CN102120256A - 用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法，包括：利用结晶器中沿与结晶器拉坯方向平行的第一方向放置的位移传感器，对结晶器拉坯方向上的振动的位移信号进行采样，并且基于所采样的位移信号获得振动的振动周期；利用在结晶器的一个侧面或相互平行的两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第二方向放置的加速度传感器，对结晶器在第二方向上的振动加速度进行采样；基于所获得的振动周期和所采样到的振动加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在第二方向上的振动的偏摆位移；以及基于所计算出的各个采样点时在第二方向上的振动的偏摆位移，拟合出结晶器在一个振动周期内在第二方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

Description

用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法及装置，该方法能够准确地拟合出结晶器的振动偏摆位移随时间变化的关系曲线。

背景技术

在冶金连铸过程中，结晶器是连铸机的重要部件，起到了心脏的作用。结晶器在振动时，按设定的振动曲线和振动参数周期性地改变钢水液面与结晶器壁的相对位置，防止铸坯在凝固过程中与结晶器钢板发生粘连而出现拉裂或拉漏事故，通过渣在结晶器壁的渗透，改变其润滑度，减少拉坯时的摩擦阻力和粘连的可能性，提高铸坯表面质量。因此，结晶器振动是影响连铸生产质量和产量的重要因素，具体地说，结晶器振动状态是否正常、振动状况是否良好，关系到生产过程是否会产生事故，并且与产品质量密切相关。

图1是示出与结晶器振动相关的几个方向的示意图。如图1所示，结晶器在Z轴方向上进行正弦或者非正弦振动是振动系统设定的功能需求。冶金工艺要求，结晶器在与Z轴方向相垂直的X轴和Y轴方向的振动偏移量越小越好，但是在实际生产过程中由于设备磨损等众多原因影响，结晶器在X轴和Y轴方向的振动会有一定的偏摆位移，严重时会对产品表面质量产生严重的不利影响，更严重地，会导致漏钢的发生。

目前在结晶器振动状态的监测方面，对拉坯方向振动状态监测以及工艺分析较多，例如正弦与非正弦振动工艺、振幅的选择、负滑脱时间的设定等，而对其它两个方向的振动偏摆关注较小。

因此，如何准确地监测结晶器在X轴和Y轴方向的振动偏摆并且避免由于在X轴和Y轴方向的振动偏摆位移影响连铸工艺的正常进行以及产品的质量，是当前急需解决的问题。

发明内容

基于以上问题，为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法，利用所述方法能够准确地测量出结晶器在与拉坯方相垂直的方向上振动的偏摆位移。

根据本发明的一个方面，一种用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法，包括：利用结晶器中沿与结晶器拉坯方向平行的第一方向放置的位移传感器，对结晶器拉坯方向上的振动的位移信号进行采样，并且基于所采样的位移信号获得所述振动的振动周期；利用在结晶器的一个侧面或相互平行的两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第二方向放置的加速度传感器，对结晶器在所述第二方向上的振动的加速度进行采样；基于所获得的振动周期和所采样到的结晶器在所述第二方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移；以及基于所计算出的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移，拟合出所述结晶器在一个振动周期内在所述第二方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

优选地，在进行加速度采样的步骤中还包括：利用在结晶器与所述一个侧面垂直的另一侧面或两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第三方向放置的加速度传感器，对结晶器在所述第三方向上振动的加速度进行采样；并且在计算偏摆位移的步骤中还包括根据采样到的结晶器在所述第三方向上振动的加速度以及所获得的振动周期，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在所述第三方向上的振动的偏摆位移；以及基于所计算出的各个采样点时在所述第三方向上的振动的偏摆位移，拟合出所述结晶器在一个振动周期内在所述第三方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

更优选地，基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整所述结晶器的工艺参数。

更优选地，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时的第二方向和第三方向上的偏摆位移的步骤包括：利用所采样到的在所述第二方向上振动的加速度，计算出在所述第二方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi，利用所采样到的在所述第三方向上的振动的加速度，计算出在所述第三方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_yi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_y0的增量ΔS_yi；基于上一振动周期的最后一个采样点时的位移增量以及采样时间间隔δt，计算出结晶器在所述第二方向上的第一个采样点时的速度V_x0和结晶器在所述第三方向上的第一个采样点时的速度V_y0；以及基于所计算出的各采样点的位移增量ΔS_xi、ΔS_yi、第一个采样点时在第二方向和第三方向上的速度V_x0、速度V_y0以及采样时间间隔δt，按照下述公式分别计算出结晶器在第i个采样点时在所述第二方向和第三方向上的振动的偏摆位移S_xi、S_yi，

