張力傳感器成為金屬加工行業(yè)精密制造的控制要素

一、張力控制：金屬加工的質(zhì)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(chǎn)品性能的**變量。張力波動(dòng)超過(guò) ±3% 會(huì)導(dǎo)致金屬板材出現(xiàn)浪形、邊裂，或使線材產(chǎn)生直徑偏差、內(nèi)部應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)造成斷帶、斷線事故。傳統(tǒng)機(jī)械張力控制依賴配重砝碼或摩擦制動(dòng)器，張力穩(wěn)定性*能達(dá)到 ±8%，而現(xiàn)代智能產(chǎn)線通過(guò)張力傳感器構(gòu)建的閉環(huán)系統(tǒng)，可將張力波動(dòng)精細(xì)控制在 ±0.5% 以內(nèi)，使不銹鋼薄板的成材率從 75% 提升至 92%。

張力傳感器的**價(jià)值體現(xiàn)在三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

軋制工序：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軋機(jī)出口帶材張力，避免因張力不均導(dǎo)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)線材拉伸張力，防止因張力突變引發(fā)的斷線事故，使高速拉絲機(jī)的斷絲頻率從 3 次 / 小時(shí)降至 0.5 次 / 小時(shí)；

熱處理工序：控制退火爐內(nèi)帶材張力，避免高溫下因張力不足導(dǎo)致的褶皺或張力過(guò)大造成的延伸率超標(biāo)，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(shù)分野

在金屬加工設(shè)備中，張力傳感器與壓力傳感器雖同屬力學(xué)測(cè)量范疇，但技術(shù)原理和應(yīng)用場(chǎng)景存在***差異：

（一）測(cè)量原理與對(duì)象

張力傳感器：專(zhuān)注于線性拉伸力的直接測(cè)量，通過(guò)彈性體形變感應(yīng)張力變化。例如，應(yīng)變片式傳感器在張力作用下，彈性體產(chǎn)生微米級(jí)形變，粘貼于表面的應(yīng)變片因拉伸或壓縮導(dǎo)致電阻值變化，經(jīng)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，精度可達(dá) ±0.05% FS，適用于 10N 至 1000kN 的寬張力范圍。

壓力傳感器：主要測(cè)量氣體、液體或固體表面的壓強(qiáng)，基于壓阻效應(yīng)或壓電效應(yīng)，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在金屬加工中，壓力傳感器常用于監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)壓力（如軋機(jī)壓下油缸壓力），精度 ±0.2% FS，確保軋制力的穩(wěn)定輸出。

（二）應(yīng)用場(chǎng)景協(xié)同

張力傳感器是金屬材料線性運(yùn)動(dòng)的 “拉力標(biāo)尺”，直接決定材料的幾何尺寸與內(nèi)部應(yīng)力；壓力傳感器是流體動(dòng)力系統(tǒng)的 “壓力閥門(mén)”，保障液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。二者在冷軋機(jī)組中形成高效協(xié)同：張力傳感器監(jiān)測(cè)帶材張力以調(diào)整前后輥速比，壓力傳感器檢測(cè)液壓壓下系統(tǒng)壓力以控制軋制厚度，共同實(shí)現(xiàn) “板形 - 厚度” 的雙重精細(xì)控制。

三、張力傳感器的技術(shù)類(lèi)型與金屬加工適配

1. 應(yīng)變片式張力傳感器

基于電阻應(yīng)變?cè)恚捎煤辖痄摶蜾X合金彈性體，表面粘貼高精度應(yīng)變片，通過(guò)全橋電路實(shí)現(xiàn)張力信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其優(yōu)勢(shì)在于成本適中、量程覆蓋廣（10N-500kN）、響應(yīng)速度快（0.1ms 級(jí)），適用于中低速金屬加工設(shè)備，如拉絲機(jī)、矯直機(jī)。在銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線中，該傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軋后銅桿張力，通過(guò) PLC 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整軋輥轉(zhuǎn)速，使銅桿直徑偏差從 ±0.1mm 降至 ±0.03mm，滿足精密電纜導(dǎo)體的生產(chǎn)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(yīng)，當(dāng)張力作用于傳感器時(shí)，內(nèi)部磁路發(fā)生變化，通過(guò)感應(yīng)線圈輸出與張力成正比的電壓信號(hào)。其**優(yōu)勢(shì)是抗振動(dòng)、耐粉塵、耐高溫（150℃環(huán)境穩(wěn)定工作），適用于高污染、高振動(dòng)的熱軋環(huán)境。在 H 型鋼生產(chǎn)線中，磁致伸縮式傳感器監(jiān)測(cè)矯直機(jī)的矯直張力，配合液壓系統(tǒng)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3. 光纖式張力傳感器

基于光纖布拉格光柵（FBG）技術(shù)，張力作用導(dǎo)致光纖光柵發(fā)生軸向應(yīng)變，引起反射光波長(zhǎng)漂移，通過(guò)解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)張力測(cè)量。該技術(shù)具備抗電磁干擾、本質(zhì)安全（無(wú)電火花）、體積?。ㄖ睆? 0.5mm）的優(yōu)勢(shì)，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(jiān)測(cè)箔材張力，通過(guò)邊緣計(jì)算實(shí)時(shí)調(diào)整軋機(jī)輥縫，將鋁箔厚度公差從 ±2% 控制在 ±0.5%，滿足動(dòng)力電池對(duì)箔材一致性的嚴(yán)苛要求。

