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

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

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

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；

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，收缩率就会大，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

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。

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。

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N₂，外侧缠绕的是励磁线圈N₁。

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。

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。

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σ，导致磁导率μ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：(1)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

图1为本发明的结构简图。

图2为图1的侧向视图。

图3为轧制力检测原理图。

图4为传感磁路分析简图。

图5为传感器的测量电路原理方框图。

具体实施方式

一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N₁和测量线圈N₂，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。

励磁线圈N₁和测量线圈N₂的设置：最好是在条形孔内侧缠绕测量线圈N₂，外侧缠绕励磁线圈N₁。

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。

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。

一、传感器原理

1.传感器磁路分析

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σ，导致磁导率μ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。

传感器的磁路分析如图4所示。当励磁线圈N₁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Φ。根据磁路定律，磁路中的瞬时磁通为：

$\mathrm{\φ}=\frac{e_1}{R_{\mathrm{ab}}+R_{\mathrm{bc}}+R_{\mathrm{cd}}+R_{\mathrm{da}}}$

$=\frac{e_1}{\frac{2l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}}+\frac{2l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}}=\frac{e_1}{\frac{2l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}\mathrm{se}}+\frac{2l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}\mathrm{sg}}}---\left(1\right)$

而 $e_1=i_1{N}_1=\sqrt{2}{N}_1{I}_1\sin 2\mathrm{\πft}=\sqrt{2}{N}_1{I}_1\sin \mathrm{\ωt}$

式中，e₁——磁动势，

I₁为励磁电流强度，N₁为励磁线圈匝数，f为励磁电流的频率，t为时间；

R_ab、R_bc、R_cd、R_da——封闭磁路中各段磁阻；

l_ab、l_bc、l_cd、l_da——封闭磁路中相应各段长度，其中l_ab＝l_cd，l_bc＝l_da；

s_ab、s_bc、s_cd、s_da——封闭磁路中相应各段截面积其中s_bc＝s_da＝sg，s_cd＝s_ab＝es；

μ_ab、μ_bc、μ_cd、μ_da——封闭磁路中相应各段的磁导率，当传感器未受载荷作用时，各段磁导率相等。

2.传感器输出方程

根据法拉第电磁感应定律知，测量线圈中的瞬时电动势为

$e_2=-N_2\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式中，e₂——检测线圈瞬时电动势；

N₂——检测线圈匝数；

φ——检测线圈瞬时磁通。

根据压磁效应，当被磁化的压磁材料受到应力作用时，由于磁致伸缩的各向异性，拉应力将使λ_s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。

根据法拉第电磁感应定律知，测量线圈中的瞬时电动势为

$e_2=-N_2\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$

$=-N_2\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{i_1{N}_1}{\frac{2l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{2l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}}}\right)---\left(3\right)$

$=\frac{\sqrt{2}{I}_1{N}_1{N}_2\mathrm{\ω}}{\frac{l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}}}(\cos \mathrm{\ωt}-\frac{\frac{2l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}^2{s}_{\mathrm{ab}}}\frac{d{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{dt}}}{\mathrm{\ω}(\frac{l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}})}\sin \mathrm{\ωt})$

$=K_1{K}_2\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

式中，e₂——检测线圈瞬时电动势；

N₂——检测线圈匝数；

φ——检测线圈瞬时磁通。

$K_1=\frac{\sqrt{2}{I}_1{N}_1{N}_2\mathrm{\ω}}{\frac{l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}}}$ $K_2=\sqrt{1+{\left(\frac{\frac{2l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}^2{s}_{\mathrm{ab}}}\frac{d{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{dt}}}{\mathrm{\ω}(\frac{l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}})}\right)}^2}=\sqrt{a^2+b^2}$ $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{a}{b}$

因此，传感器检测线圈中电动势的最大值可写为

E₂＝K₁K₂(4)

则传感器检测线圈中电动势的有效值为：

$E_{2\mathrm{mag}}=\frac{E_2}{\sqrt{2}}---\left(5\right)$

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的有效负载，则检测线圈输出接线端子上的交流电压为：

$U_2=\frac{E_{2\mathrm{mag}}{R}_L}{\sqrt{r_2^2+X_2^2}}$

$=\frac{I_1{N}_1{N}_2\mathrm{\ω}}{\frac{l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}}}\sqrt{1+{\left(\frac{\frac{2l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}^2{s}_{\mathrm{ab}}}\frac{d{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{dt}}}{\frac{\mathrm{\ω}{l}_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{\mathrm{\ω}{l}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}}}\right)}^2}\frac{R_L}{\sqrt{r_2^2+X_2^2}}---\left(6\right)$

式中，R_L——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：

$U_2=\frac{E_{2\mathrm{mag}}{R}_L}{\sqrt{r_2^2+X_2^2}}---\left(7\right)$

$=\frac{I_1{N}_1{N}_2\mathrm{\ω}}{\frac{l_{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bc}}{s}_{\mathrm{bc}}}+\frac{l_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}{s}_{\mathrm{ab}}}}\frac{R_L}{\sqrt{r_2^2+X_2^2}}$

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σ之间有如下的关系：

$\frac{\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\μ}}=\frac{2{\mathrm{\λ}}_S}{B_S^2}\mathrm{\σ\μ}---\left(8\right)$

式中σ——机械应力；

μ——压磁材料的磁导率；

λ_S——压磁材料的饱和磁致伸缩系数；

B_S——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缩系数λ_S大、磁导率μ大和饱和磁感应强度B_S小。选择Ni50坡莫合金冲片作为压磁元件，其主要技术性能为：

饱和磁感应强度Bs＝0.8T；

居里温度Tc＝480℃；(可以在200℃～250℃以下稳定工作)

饱和磁致伸缩系数λs＝25×10^-6；

电阻率ρ＝80μΩ·cm；

最大导磁率μ＞(1～3)×10⁵。

传感器的几何尺寸：

长度h＝60mm；

宽度f＝40mm；

厚度s＝0.5mm～1.5mm(根据载荷大小确定)；

磁极宽度e＝15mm；

磁极长度l＝30mm；

安装孔直径φ＝10mm；

安装孔定位尺寸g＝10mm。

传感器的主要参数为励磁线圈和检测线圈的匝数N₁、N₂，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：

$N_1=\frac{2H(l+b)}{I}---\left(9\right)$

式中，N₁为励磁线圈匝数；I为励磁电流强度。根据有关参考资料，当测力范围为(1～100)×10⁵N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N₁确定后，励磁电流强度I即可确定。

三、传感器的标定及测量电路方案

由(7)式可见，检测线圈的感应输出电压U₂＝f(μ)，而μ＝f(σ)，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(μ)＝f(σ)的具体表达式。

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。

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.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N₂，外侧缠绕的是励磁线圈N₁。

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.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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