CN108693062A - 一种光电式轧辊磨损度在线检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电式轧辊磨损度在线检测方法及装置，属于热轧检测技术领域。该装置包括光电检测模块、信号处理模块和人机交互模块；光电检测模块包括光源、光纤、传感器探头和光电探测器；人机交互模块包括上位机和移动终端。光源发出的光经光纤传送到各传感器探头，各传感器探头获取待测轧辊辊面反射的光信号并传输给光电探测器，将光信号转换成电信号，传输给信号处理模块进行滤波和放大后，经数据采集卡采集传输到上位机，得到轧辊磨损度的实时测量结果；如果上位机根据实时测量结果判断轧辊磨损度超过设定的磨损极限量，则向轧机控制系统发送报警信号。本发明提高了生产率和产品质量、降低了生产成本和废品率，并且有助于轧制计划的制定。
Description
技术领域
本发明属于热轧检测技术领域，尤其涉及一种光电式轧辊磨损度在线检测方法及装置。
背景技术
中国是世界钢铁制造中心；在我国，轧机和轧辊的数量巨大；轧辊作为轧机的主要加工和消耗部件之一，是整个轧机比较容易损坏的部分。
热轧中轧辊的磨损程度对轧制过程和轧制结果有着重要的影响；轧辊的磨损会直接改变原始辊型，进而造成辊缝的变化，对板带钢的厚度设定、控制精度以及板形均造成不利影响，最终导致产品质量的降低；而且轧辊的磨损程度也会影响轧制计划的制定，决定了轧钢生产整个工艺过程的连续性和稳定性；此外，如果不对轧辊的磨损度加以重视，还会造成企业生产成本的增加。因此，实时了解轧辊的磨损度是保证板带钢生产质量的关键。
目前，解决轧辊磨损对产品质量的影响还停留在定期更换和修磨轧辊，但是由于换辊的周期固定，在轧制周期内不能及时掌握轧辊磨损度的实时变化，使板带钢的质量很难保证。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光电式轧辊磨损度在线检测方法及装置，能够在轧制过程中及时获取轧辊磨损度数据。
所述的光电式轧辊磨损度在线检测装置，包括：光电检测模块、信号处理模块和人机交互模块；其中，光电检测模块和信号处理模块共同构成了测量模块。
光电检测模块包括光源、光纤、传感器探头和光电探测器；其中，传感器探头包括检测传感器探头和参考传感器探头；
所述的检测传感器探头和参考传感器探头均设计为光收发一体型，包括封装在一起的单模光纤和大芯径光纤；其中单模光纤位于中心作为发射端，周围环绕若干大芯径光纤作为接收端；
若干检测传感器探头均沿轧辊的轴向方向排列在一条直线上，且正对与轧件接触的被测轧辊表面上方；参考传感器探头共两个，与检测传感器探头位于一条直线上，且安装在不与轧件接触的被测轧辊表面上方两端；
各探头与待测轧辊表面的径向距离根据入射光纤的光功率和光电探测器的接收光功率由朗伯-比尔定律计算得到，并在此基础上，根据实验结果进行修正。
光源发出的光经光纤传送到检测传感器探头和参考传感器探头，检测传感器探头感知获取轧辊辊面的变化，轧辊辊面变化引起检测传感器探头接收到的光信号发生变化，检测传感器探头将接收到的发生变化的光信号经光纤发送给光电探测器，光电探测器负责信号转换，将接收到的光信号转换成电信号，并传输给信号处理模块；参考传感器探头将接收到的反射光信号经光纤发送给光电探测器，光电探测器负责信号转换，将接收到的光信号转换成电信号，并传输给信号处理模块。
信号处理模块由信号处理电路构成，所述的信号处理电路包括滤波电路、放大电路和数据采集卡，经过滤波电路和放大电路后的电信号，被数据采集卡采集并传输到人机交互模块。
