CN101694368A - 整辊无缝无线式板形仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种整辊无缝无线式板形仪。其特征是：该板形仪检测辊(2)检测到的原始板形信号，通过同轴高屏蔽电缆(30)传输到自发电信号处理及无线发射装置(4)内的信号处理电路板(31)上，经过DSP芯片处理后，通过自发电信号处理及无线发射装置(4)内的无线发射器(36)，将编码后的数字信号包以无线方式输出。无线接收器(5)接收到数据包后，解码器(6)将接收到的数据包还原，送入软件处理系统(7)对板形信号进行数字滤波和信号补偿等处理，得到真实的在线板形数据。该发明避免了对带钢表面造成划伤；采用差动电荷放大器使板形仪具有良好的高频及低频响应特性；所有线路完全密封于辊体内部，通过天线实时发射板形信号数据包，屏蔽性能极好，实现无线发收信号，避免滑环式有线传输，有效消除干扰因素对板形检测信号的影响，检测信号实时准确，使板形仪能够在恶劣的工况下长期稳定地运行。

Description

整辊无缝无线式板形仪

技术领域

本发明属于轧钢机械设备自动化测量领域，用于冷轧带钢、铝带、铜带等板带产品板形(平直度)的在线检测装置。

背景技术

板形仪是冷轧带钢板形检测控制技术中的关键核心设备，是实现带钢板形闭环控制的前提。其中板形检测辊结构形式的合理设计，是板形仪研制工作的关键和难点，直接影响板形检测信号的准确性和稳定性；板形原始信号检测和传输方式的选择，是板形仪研究的热点和重点，影响板形信号的稳定性和快速响应性。因此，板形仪研制的关键是设计先进的板形检测辊结构，合理选择板形信号检测和传输方式，使板形仪能够准确稳定地检测原始板形信号，消除外界不良因素对板形检测信号的影响，提高板形仪的工业实用性。

国际上从上世纪60年代开始进行板形仪的研制。对于冷轧带钢板形检测，目前应用较多的是接触式板形仪，其中在工业生产中真正应用状况相对较好的有瑞典ABB公司的分段压磁式板形仪、英国DAVY公司的空气轴承式板形仪、德国Siemens公司的新型BFI板形仪以及中国燕山大学的分片内孔压磁式板形仪和整辊镶块式板形仪。

在结构设计方面，分段式板形仪的检测辊主要由辊体、压磁式传感器、辊环组成，辊环以过盈配合的方式热装于辊体之上，在使用过程中，受温度变化的影响，辊环与辊体之间的预压力发生变化，使辊环相对于辊体产生相对错动，易划伤带钢表面，严重影响带钢表面质量。空气轴承式板形仪通过检测轴与轴套之间间隙内高压气体的压力瞬态变化，检测带钢的张力变化。该形式的板形仪对工作环境的要求极为苛刻，需要特别洁净的空气，否则空气通道易被堵塞，维护和装配极其困难。新型BFI板形仪由于测力元件沿检测辊圆周交错布置，检测辊轴向各点间歇式测量传输信号，不能真实地反映垂直于轧制方向的带钢横断面的瞬态板形。中国燕山大学的分片内孔压磁式板形仪利用自锁调整垫将辊片与压磁式传感器紧固，所有辊片再利用4～6个长销螺栓固定为一体；而整辊镶块式板形仪则是将镶块式弹性体与主辊体紧密地结合为一个整体。这两种板形仪尽管没有实现真正的无缝式整体板形检测辊，但是能够有效避免传统板形仪对带钢表面造成划伤，因此该结构形式的板形仪能够在恶劣的工业环境中长期稳定地工作。