S_xi＝S_x0+i*V_x0*δt+ΔS_xi，

S_yi＝S_y0+i*V_y0*δt+ΔS_yi

其中，i为大于等于零且小于等于N的整数，N为一个振动周期内的采样点总数。

更优选地，第i个采样点时在第二方向上的位移增量ΔS_xi以及在第三方向上的位移增量ΔS_yi是按照下述公式计算的：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

其中，k为大于等于零且小于等于i的任一整数，a_xi为第i个采样点时结晶器在所述第二方向上的加速度，a_yi为第i个采样点时结晶器在所述第三方向上的加速度，ΔV_xi是结晶器在所述第二方向上的第i个采样点时的速度V_xi相对于第一个采样点时的速度V_x0的增量，ΔV_yi是结晶器在所述第三方向上的第i个采样点时的速度V_yi相对于第一个采样点时的速度V_y0的增量。

更优选地，结晶器在所述第二方向上在第一个采样点时的速度V_x0，以及结晶器在所述第三方向上在第一个采样点时的速度V_y0按照下述公式计算：

$V_{x0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$ 公式7

$V_{y0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$ 公式8。

更优选地，对所述加速度和所述位移信号进行采样的采样频率为500Hz。

更优选地，在利用所述位移信号获得振动周期以及利用所采样到的第二方向和/或第三方向上的加速度信号计算偏摆位移之前，对所获得的位移信号和加速度信号进行数字滤波，并且利用数字滤波后的位移信号和加速度信号获得振动周期以及第二方向和/或第三方向上的偏摆位移。

根据本发明的另一个方面，一种用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化曲线的装置，包括：位移采样单元，所述位移采样单元在结晶器中沿与结晶器拉坯方向平行的第一方向放置，用于对结晶器拉坯方向上的振动的位移信号进行采样；振动周期获取单元，用于基于所采样的位移信号获得所述结晶器的振动的振动周期；加速度采样单元，所述加速度采样单元在结晶器的侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第二方向放置，用于对结晶器在所述第二方向上的振动的加速度进行采样；偏摆位移计算单元，用于基于所计算的振动周期和所采样到的结晶器在所述第二方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移；以及关系曲线生成单元，用于基于所计算出的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移，拟合出所述结晶器在一个振动周期内在所述第二方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

优选地，所述装置还包括调整单元，用于基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整所述结晶器的工艺参数。

更优选地，所述偏摆位移计算单元还包括：位移增量计算模块，用于利用所采样到的在所述第二方向和在结晶器与所述一个侧面垂直的另一侧面或两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第三方向上振动的加速度，分别计算出在所述第二方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi，以及在所述第二方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi；初始速度计算模块，用于基于上一振动周期的最后一个采样点时的位移增量以及采样时间间隔δt，计算出结晶器在所述第二方向上的第一个采样点时的速度V_x0和结晶器在所述第三方向上的第一个采样点时的速度V_y0；以及偏摆位移计算模块，用于基于所计算出的各采样点的位移增量ΔS_xi、ΔS_yi、第一个采样点时在第二方向和第三方向上的速度V_x0、速度V_y0以及采样时间间隔δt，按照下述公式分别计算出结晶器在第i个采样点时在所述第二方向和第三方向上的振动的偏摆位移S_xi、S_yi，

S_xi＝S_x0+i*V_x0*δt+ΔS_xi，

S_yi＝S_y0+i*V_y0*δt+ΔS_yi

其中，i为大于等于零且小于等于N的整数，N为一个振动周期内的采样点总数。

更优选地，第i个采样点时在第二方向上的位移增量ΔS_xi以及在第三方向上的位移增量ΔS_yi是按照下述公式计算的：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

其中，k为大于等于零且小于等于i的任一整数，a_xi为第i个采样点时结晶器在所述第二方向上的加速度，a_yi为第i个采样点时结晶器在所述第三方向上的加速度，ΔV_xi是结晶器在所述第二方向上的第i个采样点时的速度V_xi相对于第一个采样点时的速度V_x0的增量，ΔV_yi是结晶器在所述第三方向上的第i个采样点时的速度V_yi相对于第一个采样点时的速度V_y0的增量。