人机交互模块包括上位机和移动终端；上位机对数据采集卡上传的数据进行进一步的处理，通过比较分析检测传感器探头和参考传感器探头的接收数据，得到轧辊磨损度的实时测量结果。
上位机和移动终端均能控制在线检测装置的启停，并实时显示当前时刻轧辊的磨损度以及磨损度随时间的变化曲线。如果轧辊磨损度超过设定的磨损极限量，上位机将向轧机控制系统发送报警信号。
所述的光电式轧辊磨损度在线检测方法，具体步骤如下：
步骤一、针对待测轧辊，根据轧辊磨损度经验曲线，确定各检测传感器探头和各参考传感器探头安装的位置和数量；
具体为：
步骤101、针对被测轧辊，根据该轧辊的磨损度经验曲线，检测磨损最为严重的一个或几个区域；
步骤102、针对磨损区域安装若干检测传感器探头，每个检测传感器探头均平行于被测轧辊表面，且沿轧辊的轴向位置安装；
安装数量、间距以及排列方式均根据轧辊的磨损度经验曲线人为设定。
步骤103、根据朗伯-比尔定律，利用光电探测器结合入射光纤发出的光功率大小和光电探测器的接收光功率，计算各检测和参考传感器探头的径向安装距离的理论值，并结合实验进行修正，最终建立检测和参考传感器探头到轧辊辊面的距离变化与接收光功率之间关系的数学模型。
径向安装距离是指检测传感器探头和参考传感器探头与待测轧辊表面之间的垂直距离；
朗伯-比尔定律公式如下：
b＝lg(I入/I出)/KC
I入为入射光强度；I出为出射光强度；K是摩尔吸收系数；C是空气介质的浓度。
步骤104、在被测轧辊表面上方两端，不与轧件接触的位置，分别各安装一个参考传感器探头，且与检测传感器探头位于一条直线上；在每个传感器探头附近各放置一个温度传感器；
温度传感器的作用是建立温度补偿模型，减小不同温度下的接收光信号变化对检测结果的影响。
将两端的参考传感器探头测量得到的数据作为参考数据，与测量点测量得到的数据进行比较，消除轧辊振动、回转振动和台架的热变形引起的误差。
步骤二、光源发出的光经光纤传送到各检测传感器探头和参考传感器探头，各检测传感器探头和参考传感器探头获取待测轧辊辊面所反射的光信号并传输给光电探测器；
检测传感器探头和参考传感器探头均由单模光纤和一圈围绕单模光纤的大芯径光纤构成，单模光纤前端放置一块透镜，所有的光纤前端共用一块透镜，透镜的焦点在单模光纤的纤芯。光经由单模光纤出射，反射回来的光由大芯径光纤接收。
检测传感器探头感知获取轧辊辊面的变化，轧辊辊面变化引起检测传感器探头接收到的光信号发生变化，检测传感器探头将接收到的发生变化的光信号经光纤发送给光电探测器。参考传感器探头将接收到的反射光信号经光纤发送给光电探测器。
步骤三、光电探测器接收各检测传感器探头和参考传感器探头的光信号并转换成电信号，传输给信号处理模块。
步骤四、信号处理模块对电信号进行滤波和放大后，经数据采集卡采集传输到上位机。
步骤五、上位机进行进一步处理后，通过比较分析检测传感器探头和参考传感器探头的接收数据，得到轧辊磨损度的实时测量结果；
实时测量结果指当前时刻轧辊的磨损度，并且上位机显示磨损度随时间的变化曲线。
步骤六、上位机根据实时测量结果判断轧辊磨损度是否超过设定的磨损极限量，如果是，上位机向轧机控制系统发送报警信号；否则，上位机不予处理。
本发明的优点在于：
1)、一种光电式轧辊磨损度在线检测装置，可以实现在热轧环境下，对板带钢轧机工作辊的磨损度进行在线测量，减少更换工作辊次数，提高生产率和产品质量、降低生产成本和废品率，并且有助于轧制计划的制定。
2)、一种光电式轧辊磨损度在线检测装置，采用分布式的测量方式，结合轧辊磨损度的经验曲线，确定传感器探头的安装位置，固定安装传感器探头，可以避免扫描式的测量方式带来的运动机构误差。
3)、一种光电式轧辊磨损度在线检测方法，可以实现在热轧环境下，非接触的在线测量。