在板形检测元件方面，主要包括压磁式传感器(ABB系列板形仪、燕山大学分片内孔压磁式板形仪、整辊镶块式板形仪)和压电式传感器(BFI系列板形仪)两大类型。其中压磁式传感器的敏感元件由铁磁材料制成，它把作用力(如弹性应力、残余应力)的变化转换成导磁率的变化，并引起绕于其上的线圈阻抗或电动势发生变化，从而感应出电信号。其优点是输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性好、过载能力强、价格便宜，应用较广泛。但是对于整体无缝辊来说，如果采用压磁式传感器，则整体辊结构设计复杂，加工和装配也比较困难。而压电式传感器是以压电材料的压电效应为基础的一种有源型传感器。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电压放大器或电荷放大器放大和变换阻抗后，就成为正比于外力的电量输出，从而实现非电量测量的目的。其优点是尺寸小、重量轻、工作频率宽、信噪比大、灵敏度高、结构简单、便于安装、寿命长、长期稳定性好、工作可靠等，可以测量变化的动态压力、加速度、振动等，广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。压电式传感器的缺点是压电元件是高阻抗、小功率元件，极易受到外界机、电振动引起的噪声干扰线路的影响，如声场、电源和接地回路噪声等，另外传感器内部结构比较复杂，成本较高，调整困难。然而，随着现代加工技术和检测技术的发展，压电式传感器通过选择合理的信号放大器，不但可以具有良好的高频测量性能，还可以实现对低频信号的精确测量，另外随着配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电式传感器逐渐具有较好的实用价值和应用前景，应用日益广泛。

在信号传输方面，常规的方式是利用碳刷滑环式集流环(ABB系列板形仪、燕山大学整辊镶块式板形仪、BFI系列板形仪)进行信号传输。该方式通过集流环内的滑环和碳刷将原始板形信号传输给工控机，因此需要保证滑环、碳刷的清洁以及各通道彼此之间的高绝缘性。由于碳刷和滑环之间高速状态下易摩擦生热、磨损和振动，易受周围电磁场的干扰，影响板形仪的稳定性和测试精度，因此需要对集流环内的碳刷和滑环进行湿式清洗、润滑和冷却，或者利用高压冷空气进行清洁和冷却，还需做好磁场屏蔽和线路之间的良好绝缘。随着现代信号传输技术的发展，已经出现了无接触方式的红外线对射式集流环和高速无线收发式集流环。红外对射式集流环，是通过红外线无接触地从转动的检测辊上，将编码后的数据传递给固定的接收器，再通过解码，将板形信号以数字信号的方式传递给工控机，进行板形信号的分析和处理。但是，该方式要求发射器和接收器之间的红外光束严格对准，否则易因为高速转动检测辊的振动影响接收器的数据稳定性和准确性；另外，由于现场环境较为恶劣，油污和杂质易堵塞红外线发射通道，易影响数据的正常传输，稳定性不好。碳刷滑环式集流环和红外对射式集流环这两种传输方式，尽管能够满足信号的正常传递，但是由于轧机与主控室之间一般都有几十米甚至上百米的距离，需要使用较长的屏蔽电缆，当屏蔽电缆弯曲、老化、屏蔽不良时，都会使传输过程中的板形信号大受影响，调试和维护都极为困难。高速无线收发式集流环是目前最新的信号传输方式，其通过无线发射装置将检测到的板形信号编码和打包，无线接收装置接收到数据包以后，再解码还原为数字板形信号，送入到信号处理系统中。该方式数据稳定、设备改动少，延迟少，维修方便。