更优选地，结晶器在所述第二方向上在第一个采样点时的速度V_x0，以及结晶器在所述第三方向上在第一个采样点时的速度V_y0按照下述公式计算：

$V_{x0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$

$V_{y0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}.$

更优选地，所述装置还包括滤波单元，所述滤波单元在利用所述位移信号获得振动周期以及利用所采样到的第二方向和/或第三方向上的加速度信号计算偏摆位移之前，对所获得的位移信号和加速度信号进行数字滤波，并且利用数字滤波后的位移信号和加速度信号获得振动周期以及第二方向和/或第三方向上的偏摆位移。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

有益效果

利用本发明的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法，能够精确地拟合出结晶器振动过程中在与结晶器振动方向相垂直的方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线，以便基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整结晶器的工艺参数，从而确保连铸工艺的正常进行并且提高产品的质量。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是示出结晶器振动的示意图；

图2示出根据本发明实施例的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法的流程图；

图3示出了如何基于所获得的振动周期和所采样到的结晶器在与拉坯方向垂直的方向上的振动的加速度，计算结晶器在该方向上的振动的偏摆位移的过程的流程图；和

图4是示出根据本发明实施例的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化曲线的装置的方框示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

图1示出了结晶器振动的示意图。如图1所示，Z轴方向的负方向为结晶器的拉坯方向，X轴和Y轴方向为结晶器横向振动方向。在本发明的实施例中，在结晶器的一个或多个侧面沿着X轴和/或Y轴方向各放置一个或多个加速度传感器，对结晶器在X轴和/或Y轴方向的振动加速度(单位为m/s²)分别进行高速采样。同时，在结晶器中沿着Z轴方向的放置一个或多个位移传感器，对结晶器在Z轴方向振动的位移信号进行高速采样。

在本发明中，结晶器的振动是周期性的。换言之，假设结晶器在振动的初始时刻T₀时结晶器在X轴和Y轴方向振动的速度、振动的偏摆位移分别为V_x0和V_y0，S_x0和S_y0，在时刻T₀+T_p时在X轴和Y轴方向振动的加速度分别为a_x和a_y，在X轴和Y轴方向上的振动偏摆位移分别为S_x和S_y，其中T_P是结晶器的振动周期，则结晶器在时刻T₀+T_p时在X轴和Y轴方向上的振动加速度a_x和a_y相对于初始时刻T₀的加速度增量为0，在时刻T₀+T_p在X轴方向上的振动偏摆位移S_x相对于初始时刻T₀的振动偏摆位移S_x0的增量为0，在时刻T₀+T_p在Y轴方向上的振动偏摆位移S_y相对于初始时刻T₀的偏摆位移S_y0的增量为0，即，可以用下面的公式(1)表示结晶器在X轴方向的振动特征，用下面的公式(2)表示结晶器在Y轴方向的振动特征。

$\left\{\begin{array}{c}{\∫}_0^T{a}_x\mathrm{dt}=0\\ {\∫}_0^T{\∫}_0^T{a}_x{d}_{t1}{d}_{t2}=0\end{array}\right.$ 公式(1)

$\left\{\begin{array}{c}{\∫}_0^T{a}_y\mathrm{dt}=0\\ {\∫}_0^T{\∫}_0^T{a}_y{d}_{t1}{d}_{t2}=0\end{array}\right.$ 公式(2)

图2示出根据本发明实施例的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法的流程图。

如图2所示，首先，在步骤S210，利用结晶器中沿与结晶器拉坯方向平行的第一方向放置的位移传感器，对结晶器拉坯方向上的振动的位移信号进行采样，并且基于所采样的位移信号获得所述振动的振动周期。例如，在本实例中，利用在结晶器中沿着Z轴方向安装的位移传感器对结晶器在Z轴方向的位移信号进行高频采样，并且基于所采样的位移信号获得Z轴方向上振动的振动周期T_P。具体地，可以利用结晶器在Z轴方向进行的振动为比如正弦振动的周期性振动，通过所采样到的Z轴方向的多个位移数据拟合出沿Z轴方向的周期性振动位移曲线，从而根据所拟合出的振动位移曲线计算出结晶器在Z轴方向的振动周期为T_P。很显然，还可以采用本领域中公知的其它方式，根据所采样到的Z轴方向的多个位移数据来确定结晶器在Z轴方向上的振动周期T_P。此外，由于结晶器在X轴和Y轴方向的振动与在Z轴方向的振动具有相同的周期性，从而所获得的振动周期T_P实际上也是结晶器在X轴和Y轴方向的振动周期，从而得到结晶器在横向振动方向(即，X轴和Y轴方向)上的振动的振动周期T_P。