附图说明
图1是本发明一种光电式轧辊磨损度在线检测装置的结构示意图；
图2是本发明一种光电式轧辊磨损度在线检测装置中传感器探头的局部放大图；
图3是本发明一种光电式轧辊磨损度在线检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
本发明一种光电式轧辊磨损度在线检测方法及装置，首先根据轧辊磨损度的经验曲线，确定传感器探头的个数和轴向安装位置，结合所选用的光电探测器的灵敏度，确定光源的功率；然后根据朗伯-比尔定律，结合入射光纤发出的光功率和光电探测器的接收光功率的大小，计算得到探头的工作距离即径向安装位置的理论值，并结合实验进行修正，最终建立传感器探头到辊面的距离变化与接收光功率之间关系的数学模型；信号处理部分将接收到的电信号进行滤波、放大等处理后，由数据采集卡采集后送入上位机进行后续处理。
上位机和移动终端都能够实现控制检测系统的启停，实时显示当前时刻轧辊的磨损度以及磨损度随时间的变化曲线，并提供历史数据查看功能。当轧辊接近或超过磨损的极限量时，上位机自动发出报警信号给轧机控制系统。
所述的光电式轧辊磨损度在线检测装置，如图1所示，包括：光电检测模块、信号处理模块和人机交互模块；其中，光电检测模块和信号处理模块共同构成了测量模块。
光电检测模块包括光源、光纤、传感器探头和光电探测器；传感器探头包括检测传感器探头和参考传感器探头；
所述的检测传感器探头和参考传感器探头均设计为光收发一体型，如图2所示，包括封装在一起的单模光纤和大芯径光纤；其中单模光纤位于中心作为发射端，周围环绕若干大芯径光纤作为接收端。
若干检测传感器探头均沿轧辊的轴向方向排列在一条直线上，且正对与轧件接触的被测轧辊表面上方；参考传感器探头共两个，与检测传感器探头位于一条直线上，且安装在不与轧件接触的被测轧辊表面上方两端。
传感器的轴向安装位置是指传感器探头平行于轧辊表面且沿轧辊轴向的位置，结合被测轧辊的磨损度经验曲线，确定磨损最为严重的一个或几个区域，然后固定安装一定数量的传感器探头，探头的数量、间距和排列方式将根据磨损度经验曲线确定。
传感器的径向安装位置指的是传感器探头与轧辊表面的初始距离，也就是传感器探头的工作距离。各探头与待测轧辊表面的径向距离根据入射光纤的光功率和光电探测器的接收光功率由朗伯-比尔定律计算得到，并在此基础上，根据实验结果进行修正。
光源发出的光经光纤传送到检测传感器探头和参考传感器探头，检测传感器探头感知获取轧辊辊面的变化，轧辊辊面变化引起检测传感器探头接收到的光信号发生变化，检测传感器探头将接收到的发生变化的光信号经光纤发送给光电探测器，光电探测器负责信号转换，将接收到的光信号转换成电信号，并传输给信号处理模块；参考传感器探头将接收到的反射光信号经光纤发送给光电探测器，光电探测器负责信号转换，将接收到的光信号转换成电信号，并传输给信号处理模块。
信号处理模块由信号处理电路构成，所述的信号处理电路包括滤波电路、放大电路和数据采集卡，经过滤波电路和放大电路后的电信号，被数据采集卡采集并传输到人机交互模块。
人机交互模块包括上位机和移动终端；上位机对数据采集卡上传的数据进行进一步的处理，通过比较分析检测传感器探头和参考传感器探头的接收数据，得到轧辊磨损度的实时测量结果。
上位机和移动终端均能控制在线检测装置的启停，并实时显示当前时刻轧辊的磨损度以及磨损度随时间的变化曲线，并提供历史数据查看功能。如果轧辊磨损度接近或超过设定的磨损极限量时，上位机将向轧机控制系统发送报警信号。
移动终端只需安装基于Android技术的APP程序，就可以实现远程的查看和控制，实现无人值守。