但是，无论哪种传输方式，都必须由供电线路提供稳定的励磁电压，即便是无线发射装置，供电电路也不可避免。本发明设计了一种自发电装置，为信号处理电路板和无线发射装置供电，避免了繁琐的外部线路，便于安装与维护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种整辊无缝无线式板形仪，该发明在不划伤带钢的前提下，能够稳定准确地检测原始板形信号，同时设计自发电信号处理及无线发射装置，避免了繁琐的外部传输线路，且减少了外界干扰，最终使板形仪检测到的信号稳定准确，更适合恶劣的现场工况条件，维修和调试方便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述板形仪主要由板形检测辊、板形信号处理装置、板形信号无线接收器、解码器、软件处理系统及显示、存储等外设组成。板形检测辊主辊体外表面整体无缝，内表面沿轴向加工圆形盲孔，用于镶嵌压电式传感器组合件。该组合件由传力垫块、压电力传感器、凹凸形弧形垫块组装而成，将其依次内嵌于主辊体内部的圆形盲孔后，最后用特制的中空圆螺钉锁紧固定。操作侧轴头和传动侧轴头分别用螺钉固定于主辊体两端，并用激光焊接密封。压电力传感器信号线则依次穿过组合件和主辊体内孔，从操作侧轴头引出，利用快速接头，连接于自发电信号处理及无线发射装置中。自发电信号处理及无线发射装置主要由屏蔽外壳、多功能芯轴、电路板、永磁自发电装置、无线发射器等组成。其中电路板集成了电荷放大器、A/D采集卡、磁藕隔离、DSP数据处理芯片及自发电装置的整流器、滤波器、DC-DC变换、稳压器等。自发电装置为电路板和无线发射装置提供稳定电源。检测辊检测到的板形信号经电路板信号处理后，由无线信号发射器将编码后的板形信号数据包传输给无线接收装置，再利用解码器进行解码，然后将还原后的板形信号传输给工控机，最后通过软件处理系统，对板形信号进行数字滤波、精确标定和信号补偿，从而可以反映出真实准确的板形信号。因此，本发明旨在通过设计合理的板形仪结构形式，研制真正意义上的整辊无缝无线式板形仪，彻底解决传统板形仪对带钢表面造成损伤的缺陷；同时通过选择先进的板形信号检测、处理和传输方式，准确稳定地检测板形信号，尽可能减少外界因素对板形检测信号的影响，且维修和调试方便。

在板形信号检测方面，本发明选用压电晶体并联式的环状压电力传感器。压电力传感器采用全密封屏蔽结构，并利用高阻抗绝缘材料减少电荷泄露，由于压电力传感器检测到的原始板形信号为电荷量，因此属于有源型传感器，线路简单，仅需一根信号线即可完成信号的输出。在信号传输过程中，选用低噪声、小电容、高绝缘电阻的电缆，可有效避免电荷传输过程中的泄露和噪声。

在板形信号处理方面，本发明设计了自发电信号处理及无线发射装置，该装置主要由屏蔽壳体、多功能芯轴、永磁自发电装置、DSP信号处理电路板和无线信号发射器组成。

永磁自发电装置由定子、转子、整流器、DC-DC(直流-直流变换器)、稳压器组成。其中在屏蔽壳体上安装永磁铁作为定子，在多功能芯轴上安装饶有线圈的硅钢片组作为转子。只要检测辊转动且达到一定的速度要求后，多功能芯轴也会随之带动转子切割永磁铁的磁力线，从而在线圈中产生所需要的交流电。自发电装置发出的交流电通过整流器的整理滤波后，变化为直流电，再利用DC-DC调整直流电的电压，经稳压器稳压后，为板形处理电路板和无线信号发射器供电。永磁自发电装置省去了碳刷、滑环结构，避免了碳刷和滑环之间磨损消耗，消除了碳刷与滑环摩擦产生的无线电干扰，消除了可能出现的电火花，发电效率较高，且结构简单，使信号处理装置结构紧凑；采用永磁发电的整流滤波的稳压方式，稳压精度高，输出功率高，也避免了过电流的现象。

由于板形信号处理装置采用了全密封结构，因此更适合潮湿或粉尘较多的恶劣环境下工作，提高了产品的可靠性，且通过合理选择导磁材料(如钕铁硼)，减少漏磁，使自发电装置怠速性能好，低速时发电也较为充足。