然后，在步骤S220，利用在结晶器的一个侧面或相互平行的两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第二方向放置的加速度传感器，对结晶器在所述第二方向上的振动的加速度进行采样。例如，利用在结晶器的一个侧面或相互平行的两个侧面沿着X轴或Y轴方向放置的加速度传感器对结晶器在X轴或Y轴方向上的振动的加速度进行高频采样。

然后，在步骤S230，基于所获得的振动周期和所采样到的结晶器在所述第二方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移。例如，基于所获得的振动周期T_P和所采样到的结晶器在X轴或Y轴方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期T_P内的各个采样点时在X轴方向或Y轴方向上的振动的偏摆位移。关于如何基于所获得的振动周期和所采样到的振动的加速度计算结晶器的偏摆位移，将在下面参照图3进行具体描述。

在获得各个采样点的偏摆位移后，在步骤S240，基于所计算出的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移，拟合出所述结晶器在一个振动周期内在所述第二方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。例如，基于所计算出的各个采样点时在X轴或Y轴方向上的振动的偏摆位移，拟合出结晶器在一个振动周期T_P内在X轴或Y轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

这里要说明的是，在本发明的另一示例中，根据本发明的方法还可以在步骤S220中，同时利用在结晶器的侧面沿着X轴和Y轴方向放置的加速度传感器对结晶器在X轴和Y轴方向上的振动的加速度进行高频采样。然后，在步骤S230中，基于所获得的振动周期和所采样到的结晶器在X轴和Y轴方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在X轴和Y轴方向上的振动的偏摆位移。然后，在步骤S240中，基于所计算出的各个采样点时在X轴和Y轴方向上的振动的偏摆位移，拟合出结晶器在一个振动周期内在X轴和Y轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

此外，优选地，在对Z轴方向的位移信号和X轴和Y轴方向上振动的加速度进行高频采样时，采用的采样频率是500Hz。此外，在替换实例中，所述采样频率可以采用其它合适的频率。

此外，在本发明的另一示例中，在拟合出偏摆位移随时间变化的关系曲线后，还可以基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整所述结晶器的工艺参数，从而可以在结晶器出现故障时，及时进行调整，由此提高钢坯的良品率。

下面将参照图3具体描述如何基于所获得的振动周期和所采样到的振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时的振动的偏摆位移的过程。

首先，在步骤S310中，利用所采样到的在X轴方向上振动的加速度，计算出在X轴方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi，利用所采样到的在Y轴方向上的振动的加速度，计算出在Y轴方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_yi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_y0的增量ΔS_yi。

接着，在步骤S320中，基于上一振动周期的最后一个采样点时的位移增量以及采样时间间隔δt，计算出结晶器在X轴方向上的第一个采样点时的速度V_x0和结晶器在Y轴方向上的第一个采样点时的速度V_y0。

最后，在步骤S330中，基于所计算出的各采样点的位移增量ΔS_xi、ΔS_yi、第一个采样点时在X轴方向和Y轴方向上的速度V_x0、速度V_y0以及采样时间间隔δt，按照下述公式分别计算出结晶器在第i个采样点时在X轴方向和X轴方向上的振动的偏摆位移S_xi、S_yi，

S_xi＝S_x0+i*V_x0*δt+ΔS_xi，

S_yi＝S_y0+i*V_y0*δt+ΔS_yi

其中，i为大于等于零且小于等于N的整数，N为一个振动周期内的采样点总数。

下面以结晶器在X轴方向的振动为例进行详细说明。

如上所述，结晶器的振动周期为T_P，利用数据离散化特征，假设采样的时间间隔为δt，在一个振动周期T_P内的采样总数为N，则N＝T_P/δt+1，i为大于等于零且小于等于N的任一整数。由此可以按照公式(3)得到结晶器在第i个采样点时的速度V_xi相对于第一个采样点时的速度V_x0的增量ΔV_xi，其中，a_xi为结晶器振动的加速度的采样数据，k为大于等于零且小于等于i的任一整数：

ΔV_xi＝ΔV_xi-1+a_xi*δt，i＝0～N-1公式(3)；

即， $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1              公式(4)；

根据上述公式，可以按照公式(5)计算在结晶器在第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的增量ΔS_xi：