四、典型金屬加工場(chǎng)景深度解析

1. 冷軋薄板的板形與張力協(xié)同控制

在六輥冷軋機(jī)的出口段，張力傳感器安裝于轉(zhuǎn)向輥軸承座，實(shí)時(shí)采集帶材張力數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到邊部張力高于中部 10% 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整工作輥彎輥力，通過(guò) 50ms 級(jí)的閉環(huán)控制消除邊浪缺陷。某汽車(chē)用高強(qiáng)鋼冷軋產(chǎn)線應(yīng)用該技術(shù)后，板形合格率從 85% 提升至 97%，同時(shí)將軋制速度從 200m/min 提升至 350m/min，生產(chǎn)效率提高 40%。

2. 高速拉絲的斷線預(yù)防與張力優(yōu)化

在 φ0.1mm 以下的超細(xì)鋼絲拉絲機(jī)中，張力傳感器以 1000Hz 的頻率監(jiān)測(cè)模具出口處的線材張力。當(dāng)張力波動(dòng)超過(guò) ±2% 時(shí)，系統(tǒng)立即觸發(fā)變頻器調(diào)整收線輪轉(zhuǎn)速，將斷線率從 5 次 / 小時(shí)降至 0.3 次 / 小時(shí)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，傳感器數(shù)據(jù)可預(yù)測(cè)模具磨損程度（準(zhǔn)確率 92%），提前預(yù)警換模時(shí)間，使拉絲模具壽命延長(zhǎng) 25%。

3. 熱處理爐內(nèi)的張力退火工藝優(yōu)化

在硅鋼片連續(xù)退火爐中，張力傳感器與爐內(nèi)溫度、氣氛傳感器協(xié)同工作。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)退火段帶材張力，當(dāng)溫度升至 800℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將張力從 20N/mm2 調(diào)整至 15N/mm2，避免高溫下因張力過(guò)大導(dǎo)致的晶?；儭Ｔ摷夹g(shù)使取向硅鋼的磁感強(qiáng)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(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新方向

1. 工況適應(yīng)性突破

針對(duì)金屬加工中的高溫（如熱軋 1200℃）、強(qiáng)磁場(chǎng)（如電磁攪拌設(shè)備）、高沖擊振動(dòng)（如鍛壓設(shè)備）環(huán)境，未來(lái)研發(fā)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(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)雙層磁屏蔽外殼，將強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的測(cè)量誤差從 ±1% 降至 ±0.1%，滿足電磁冶金設(shè)備的張力監(jiān)測(cè)需求。

2. 智能化與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合

隨著金屬加工向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，張力傳感器正從 “單點(diǎn)測(cè)量” 升級(jí)為 “系統(tǒng)級(jí)控制”：

數(shù)字孿生應(yīng)用：通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軋機(jī)虛擬模型，實(shí)時(shí)模擬不同張力參數(shù)對(duì)板形的影響，輔助工藝工程師 30 分鐘內(nèi)完成軋制規(guī)程優(yōu)化；

預(yù)測(cè)性維護(hù)：利用深度學(xué)習(xí)算法分析張力信號(hào)的頻域特征，提前 72 小時(shí)預(yù)警軸承失效、齒輪箱磨損等設(shè)備故障，將非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間減少 50%。

3. 微型化與多參數(shù)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(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)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；

復(fù)合傳感模塊：集成張力、溫度、應(yīng)變的多參數(shù)傳感器，為金屬成型過(guò)程提供多維數(shù)據(jù)支持，例如在鈦合金板材拉形中，同步監(jiān)測(cè)張力與溫度變化，精確控制材料的塑性變形行為。

六、行業(yè)趨勢(shì)與市場(chǎng)洞察

全球金屬加工張力傳感器市場(chǎng)呈現(xiàn)三大發(fā)展特征：

制造驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)：新能源汽車(chē)用高強(qiáng)鋼、航空航天用鈦合金等金屬材料的需求爆發(fā)，推動(dòng)高精度張力傳感器市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 15%，預(yù)計(jì) 2028 年突破 30 億美元；

國(guó)產(chǎn)替代加速：中國(guó)企業(yè)在中低端市場(chǎng)（如普通鋼材加工傳感器）的國(guó)產(chǎn)化率已達(dá) 65%，在光纖式、磁致伸縮式傳感器領(lǐng)域，部分產(chǎn)品的溫度漂移（≤0.003% FS/℃）、長(zhǎng)期穩(wěn)定性（年漂移≤0.1% FS）等指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際水平；

綠色制造需求：節(jié)能型傳感器（功耗 <1W）與智能產(chǎn)線的協(xié)同優(yōu)化，幫助金屬加工企業(yè)降低 30% 以上的張力控制能耗，成為 “雙碳” 目標(biāo)下的**選型標(biāo)準(zhǔn)。