在DSP信号处理电路板上，集成了与通道数相对应的差动式电荷放大器、高速模拟转换开关、16位AD转换卡、磁藕隔离、DSP芯片。在轴头和外壳的对称位置，安装霍尔元件，用以判断检测辊速度和检测元件的转动位置，实时地传递给DSP芯片进行处理。电荷放大器的主要作用是将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷。优点是在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。其中差动放大器又叫差分放大器，在直接耦合放大电路中，它是抑制零点漂移的最有效的电路。在零输入时具有零输出；静态时，温度有变化依然保持零输出，即消除了零点漂移。差动电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。电荷放大器主要完成两个基本功能：(1)将压电力传感器输出的微弱电荷信号按比例放大转换为相应的电压信号；(2)实现电平变换功能，使放大器输出电平范围达到A/D转换器输入范围的满标，减小相对误差。

A/D转换卡则是将电荷放大器输出的模拟电压信号转换为16位的数字电平信号，同时经过DSP芯片发出的并串转换移位等信号，进行信号编码处理，且经过一次磁藕隔离以后，以数字信号包的形式，通过无线发射器完成板形信号的高质量输出。磁藕隔离的作用是对检测到的信号进行初次滤波，减少无线发射器的传输数据量，提高板形检测信号的稳定性、快速响应性、准确度。

DSP信号处理系统选用TMS320F28335作为控制器，对原始板形信号进行处理、测频、鉴相等，实现板形信号与外设通信，为板形控制系统提供触发信号。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、MCBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。新型F2833x浮点控制器与TI前代领先数字信号控制器相比，性能平均提高50％，并与定点C28x控制器软件兼容。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。

DSP处理器将编码后的数据包经过无线发射装置发出，然后在操控室或监控站，通过板形信号无线接收装置，实时地接受无线发射装置发射过来的数据包，利用解码器进行解码后，将数据包恢复为板形数字信号，再输入到软件处理系统中。在软件处理系统中，首先对传输来的板形数字信号进行数字滤波，并对板形信号进行必要的板形补偿，实现实时板形的检测、识别、显示、存储、打印等功能。

本发明的有益效果是，该发明属于真正意义上的整体无缝式检测辊，内嵌传感器的整体辊结构对带钢表面质量不会造成划伤。采用差动电荷放大器对压电力传感器进行信号放大和补偿，使板形仪具有良好的高频及低频响应特性，可实现板形仪的准静态标定，且避免信号的零漂问题。板形信号处理装置完全内置于屏蔽壳体内，利用永磁自发电装置为板形仪中的板形信号处理电路板和无线发射器提供励磁电压，实现了板形仪的高速无线功能。通过无线发射装置，将编码后的板形信号数据包实时传输给无线接收装置，再通过解码器解码后，利用软件处理系统实现信号的数字滤波、板形补偿、显示打印等功能。该板形仪避免了繁杂的外部电路，所有线路完全密封于辊体内部，仅通过无线天线实时发射板形信号数据包，因此该板形仪屏蔽性能极好，可传输距离较远，且避免外界因素对检测信号的影响，检测信号实时准确，使板形仪能够在恶劣的工况条件下长期稳定运行。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是整辊无缝无线式板形仪的系统结构图；

图2是整辊无缝无线式板形仪的板形检测辊结构图；

图3是一行圆形盲孔沿轴向直线排列的主辊体某横截面示意图；

图4是四行圆形盲孔沿轴向直线排列的主辊体某横截面示意图；

图5是一行圆形盲孔沿轴向交错排列的主辊体某横截面示意图；

图6是图5主辊体的俯视图；

图7是压电力传感器组合件的结构示意图；

图8是压电力传感器组合件的仰视图；

图9是压电力传感器的结构示意图；

图10是自发电信号处理及无线发射装置的结构示意图；

图11是自发电信号处理及无线发射装置的A-A剖视图；

图12是多功能芯轴信号处理电路板安装位置的B-B剖视图；

图13是板形信号传输过程示意图。

在上述附图中，1.传动侧轴承座，2.检测辊，3.操作侧轴承座，4.自发电信号处理及无线发射装置，5.无线信号接收装置，6.解码器，7.软件处理系统，8.显示、存储及外设，9.传动侧轴头，10.主辊体，11.压电力传感器组合件，12.沉头螺钉，13.操作侧轴头，14.隔热传力垫块，15.压电力传感器，16.电极接头，17.凹形弧形垫，18.凸形弧形垫，19.中空锁紧螺钉，20.基座，21.弹性压盖，22.绝缘柱体，23.导电片，24.电极插针，25、26.压电晶体，27.高阻抗绝缘体，28.快速接头，29.金属屏蔽壳体，30.轴高屏蔽电缆，31.信号处理电路板，32.转子励磁线，33.硅钢片组，34.永磁铁，35.多功能芯轴，36.高速无线发射器，37锁紧圆螺母。