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xk}},i=0~N-1$ 公式(5)；

利用上述在一个振动周期内第i采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点的偏摆位移S_x0的增量ΔS_xi，可以得到在i*δt时刻的第i个采样数据点的偏摆位移S_xi为：

S_xi＝S_x0+i*V_x0*δt+ΔS_xi           公式(6)

S_xN-1＝S_x0+(N-1)*V_x0*δt+ΔS_xN-1   公式(7)

由于在一个振动周期T结束时，S_x0与S_xN-1的相对位移为0，即：S_xN-1＝＝S_x0。

因此，带入公式(7)可以得到：

$V_{x0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$ 公式(8)

通过上述公式即可计算出速度V_x0。S_x0的确定不影响偏摆位移曲线本身的相对性，因此计算出速度V_x0后，再结合测量到的加速度值即可获得结晶器在X轴方向的偏摆位移曲线。

令S_x0＝0，带入公式(6)即可计算各个采样点时的偏摆位移，从而拟合出结晶器在一个振动周期内在X轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

本领域技术人员显而易见的是，在本发明的其它实施例中，也可以采用与上述方法不同的方法计算出在一个振动周期内在X轴方向或Y轴方向上第i采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点的偏摆位移S_x0的增量ΔS_xi以及第一个采样点的速度V_x0。

利用与上述用于确定结晶器在X轴方向上振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法相同的方法，也可以拟合出结晶器在Y轴方向上振动的偏摆位移随时间变化的关系曲线，在此，省略其具体描述。

此外，优选的是，可以将上述用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法与数字滤波相结合，从而能够更精确地拟合出结晶器振动周期内在X轴和Y轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。由于现场所采集的信号中存在噪声，而该噪声会对本身不大的偏摆位移的计算结果产生偏差，因此首先进行利用数字滤波对所采样的在Z轴方向上的位移信号以及在X轴和Y轴方向上的加速度信号进行去除噪声的处理，然后再基于滤波后的所采样的位移信号和加速度信号，利用上述方法可以更精确地拟合出结晶器振动过程中在X轴和Y轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。而且采用软件滤波方式无需额外增加硬件，成本较低。

如上参照图2和图3描述了根据本发明的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法。本发明的上述用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法，可以采用软件实现，也可以采用硬件实现，或采用软件和硬件组合的方式实现。

图4是示出根据本发明实施例的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化曲线的关系曲线确定装置400的方框示意图。如图4所示，所述关系曲线确定装置400可以包括位移采样单元410、振动周期获取单元420、加速度采样单元430、偏摆位移计算单元440以及关系曲线生成单元450。

具体地，位移采样单元410在结晶器中沿与结晶器拉坯方向平行的第一方向放置，用于对结晶器拉坯方向上的振动的位移信号进行采样。例如，位移采样单元410可以在结晶器中沿Z轴方向放置，对结晶器在Z轴方向上的振动的位移信号进行采样。

在获得位移信号后，振动周期获取单元420可以基于所采样的位移信号获得结晶器的振动的振动周期。例如，可以利用结晶器在Z轴方向进行的振动为比如正弦振动的周期性振动，通过所采样到的Z轴方向的多个位移数据拟合出沿Z轴方向的周期性振动位移曲线，从而根据所拟合出的振动位移曲线计算出结晶器在Z轴方向的振动周期为T_P。此外，由于结晶器在X轴和Y轴方向的振动与在Z轴方向的振动具有相同的周期性，从而所获得的振动周期T_P实际上也是结晶器在X轴和Y轴方向的振动周期T_P。

加速度采样单元430在结晶器的侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的X轴方向放置，用于对结晶器在X轴方向上的振动的加速度进行采样。例如，加速度采样单元430可以在结晶器的侧面沿X轴或Y轴方向放置，用于对结晶器在该方向上的振动的加速度进行采样。在本发明的其它实例中，加速度采样单元430也可以在结晶器的侧面沿X轴和Y轴方向放置，用于对结晶器在X轴和Y轴方向上的振动的加速度进行采样。

偏摆位移计算单元.440可以基于所计算的振动周期和所采样到的结晶器在X轴方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在X轴方向上的振动的偏摆位移。例如，偏摆位移计算单元.440可以基于所计算的振动周期和所采样到的结晶器在X轴方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在X轴方向上的振动的偏摆位移。在本发明的其它实例中，偏摆位移计算单元.440可以基于所计算的振动周期和所采样到的结晶器在X轴和Y轴方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在X轴和Y轴方向上的振动的偏摆位移。

