CN101695717A - 用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器 - Google Patents

用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器,在机架立柱的侧面设有测力传感器,测力传感器沿机架立柱的中线竖向设置,测力传感器由坡莫合金片制成,坡莫合金片与机架立柱垂直设置,在坡莫合金片的中部开有条形孔,在条形孔两侧分别缠绕有励磁线圈和测量线圈,测力传感器的两端设有上、下夹紧头,上、下夹紧头与传力拉杆固定,传力拉杆分别穿过装在机架上的支座,并在其端部装有测力传感器预紧力调节螺母。传力拉杆为阶梯轴,小轴端与大轴端的直径比为1∶2~10。当轧钢机轧制时,其机架立柱在反作用力的作用下产生弹性变形,其大小与轧制力成正比,测出机架立柱的应变就可推算出轧制力。其安装拆卸方便,检测灵敏度高,误差小。

Description

用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种轧钢机的控制技术,特别是一种用于检测轧钢机轧制压力的侧置
式传感器。 背景技术
[0002] 目前,国内轧钢机轧制力检测主要采用两种方式:一种是支承式测力,也就是传感 器直接承受被测力。所采用的传感器,主要有电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式。 在使用时一般把它安装在以下三个部位:(a)压下螺丝与上支承辊轴承座之间;(b)下支承 辊轴承座与机架牌坊的下横梁之间;(C)压下螺母与机架牌坊的上横梁之间。由于其受力 部位——测压头直接频繁承受轧制力,很容易遭到破坏,而且在每次更换传感器时,都必须 把与之相连的轧机部件拆掉,非常麻烦;
[0003] 另一种是附着式测力,也就是通过测量机架变形间接测量轧制力。这种测量方式 所采用的传感器是电阻应变片。电阻应变片是应用最广泛的测力传感器,但在测试时必须 将应变片粘贴在试件或传感器的弹性元件上,这样,粘合剂所形成的胶层就有着重要的作 用,它要准确无误的将弹性体的变形传递到应变计的电阻敏感栅上去,粘合剂性能的优劣 直接影响应变计的工作特性,如蠕变、机械滞后、绝缘电阻、灵敏度、非线性等,并影响这些 特性随时间或温度变化的程度。而对于某一粘合剂而言,如果其抗剪切强度高,收縮率就会 大,抗冲击性就差;韧性好,固化时间就长;在高温下使用的粘合剂固化方法,粘贴操作比 较复杂。因此,这种测力误差通常达到10%。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提出了一种安装拆卸方便、检 测灵敏度高、误差小的用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器。
[0005] 本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的,一种用于检测轧钢机轧 制压力的侧置式传感器,其特点是:在机架立柱的侧面设有测力传感器,测力传感器沿机架 立柱的中线竖向设置,测力传感器由厚度为0. 3-0. 6mm的坡莫合金片制成,坡莫合金片与 机架立柱垂直设置,在坡莫合金片的中部开有条形孔,在条形孔两侧分别缠绕有励磁线圈 K和测量线圈^,测力传感器的两端设有上、下夹紧头,测力传感器与上、下夹紧头之间设 有绝缘橡胶垫,上、下夹紧头通过螺栓与上、下传力拉杆固定,上、下传力拉杆分别穿过装在 机架上的支座,并在上、下拉杆的端部装有测力传感器预紧力调节螺母,测力传感器的安装 上下对称设置。
[0006] 本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现,在条形孔内侧 缠绕的是测量线圈K,外侧缠绕的是励磁线圈N1Q
[0007] 本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现,传力拉杆为阶 梯轴,小轴端与大轴端的直径比为1 : 2〜10。
[0008] 本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现,励磁磁场强度H = 0. 2-0. 5A/mm,励磁线圈的匝数为6-10匝,测量线圈的匝数为12-20匝。 [0009] 本发明采用坡莫合金片制成测力传感器,基于铁磁材料的压磁效应,当磁场中的 铁磁材料受到机械力的作用时,在它的内部产生应变,从而产生应力o,导致磁导率ii发 生变化。当铁磁材料上同时绕有励磁线圈和测量线圈时,磁导率的变化将导致线圈间耦合 系数的变化,从而使输出电势发生变化。通过相应的测量电路,就可以根据输出的量值来衡 量外作用力。当轧钢机轧制时,其机架立柱在反作用力的作用下产生弹性变形,其大小与轧 制力成正比,因此,只需测出机架立柱的应变就可推算出轧制力P。为了测得拉应力,把测力 传感器沿机架立柱的中性面c-c布置,以消除弯曲应力的影响。与现有技术相比本发明的 特点:(l)安装拆卸方便,减少了停机时间,提高了轧机的工作效率,提高了经济效益;(2) 解决了支承式测力传感器因频繁承受轧制压力,其测压头易损坏的弊端;(3)不需要粘贴, 一次安装可长期使用;(4)可在高温下长期稳定工作;(5)检测灵敏度高,误差小。
附图说明
[0010] 图1为本发明的结构简图。
[0011] 图2为图1的侧向视图。
[0012] 图3为轧制力检测原理图。
[0013] 图4为传感磁路分析简图。
[0014] 图5为传感器的测量电路原理方框图。
具体实施方式
[0015] —种用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器9,在机架立柱1的侧面设有测力 传感器6,测力传感器6沿机架立柱的中线竖向设置,测力传感器6由厚度为0. 3-0. 6mm的 坡莫合金片制成,坡莫合金片与机架立柱1垂直设置,在坡莫合金片的中部开有条形孔,在 条形孔两侧分别缠绕有励磁线圈K和测量线圈K,测力传感器的两端设有上、下夹紧头5、 7,测力传感器6与上、下夹紧头5、7之间设有绝缘橡胶垫,上、下夹紧头5、7通过螺栓与上、 下传力拉杆4、8固定,上、下传力拉杆4、8分别穿过装在机架上的支座3,并在上、下拉杆的 端部装有测力传感器预紧力调节螺母2,测力传感器的安装上下对称设置。 [0016] 励磁线圈K和测量线圈N2的设置:最好是在条形孔内侧缠绕测量线圈K,外侧缠 绕励磁线圈N"
[0017] 传力拉杆为阶梯轴,小轴端与大轴端的直径比为1 : 2〜10。阶梯轴起应变放大 作用。
[0018] 励磁磁场强度H = 0. 2-0. 5A/mm,励磁线圈的匝数为6_10匝,测量线圈的匝数为 12-20匪。
[0019] —、传感器原理 [0020] 1.传感器磁路分析
[0021] 本发明基于铁磁材料的压磁效应。所谓压磁效应是指,当磁场中的铁磁材料受到 机械力的作用时,在它的内部产生应变,从而产生应力o,导致磁导率ii发生变化。当铁 磁材料上同时绕有励磁线圈和测量线圈时,磁导率的变化将导致线圈间耦合系数的变化, 从而使输出电势发生变化。通过相应的测量电路,就可以根据输出的量值来衡量外作用力。能够产生强压磁效应,并用来测力的铁磁材料被称为压磁材料。