具体实施方式

实施例

图1为本发明的一个具体实施实例。一般将板形检测辊2安装于冷轧主轧机与卷取机之间的原导向辊位置。在传动侧轴承座1位置，既可以利用可变频调速电机，通过联接轴连接检测辊，以使检测辊速度与轧制速度相匹配；也可以直接利用带钢摩擦力，带动检测辊2被动转动。在操作侧轴承座3位置处，通过螺栓将自发电信号处理及无线发射装置4固定于检测辊2操作侧轴头上。检测辊2检测到的板形信号经过板形信号处理及无线发射装置4的放大、磁藕隔离、A/D转换、DSP信号处理后，将编码后的板形数字信号以无线编码的方式传输给无线信号接收装置5，再利用解码器6还原为板形数字信号，然后送入软件处理系统7进行板形信号的数字滤波及补偿等操作，最终在外设上显示、打印、存储实时的板形信息。

在主辊体10内表面，沿轴向加工9～41个圆形盲孔(见图1、图2)。这些圆形盲孔的中心线在主辊体10圆周方向分布1～4条的平行于轴心的直线上(见图3、图4)，其中圆形盲孔直径为Φ30～70，距离主辊体10表面的厚度为4～6mm。或者为了增加通道数或检测点，可以使上述分布在同一条直线上的两个相邻圆形盲孔中心相对于主辊体10轴心彼此交错γ角度排列，γ＝5～15°(见图5、图6)，这样可以缩短彼此盲孔之间的横向间距1～10mm。加工主辊体10的圆形盲孔时，为了保证压电力传感器的受力均匀和信号的稳定性，须保证主辊体10圆形盲孔底面的粗糙度(不超过Ra0.41um)及与圆形盲孔侧表面的垂直度(不大于0.013mm)。需要加装特制的隔热传力垫块(其弹性模量应高于压电式传感器机座材料的弹性模量)，必要时还可考虑在底面涂抹一层硅脂或薄油膜。将各通道的压电力传感器组合件11依次装入主辊体10的圆形盲孔中后，用特制中空螺钉19固定锁紧，压电力传感器组合件11中的压电力传感器信号线穿过其内孔，从操作侧轴头13的内孔中引出，连接于自发电信号处理及无线发射装置4上。最后用沉头螺钉12将传动侧轴头9和操作侧轴头13固定于主辊体10上，并用激光焊完全密封。在传动侧轴头9中心加工一工艺小孔，用于散热和保持内外气压一致。操作侧轴头13加工略大的内孔，用于引出各路传感器的同轴高屏蔽电缆。装配完毕后的板形检测辊2必须进行动平衡测试。将多余重量在辊径端面钻孔去除，去除部位应该光滑美观，传动侧和操作侧不平衡量须满足技术附件所要求的规定转速下不平衡量技术指标，如2000r/min下，两侧不平衡量限制在50g以下。