关系曲线生成单元450可以基于所计算出的各个采样点时在X轴方向上的振动的偏摆位移，拟合出结晶器在一个振动周期内在X轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。例如，关系曲线生成单元450基于所计算出的各个采样点时在X轴方向上的振动的偏摆位移，拟合出结晶器在一个振动周期内在X轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。在本发明的其它实例中，关系曲线生成单元450可以基于所计算出的各个采样点时在X轴和Y轴方向上的振动的偏摆位移，拟合出结晶器在一个振动周期内在X轴和Y轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

在本发明的其它实例中，装置400还可以包括调整单元(未示出)，用于基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整结晶器的工艺参数。

在本发明的其它实例中，偏摆位移计算单元.440可以进一步包括位移增量计算模块(未示出)、初始速度计算模块(未示出)和偏摆位移计算模块(未示出)。

如上所述，结晶器的振动周期为T_P，利用数据离散化特征，假设采样的时间间隔为δt，在一个振动周期T_P内的采样总数为N，则N＝T_P/δt+1，i为大于等于零且小于等于N的任一整数。位移增量计算模块用于利用所采样到的在X轴方向和在结晶器与所述一个侧面垂直的另一侧面或两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的Y轴方向上振动的加速度，分别计算出在X轴方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi，以及在Y轴方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_yi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_y0的位移增量ΔS_yi。在本发明的实施例中，第i个采样点时在X轴方向上的位移增量ΔS_xi以及在Y轴方向上的位移增量ΔS_yi是按照下述公式计算的：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1公式(4)；

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1公式(5)；

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1公式(9)；

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1公式(10)；

其中，k为大于等于零且小于等于i的任一整数，a_xi为第i个采样点时结晶器在X轴方向上的加速度，a_yi为第i个采样点时结晶器在Y轴方向上的加速度，ΔV_xi是结晶器在X轴方向上的第i个采样点时的速度V_xi相对于第一个采样点时的速度V_x0的增量，ΔV_yi是结晶器在Y轴方向上的第i个采样点时的速度V_yi相对于第一个采样点时的速度V_y0的增量。

初始速度计算模块用于基于上一振动周期的最后一个采样点时的位移增量以及采样时间间隔δt，计算出结晶器在X轴方向上的第一个采样点时的速度V_x0和结晶器在Y轴方向上的第一个采样点时的速度V_y0。在本发明的实施例中，结晶器在X轴方向上在第一个采样点时的速度V_x0，以及结晶器在Y轴方向上在第一个采样点时的速度V_y0按照下述公式计算：

$V_{x0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$ 公式(8)

$V_{y0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$ 公式(11)。

偏摆位移计算模块用于基于所计算出的各采样点的位移增量ΔS_xi、ΔS_yi、第一个采样点时在X轴方向和Y轴方向上的速度V_x0、速度V_y0以及采样时间间隔δt，按照下述公式分别计算出结晶器在第i个采样点时在X轴方向和Y轴方向上的振动的偏摆位移S_xi、S_yi，

S_xi＝S_x0+i*V_x0*δt+ΔS_xi，        公式(6)

S_xN-1＝S_x0+(N-1)*V_x0*δt+ΔS_xN-1  公式(7)

S_yi＝S_y0+i*V_y0*δt+ΔS_yi          公式(12)

S_yN-1＝S_y0+(N-1)*V_y0*δt+ΔS_yN-1  公式(13)

其中，i为大于等于零且小于等于N的整数。

由于在一个振动周期T结束时，S_x0与S_xN-1的相对位移为0，即：S_xN-1＝＝S_x0。

因此，带入公式(7)可以得到：

$V_{x0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$ 公式(8)

同理，S_yN-1＝＝S_y0。带入公式(13)可以得到：

$V_{y0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$ 公式(14)

通过上述公式即可计算出速度V_x0。S_x0的确定不影响偏摆位移曲线本身的相对性，因此计算出速度V_x0后，再结合测量到的加速度值即可获得结晶器在X轴方向的偏摆位移曲线。

令S_x0＝0，带入公式(6)即可计算各个采样点时的偏摆位移，从而拟合出结晶器在一个振动周期内在X轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

利用同样的方法，通过上述公式(14)即可计算出速度V_y0。然后，再结合测量到的加速度值即可获得结晶器在Y轴方向的偏摆位移曲线。

令S_y0＝0，带入公式(12)即可计算各个采样点时的偏摆位移，从而拟合出结晶器在一个振动周期内在Y轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