[0022] 传感器的磁路分析如图4所示。当励磁线圈K通入具有一定频率的交流电I时, 便在励磁线圈中产生了交变磁通①。根据磁路定律,磁路中的瞬时磁通为:
[0023]
[0024]
<formula>formula see original document page 5</formula>[0025] 而£| = M = V^iV, sin 2;^ = Vli^ sin
[0026] 式中,ei——磁动势,e, = = V^AV' sin , ^为励磁电流强度,^为励磁线圈 匝数,f为励磁电流的频率,t为时间;
[0027] Rab、Rbc、Rcd、Rd
[0028] lab、 lbc、 lcd、 ld
[0029] sab、 sbc、 scd、 S
[0030] iiab、 iibc、 iic 时,各段磁导率相等。
[0031] 2.传感器输出方程
[0032] 根据法拉第电磁感应定律知,领
[0033] g, = _W, -r
-封闭磁路中各段磁阻; -封闭磁路中相应各段长度,其中lab = -封闭磁路中相应各段截面积其中sb
1",
—Ida 5 Sg, Sc
-封闭磁路中相应各段的磁导率,当传感器未受载荷作用
t线圈中的瞬时电动势为
(2)
-检测线圈瞬时电动势;
J线圈匝数; !U线圈瞬时磁通c
[0034] 式中,e广
[0035] N2-检劲
[0036] (J)-检;
[0037] 根据压磁效应,当被磁化的压磁材料受到应力作用时,由于磁致伸縮的各向异性, 拉应力将使、为正的材料磁化方向转向拉应力的平行方向,即与拉应力平行方向的磁导 率增大(磁阻减小),而在与拉应力垂直方向难以磁化,即与拉应力垂直方向的磁导率减小 (磁阻增大);压应力的情况则相反。
[0038] 根据法拉第电磁感应定律知,测量线圈中的瞬时电动势为 [0039] e2 = -tV2 I
[0040] =
<formula>formula see original document page 5</formula>[0042] [0043] [0044] [0045]
[0046]
[0047] [0048] [0049]
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中,e2——检测线圈瞬时电动势; N2——检测线圈匝数; 小——检测线圈瞬时磁通。 <formula>formula see original document page 6</formula>
[0050] 五.
[0051]
因此,传感器检测线圈中电动势的最大值可写为 E2 = (4)
则传感器检测线圈中电动势的有效值为:
传感器的检测线圈绕组输出端接有测量仪器和电路,可将其视为传感器检测线圈
2,
(5)
的有效负载,则检测线圈输出接线端子上的交流电压为
[0052]
[0053] =_ilill<formula>formula see original document page 6</formula>(6)
[0054] [0055] [0056] [0057]
[0058]
[0059]
[0060] [0061]
[0062]
[0063] [0064] [0065] [0066] [0067]
式中,&——负载的有效电阻; r2——检测线圈的有效阻抗; X2——检测线圈的无效阻抗。 通常可以认为轧制力为静态力,故上式为
<formula>formula see original document page 6</formula>
二、压磁材料选择及主要参数确定
压磁材料的相对磁导率变化与机械应力o之间有如下的关系: <formula>formula see original document page 6</formula>
式中o——机械应力; ii——压磁材料的磁导率; 入s——压磁材料的饱和磁致伸縮系数; Bs——压磁材料的饱和磁感应强度。
从(8)式可知,压磁材料要求饱和磁致伸縮系数、大、磁导率ii大和饱和磁感应强度Bs小。选择Ni50坡莫合金冲片作为压磁元件,其主要技术性能为: [0068] 饱和磁感应强度Bs = 0. 8T ;
[0069] 居里温度Tc = 480°C ;(可以在200°C〜250°C以下稳定工作)
[0070] 饱和磁致伸縮系数A s = 25 X lO—6 ;
[0071] 电阻率P = 80ii Q • cm ;
[0072] 最大导磁率ii > (1〜3) X 105。
[0073] 传感器的几何尺寸:
[0074] 长度h = 60mm ;
[0075] 宽度f = 40mm ;
[OO76] 厚度s = 0. 5mm〜1. 5mm (根据载荷大小确定); [0077] 磁极宽度e = 15mm ; [0078] 磁极长度1 = 30mm ; [OO79] 安装孔直径小=10mm ; [0080] 安装孔定位尺寸g = lOmrn。
[0081] 传感器的主要参数为励磁线圈和检测线圈的匝数K、 K,励磁电流强度I,磁场强 度H,其中磁场强度H对传感器的测量灵敏度影响最大。确定磁场强度H要使传感器工作在 最大磁导率和磁化曲线(B-H)的线性段。参考目前坡莫合金作为磁芯材料时通常所施加的 磁场强度H值,可以初步确定传感器的励磁磁场强度H = 0. 2-0. 5A/mm。当磁场强度H确定
后,可由下式求其它参数:
「 , Ar 2//(/ + 6) m、 [0082] VV,二——^~^ (9)
[0083] 式中,K为励磁线圈匝数;1为励磁电流强度。根据有关参考资料,当测力范围为 (1〜100) X1()5N时,励磁线圈的匝数为6-10匝,线圈的匝数为12-20匝。当励磁线圈匝数 K确定后,励磁电流强度I即可确定。 [0084] 三、传感器的标定及测量电路方案
[0085] 由(7)式可见,检测线圈的感应输出电压^二f(iO,而ii 二f(o),但在检测时, 要事先利用精度高一级的标准器具对传感器进行标定,从而确立传感器输出量和输入量之 间的对应关系,也就是确定U2 = f (i0 = f ( o )的具体表达式。
[0086] 本发明只进行静态标定即可。静态特性标定指标包括,线性度、灵敏度、滞后和重
复性等。
[0087] 图5所示为传感器的测量电路原理方框图,主要由电源、滤波装置,整流,运算电 路,输出和显示等几个部分组成。传感器的电源可根据对传感器响应速度的要求,选择不同 频率的电源。可用工频电源供电,也可用中频电源供电。为了提高测量精度,还可以考虑加 入稳压措施。滤波电路是为了提高测量精度而设置的。整流是把传感器输出的交流信号变 为直流信号,以便进行运算和输出。本发明只检测拉力,所以不需要相敏整流。运算电路是 把传感器所测得的信号根据需要进行放大和必要的运算(例如和,差运算),然后供给输出 电路。输出电路的输出方式有显示、输出控制信号或报警信号等多种方式。传感器测量电 路中有时还有补偿(或零位调整)及负载调整等附加电路。