组装压电力传感器组合件时，将隔热传力垫块14、压电力传感器15、凹形弧形垫17、凸形弧形垫18依次装入主辊体10圆形盲孔中后，用中空锁紧螺钉19固定(见图7)，其中压电力传感器15通过电极接头16连接耐高温的轴高屏蔽电缆30。组装压电力传感器组合件仰视图如图8所示。其中隔热传力垫块14考虑采用热导率小的材料(如未极化的压电陶瓷)或采用大膨胀系数的材料(如铁镍铍青铜组合材料等)加工制成，厚度控制在2～4mm以内，太薄不易保证加工精度，太厚易影响板形信号检测精度。隔热传力垫块14主要是为了调整压电力传感器15的位置及装配精度，还可以起到绝热片或温度补偿片的功能，以实现高温下的结构等膨胀匹配，克服热应力影响。加工时，需要在与主辊体10接触的一面，加工大圆弧倒角(Φ5～10)，在上表面中心位置加工圆形槽，实现良好的接触效果，同时保证上下两面的粗糙度、平行度等加工精度，以使其与主辊体10圆形盲孔底面95％以上的紧密接触。凹凸形弧形垫(17、18)利用工装(胎具)加工制成，保证凹凸形弧形垫(17、18)各面的粗糙度和装配精度，弧形特性可以略加调整压电力传感器15的装配精度，保证传感器压电元件的敏感轴(电极向)严格与传感器轴线(受力向或径向压力方向)完全重合，减少压电力传感器15的横向灵敏度(不大于5％)。中空锁紧螺钉19与主辊体10圆形盲孔通过螺纹连接，用于调整和固定压电力传感器15，并施加一定的预紧力。连接压电力传感器15的电极插针24同轴高屏蔽电缆则穿过凹凸形弧形垫(17、18)及中空锁紧螺钉19内孔引出，各通道压电力传感器15引出的电缆必须选用低噪声同轴高屏蔽电缆，防止接地回路噪声，且必须用专用固定夹进行固定，防止检测辊2高速转动过程中，电缆摆动对板形信号造成的噪声。中空锁紧螺钉19与主辊体10圆形盲孔位置固定后，再用密封胶进行密封和固定。

环状压电力传感器15主要由机座(或壳体)20、弹性上盖板21、圆柱形绝缘体22、导电片23、电极插针24、压电晶体组(25、26)、高阻抗绝缘体27等部件组成(见图9)，利用石英晶体压电效应，将压力变化转为电荷量变化，测量范围0～600MPa，灵敏度14pC/MPa，固有频率＞240kHz，上升时间小于1us。弹性上盖板21外侧加工成如图9所示的弹性圈，通过激光焊接的方式将上盖板21与基座20紧密焊接在一起。为了便于与接触表面紧密接触，上盖板21外侧弹性圈加工工艺倒角，在中心加工Φ5～10的小圆形槽。将几何尺寸、极性参数完全一致的压电晶体(25、26)(如钛酸钡)以并联的方式叠加在一起，在两个压电晶体之间，加入导电片23(如铜片或银片等)，连接电极插针24，而两个压电晶体(25、26)另一侧分别接触上盖板21和基座20的内表面。在压电晶体(25、26)与基座20安装的圆周位置，加装具有高绝缘材料制作的圆环27，起到有效防潮密封的作用，避免现场高湿度环境使压电力传感器低频响应特性变坏。组装该环状传感器时，需要利用工装对压电晶体(25、26)施加预载，将上盖板21弹性圈焊接于基座上时，对压电晶体(25、26)施加一定的预紧力。压电晶体(24、25)及基座20中心添加高绝缘材料22，同时也起到密封和防潮的作用，固定导电片23和电极插针24。在基座20下面接头位置，加工M4～M8的外螺纹，以便与电极外接头实现紧固连接。该压电力传感器的结构即可保证受到的压力垂直地通过传感器上盖板21直接传递给压电晶体(25、26)，减小其他变形对传感器信号的影响，另外，密封绝缘(22、27)措施保证压电力传感器15的良好低频响应，克服热应力、湿度等外界因素对压电力传感器15响应特性的影响。

通过螺钉和密封垫的方式，将金属屏蔽壳体29紧固于操作侧轴承座3位置上(见图10)，而多功能芯轴35则通过拨叉与检测辊2的操作侧轴头13实现快速连接，由检测辊2带动多功能芯轴35一起转动，多功能芯轴35与金属屏蔽壳体29之间安装调心滚子轴承。在金属屏蔽外壳29内部，通过螺钉安装定子(永磁铁)34，与安装于多功能芯轴35上的转子33组成自发电装置。