在本发明的其它实施例中，装置400还可以包括滤波单元(未示出)，所述滤波单元在利用位移信号获得振动周期以及利用所采样到的X轴方向和/或Y轴方向上的加速度信号计算偏摆位移之前，对所获得的位移信号和加速度信号进行数字滤波，并且利用数字滤波后的位移信号和加速度信号获得振动周期以及X轴方向和/或Y轴方向上的偏摆位移。

综上所述，利用本发明的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法及采用所述方法的装置，能够精确地拟合出结晶器振动过程中在X轴和Y轴方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线，以便基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整结晶器的工艺参数，诸如结晶器的冷却强度、拉坯速度等，从而确保连铸工艺的正常进行并且提高产品的质量。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。

尽管已经结合详细示出并描述的优选实施例公开了本发明，但是本领域技术人员应当理解，对于上述根据本发明的用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法及装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种修改和变形。这些修改和变形落在本发明的保护范围之内，并且本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (14)

1.一种用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化关系的方法，包括：

利用结晶器中沿与结晶器拉坯方向平行的第一方向放置的位移传感器，对结晶器拉坯方向上的振动的位移信号进行采样，并且基于所采样的位移信号获得所述振动的振动周期；

利用在结晶器的一个侧面或相互平行的两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第二方向放置的加速度传感器，对结晶器在所述第二方向上的振动的加速度进行采样；

基于所获得的振动周期和所采样到的结晶器在所述第二方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移；以及

基于所计算出的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移，拟合出所述结晶器在一个振动周期内在所述第二方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，在进行加速度采样的步骤中还包括：

利用在结晶器与所述一个侧面垂直的另一侧面或两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第三方向放置的加速度传感器，对结晶器在所述第三方向上振动的加速度进行采样；并且

在计算偏摆位移的步骤中还包括根据采样到的结晶器在所述第三方向上振动的加速度以及所获得的振动周期，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在所述第三方向上的振动的偏摆位移；以及

基于所计算出的各个采样点时在所述第三方向上的振动的偏摆位移，拟合出所述结晶器在一个振动周期内在所述第三方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括：

基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整所述结晶器的工艺参数。

4.按照权利要求2所述的测量方法，其中，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时的第二方向和第三方向上的偏摆位移的步骤包括：

利用所采样到的在所述第二方向上振动的加速度，计算出在所述第二方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi，

利用所采样到的在所述第三方向上的振动的加速度，计算出在所述第三方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_yi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_y0的增量ΔS_yi；

基于上一振动周期的最后一个采样点时的位移增量以及采样时间间隔δt，计算出结晶器在所述第二方向上的第一个采样点时的速度V_x0和结晶器在所述第三方向上的第一个采样点时的速度V_y0；以及

基于所计算出的各采样点的位移增量ΔS_xi、ΔS_yi、第一个采样点时在第二方向和第三方向上的速度V_x0、速度V_y0以及采样时间间隔δt，按照下述公式分别计算出结晶器在第i个采样点时在所述第二方向和第三方向上的振动的偏摆位移S_xi、S_yi，

S_xi＝S_x0+i*V_x0*δt+ΔS_xi，

S_yi＝S_y0+i*V_y0*δt+ΔS_yi

其中，i为大于等于零且小于等于N的整数，N为一个振动周期内的采样点总数。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，第i个采样点时在第二方向上的位移增量ΔS_xi以及在第三方向上的位移增量ΔS_yi是按照下述公式计算的：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

其中，k为大于等于零且小于等于i的任一整数，a_xi为第i个采样点时结晶器在所述第二方向上的加速度，a_yi为第i个采样点时结晶器在所述第三方向上的加速度，ΔV_xi是结晶器在所述第二方向上的第i个采样点时的速度V_xi相对于第一个采样点时的速度V_x0的增量，ΔV_yi是结晶器在所述第三方向上的第i个采样点时的速度V_yi相对于第一个采样点时的速度V_y0的增量。

6.按照权利要求5所述的方法，其中，结晶器在所述第二方向上在第一个采样点时的速度V_x0，以及结晶器在所述第三方向上在第一个采样点时的速度V_y0按照下述公式计算：

