋機輥縫，將鋁箔厚度公差從 ±2% 控制在 ±0.5%，滿足動力電池對箔材一致性的嚴苛要求。

四、典型金屬加工場景深度解析

1. 冷軋薄板的板形與張力協同控制

在六輥冷軋機的出口段，張力傳感器安裝于轉向輥軸承座，實時采集帶材張力數據。當檢測到邊部張力高于中部 10% 時，系統自動調整工作輥彎輥力，通過 50ms 級的閉環控制消除邊浪缺陷。某汽車用高強鋼冷軋產線應用該技術后，板形合格率從 85% 提升至 97%，同時將軋制速度從 200m/min 提升至 350m/min，生產效率提高 40%。

2. 高速拉絲的斷線預防與張力優化

在 φ0.1mm 以下的超細鋼絲拉絲機中，張力傳感器以 1000Hz 的頻率監測模具出口處的線材張力。當張力波動超過 ±2% 時，系統立即觸發變頻器調整收線輪轉速，將斷線率從 5 次 / 小時降至 0.3 次 / 小時。結合機器學習算法，傳感器數據可預測模具磨損程度（準確率 92%），提前預警換模時間，使拉絲模具壽命延長 25%。

3. 熱處理爐內的張力退火工藝優化

在硅鋼片連續退火爐中，張力傳感器與爐內溫度、氣氛傳感器協同工作。傳感器實時監測退火段帶材張力，當溫度升至 800℃時，系統自動將張力從 20N/mm2 調整至 15N/mm2，避免高溫下因張力過大導致的晶?；?。該技術使取向硅鋼的磁感強度（B8）從 1.78T 提升至 1.85T，鐵損（P17/50）從 1.3W/kg 降至 1.1W/kg，***提升變壓器用硅鋼的電磁性能。

五、技術挑戰與創新方向

1. 工況適應性突破

針對金屬加工中的高溫（如熱軋 1200℃）、強磁場（如電磁攪拌設備）、高沖擊振動（如鍛壓設備）環境，未來研發聚焦于：

高溫材料：采用碳化硅（SiC）基傳感器芯片，將耐溫能力提升至 300℃以上，適配熱軋精整工序；

抗磁屏蔽結構：設計雙層磁屏蔽外殼，將強磁場環境下的測量誤差從 ±1% 降至 ±0.1%，滿足電磁冶金設備的張力監測需求。

2. 智能化與工業互聯網融合

隨著金屬加工向數字化轉型，張力傳感器正從 “單點測量” 升級為 “系統級控制”：

數字孿生應用：通過傳感器數據驅動軋機虛擬模型，實時模擬不同張力參數對板形的影響，輔助工藝工程師 30 分鐘內完成軋制規程優化；

預測性維護：利用深度學習算法分析張力信號的頻域特征，提前 72 小時預警軸承失效、齒輪箱磨損等設備故障，將非計劃停機時間減少 50%。

3. 微型化與多參數集成

為滿足精密加工和輕量化需求，微型化成為重要方向：

MEMS 張力傳感器：基于微機電系統技術，開發量程 1-100N、尺寸 3mm×3mm 的超微型傳感器，適用于精密電子元件引線鍵合的張力控制；