当检测辊2转动时，自发电装置的多功能芯轴35就切割磁力线，从而产生电源，通过转子励磁线32，为板形信号处理电路板31提供励磁电压(见图11)。当检测辊2达到一定的转速(如50m/min)后，自发电装置内的整流器即可将发出的交流电整流滤波后转化为直流电，再经过DC-DC(直流-直流)变换器，将电压调整为电路板及无线发射器所需的电压，然后利用稳压器将波动较大或者不合用电设备要求的电源电压，稳定在它的设定值范围内，使各种电子元件能在稳定电压下正常工作。

将多功能芯轴35的中间位置对称加工两个平面(见图12)，减少转动惯量和不平衡量，且便于安装板形信号处理电路板31。由于电路板31完全封闭于金属壳体29内，且传感器和电缆完全密封于真正意义上的整体辊内，可以起到极好的电磁屏蔽作用。

信号处理电路板31集成了与通道数相对应的差动式电荷放大器、高速模拟转换开关、16位AD转换卡、磁藕隔离、DSP芯片以及高速无线发射器36，在轴头和外壳的对称位置，安装霍尔元件，用以判断检测辊速度和检测元件的转动位置，实时地传递给DSP芯片进行处理。自发电元件发出的交流电经过整流器整流为直流电，通过稳压器稳压后，为电路板及无线发射装置提供电源(见图13)。

该板形仪的工作过程如下：将装配好的板形检测辊2安装在冷轧机出口位置，带钢包紧在检测辊2的辊面上。工作时，检测辊2检测到的张力信号(此时表现为电荷变化量)，通过低噪声同轴高屏蔽电缆30传输到自发电信号处理及无线发射装置4。在自发电信号处理及无线发射装置4内部的电路板31上，各通道板形信号先经过差动电荷放大器放大(此时板形信号表现为电压信号变化量)，再通过高速模拟转换开关将采集的各通道信号输入到AD采集卡中，将电压变化量转换为数字变化量，再经过磁藕隔离(ADUM1400)，通过16位数据总线与DSP芯片(TMS320F28355)相连。在DSP芯片内部，根据光电码盘输入的零位信号判断板形检测辊是否旋转一周；当零位信号到达时，DSP检测出此旋转周期内各个通道的最大、最小值，取二者绝对值加权平均后，作为该通道一次输出值，同时根据码盘输入信号计算转速、判断旋转方向，根据超声波传感器信号计算卷取机的卷径，以便进行包角补偿计算。板形信号经过DSP芯片处理后，利用无线发射器，将编码后的数字信号包以无线的方式输出。无线接收器接收到数据包以后，利用解码器将接收到的数据包还原，再送入软件处理系统，对板形信号进行数字滤波和信号补偿等处理，从而得到真实的在线板形数据，最终通过显示器、存储器等外设实现板形信号的在线监测、显示、存储、打印等功能。

Claims (10)

1.一种整辊无缝无线式板形仪，包括传动侧轴承座(1)、检测辊(2)、操作侧轴承座(3)、自发电信号处理及无线发射装置(4)、无线信号接收装置(5)、解码器(6)、软件处理系统(7)以及显示和存储外设(8)，其特征是：该板形仪检测辊(2)的主辊体(10)外表面整辊无缝，内表面沿轴向依次加工系列圆形盲孔，将各通道的压电力传感器组合件(11)依次装入主辊体(10)的圆形盲孔中后，用中空锁紧螺钉(19)固定，压电力传感器(15)的信号线穿过压电力传感器组合件(11)内孔后，从操作侧轴头(13)的内孔中引出；检测辊(2)检测到的原始板形信号，通过低噪声同轴高屏蔽电缆(30)传输到自发电信号处理及无线发射装置(4)内的电路板(31)，原始板形信号经过电路板(31)的DSP芯片处理后，利用自发电信号处理及无线发射装置(4)，将编码后的数字信号包以无线方式输出；无线信号接收装置(5)接收到数据包以后，利用解码器(6)将接收到的数据包还原，再送入软件处理系统(7)，对板形信号进行数字滤波和信号补偿，得到真实的在线板形数据，最终通过显示器、存储器及外设(8)实现板形信号的在线监测、显示、存储、打印功能。