$V_{x0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$

$V_{y0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}.$

7.按照权利要求1所述的方法，其中，对所述加速度和所述位移信号进行采样的采样频率为500Hz。

8.按照权利要求1至7任一权利要求所述的方法，其中，在利用所述位移信号获得振动周期以及利用所采样到的第二方向和/或第三方向上的加速度信号计算偏摆位移之前，对所获得的位移信号和加速度信号进行数字滤波，并且利用数字滤波后的位移信号和加速度信号获得振动周期以及第二方向和/或第三方向上的偏摆位移。

9.一种用于确定结晶器振动的偏摆位移随时间的变化曲线的装置，包括：

位移采样单元，所述位移采样单元在结晶器中沿与结晶器拉坯方向平行的第一方向放置，用于对结晶器拉坯方向上的振动的位移信号进行采样；

振动周期获取单元，用于基于所采样的位移信号获得所述结晶器的振动的振动周期；

加速度采样单元，所述加速度采样单元在结晶器的侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第二方向放置，用于对结晶器在所述第二方向上的振动的加速度进行采样；

偏摆位移计算单元，用于基于所计算的振动周期和所采样到的结晶器在所述第二方向上振动的加速度，计算结晶器在一个振动周期内的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移；以及

关系曲线生成单元，用于基于所计算出的各个采样点时在所述第二方向上的振动的偏摆位移，拟合出所述结晶器在一个振动周期内在所述第二方向上的偏摆位移随时间变化的关系曲线。

10.一种按照权利要求9所述的装置，还包括调整单元，用于基于所拟合出的偏摆位移随时间变化的关系曲线，调整所述结晶器的工艺参数。

11.一种按照权利要求9所述的装置，其中，所述偏摆位移计算单元还包括：

位移增量计算模块，用于利用所采样到的在所述第二方向和在结晶器与所述一个侧面垂直的另一侧面或两个侧面沿与结晶器拉坯方向垂直的第三方向上振动的加速度，分别计算出在所述第二方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi，以及在所述第二方向上的第i个采样点时的偏摆位移S_xi相对于第一个采样点时的偏摆位移S_x0的位移增量ΔS_xi；

初始速度计算模块，用于基于上一振动周期的最后一个采样点时的位移增量以及采样时间间隔δt，计算出结晶器在所述第二方向上的第一个采样点时的速度V_x0和结晶器在所述第三方向上的第一个采样点时的速度V_y0；以及

偏摆位移计算模块，用于基于所计算出的各采样点的位移增量ΔS_xi、ΔS_yi、第一个采样点时在第二方向和第三方向上的速度V_x0、速度V_y0以及采样时间间隔δt，按照下述公式分别计算出结晶器在第i个采样点时在所述第二方向和第三方向上的振动的偏摆位移S_xi、S_yi，

S_xi＝S_x0+i*V_x0*δt+ΔS_xi，

S_yi＝S_y0+i*V_y0*δt+ΔS_yi

其中，i为大于等于零且小于等于N的整数，N为一个振动周期内的采样点总数。

12.按照权利要求11所述的装置，其中，第i个采样点时在第二方向上的位移增量ΔS_xi以及在第三方向上的位移增量ΔS_yi是按照下述公式计算的：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

$\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{\δt}*\underset{k=0}{\overset{k=i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{yk}},$ i＝0～N-1

其中，k为大于等于零且小于等于i的任一整数，a_xi为第i个采样点时结晶器在所述第二方向上的加速度，a_yi为第i个采样点时结晶器在所述第三方向上的加速度，ΔV_xi是结晶器在所述第二方向上的第i个采样点时的速度V_xi相对于第一个采样点时的速度V_x0的增量，ΔV_yi是结晶器在所述第三方向上的第i个采样点时的速度V_yi相对于第一个采样点时的速度V_y0的增量。

13.按照权利要求12所述的装置，其中，结晶器在所述第二方向上在第一个采样点时的速度V_x0，以及结晶器在所述第三方向上在第一个采样点时的速度V_y0按照下述公式计算：

$V_{x0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{xN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}$

$V_{y0}=-\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{yN}-1}}{(N-1)\mathrm{\δt}}.$

14.一种按照权利要求9至13中任一权利要求所述的装置，还包括滤波单元，所述滤波单元在利用所述位移信号获得振动周期以及利用所采样到的第二方向和/或第三方向上的加速度信号计算偏摆位移之前，对所获得的位移信号和加速度信号进行数字滤波，并且利用数字滤波后的位移信号和加速度信号获得振动周期以及第二方向和/或第三方向上的偏摆位移。

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