Claims (4)

  1. 一种用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器,其特征在于:在机架立柱的侧面设有测力传感器,测力传感器沿机架立柱的中线竖向设置,测力传感器由厚度为0.3-0.6mm的坡莫合金片制成,坡莫合金片与机架立柱垂直设置,在坡莫合金片的中部开有条形孔,在条形孔两侧分别缠绕有励磁线圈N1和测量线圈N2,测力传感器的两端设有上、下夹紧头,测力传感器与上、下夹紧头之间设有绝缘橡胶垫,上、下夹紧头通过螺栓与上、下传力拉杆固定,上、下传力拉杆分别穿过装在机架上的支座,并在上、下拉杆的端部装有测力传感器预紧力调节螺母,测力传感器的安装上下对称设置。
  2. 2. 根据权利要求1所述的用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器,其特征在于:在 条形孔内侧缠绕的是测量线圈K,外侧缠绕的是励磁线圈K。
  3. 3. 根据权利要求1所述的用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器,其特征在于:传 力拉杆为阶梯轴,小轴端与大轴端的直径比为1 : 2〜10。
  4. 4. 根据权利要求1所述的用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器,其特征在于:励磁磁场强度H = 0. 2-0. 5A/mm,励磁线圈的匝数为6_10匝,测量线圈的匝数为12-20匝。
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