2.根据权利要求1所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：在主辊体(10)内表面，沿轴向加工9～41个圆形盲孔，这些圆形盲孔的中心线在主辊体(10)圆周方向分布1～4条的平行于轴心的直线上；或者使上述分布在同一条直线上的两个相邻圆形盲孔中心相对于主辊体10轴心彼此交错γ角度排列，γ＝5～15°；最后用沉头螺钉(12)将传动侧轴头(9)和操作侧轴头(13)固定于主辊体(10)上，并用激光焊完全密封；传动侧轴头(12)中心加工工艺小孔，操作侧轴头(13)加工略大的中心孔。

3.根据权利要求1所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：所述压电力传感器组合件(11)包括圆形传力垫块(14)和压电力传感器(15)两部分，其中，圆形传力垫块(14)与主辊体(10)接触的表面，加工大圆弧倒角，大圆弧倒角为Φ5～Φ10mm，其中心位置加工圆形槽，所述压电力传感器(15)的弹性上盖板(21)外表面加工弹性圈其外侧弹性圈加工工艺倒角，在中心加工Φ5～10的小圆形槽。

4.根据权利要求1或3所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：所述压电力传感器(15)的两个压电晶体(24、25)以并联的方式叠加在一起，在两个压电晶体之间加入导电片(23)连接电极插针(24)，在压电晶体(24、25)与基座(20)安装的圆周位置，加装高绝缘材料圆环(27)，两个压电晶体(24、25)及基座(20)中心添加高绝缘材料(22)。

5.根据权利要求3或4所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：将隔热传力垫块(14)、压电力传感器(15)、凹形弧形垫(17)、凸形弧形垫(18)依次装入主辊体(10)圆形盲孔中后，用中空锁紧螺钉(19)固定，压电力传感器(15)通过电极接头(16)连接同轴屏蔽电缆(30)和自发电信号处理及无线发射装置(4)。

6.根据权利要求1所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：通过螺钉和密封垫将金属屏蔽壳体(29)紧固于操作侧轴承座(3)位置上，而多功能芯轴(35)则通过拨叉与检测辊(2)操作侧轴头(13)实现快速连接，由检测辊(2)带动多功能芯轴(35)一起转动，多功能芯轴(35)与金属屏蔽壳体(29)之间安装调心滚子轴承。

7.根据权利要求6所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：在金属屏蔽外壳(29)内表面，通过螺钉安装永磁铁定子(34)，与安装于多功能芯轴(35)上的转子(33)组成自发电信号处理及无线发射装置(4)，为信号处理电路板(31)和高速无线发射器(36)提供电源。

8.根据权利要求7所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：多功能芯轴(35)的中间位置对称加工两个平面，用于安装板形信号处理电路板(31)，板形信号处理电路板(31)完全封闭于金属屏蔽壳体(29)内，且压电力传感器(15)和同轴屏蔽电缆(30)完全密封于无缝式整体辊内，起到电磁屏蔽作用。

9.根据权利要求1或8所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：信号处理电路板(31)集成了与通道数相对应的差动式电荷放大器、高速模拟转换开关、16位AD转换卡、磁藕隔离、DSP芯片以及高速无线发射器(36)，在轴头和外壳的对称位置，安装霍尔元件，用以判断检测辊速度和检测元件的转动位置，实时地传递给DSP芯片进行处理。

10.根据权利要求1所述的整辊无缝无线式板形仪，其特征是：DSP芯片发出的并串转换移位信号，进行信号编码处理，经过磁藕隔离后，以数字信号包的形式，通过高速无线发射器(36)完成板形信号的高质量输出，实现板形信号与外设的无线通信。

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