所述的光电式轧辊磨损度在线检测方法，是一种在线测量方法，采用分布式检测，结合实际测量的轧辊磨损度曲线，确定传感器探头安装的位置，利用反射式光纤测量原理，对轧辊的磨损度进行在线测量。
如图3所示，具体步骤如下：
步骤一、针对待测轧辊，根据轧辊磨损度经验曲线，确定各检测传感器探头和各参考传感器探头安装的位置和数量；
具体为：
步骤101、针对被测轧辊，根据该轧辊的磨损度经验曲线，检测磨损最为严重的一个或几个区域；
步骤102、针对磨损区域安装若干检测传感器探头，每个检测传感器探头均平行于被测轧辊表面，且沿轧辊的轴向位置安装；
安装数量、间距以及排列方式均根据轧辊的磨损度经验曲线人为设定。
步骤103、根据朗伯-比尔定律，利用光电探测器结合入射光纤发出的光功率大小和光电探测器的接收光功率，计算各检测传感器探头和参考传感器探头的径向安装距离的理论值，并结合实验进行修正，最终建立检测传感器探头和参考传感器探头到轧辊辊面的距离变化与接收光功率之间关系的数学模型。
朗伯-比尔定律公式如下：
b＝lg(I入/I出)/KC
I入为入射光强度；I出为出射光强度；K是摩尔吸收系数；C是空气介质的浓度。
最后，绘制出传感器探头到辊面的距离变化与接收光功率之间的关系曲线，作为后续测量的依据。
步骤104、在被测轧辊表面上方两端，不与轧件接触的位置，分别各安装一个参考传感器探头，且与检测传感器探头位于一条直线上；在每个传感器探头附近各放置一个温度传感器；
温度传感器的作用是建立温度补偿模型，减小不同温度下的接收光信号变化对检测结果的影响。将两端的参考传感器探头测量得到的数据作为参考数据，根据参考点测量得到的数据，对测量点的数据进行处理，将测量过程中振动、回转运动误差、台架的热变形等带来的影响滤除。
在传感器探头附近放置温度传感器，采集检测时的环境温度，作为光路的温度补偿参考，减小不同温度下的接收光信号变化对检测结果的影响。
步骤二、光源发出的光经光纤传送到各检测传感器探头和参考传感器探头，各检测传感器探头和参考传感器探头获取待测轧辊辊面所反射的光信号并传输给光电探测器；
检测传感器探头和参考传感器探头由单模光纤和一圈围绕单模光纤的大芯径光纤构成，单模光纤前端放置一块透镜，所有的光纤前端共用一块透镜，透镜的焦点在单模光纤的纤芯。光经由单模光纤出射，反射回来的光由大芯径光纤接收。
检测传感器探头感知获取轧辊辊面的变化，轧辊辊面变化引起检测传感器探头接收到的光信号发生变化，检测传感器探头将接收到的发生变化的光信号经光纤发送给光电探测器；参考传感器探头将接收到的反射光信号经光纤发送给光电探测器。
步骤三、光电探测器接收各检测传感器探头和参考传感器探头的光信号并转换成电信号，传输给信号处理模块。
步骤四、信号处理模块对电信号进行滤波和放大后，经数据采集卡采集传输到上位机。
步骤五、上位机进行进一步处理后，通过比较分析检测传感器探头和参考传感器探头的接收数据，得到轧辊磨损度的实时测量结果；
实时测量结果指当前时刻轧辊的磨损度，并且上位机可以显示磨损度随时间的变化曲线。
步骤六、上位机根据实时测量结果判断轧辊磨损度是否超过设定的磨损极限量，如果是，上位机向轧机控制系统发送报警信号；否则，上位机不予处理。
Claims (6)
1.一种光电式轧辊磨损度在线检测装置，其特征在于，包括光电检测模块、信号处理模块和人机交互模块；
光电检测模块包括光源、光纤、传感器探头和光电探测器；其中，传感器探头包括检测传感器探头和参考传感器探头；若干检测传感器探头均沿轧辊的轴向方向排列在一条直线上，且正对与轧件接触的被测轧辊表面上方；参考传感器探头共两个，与检测传感器探头位于一条直线上，且安装在不与轧件接触的被测轧辊表面上方两端；
各探头与待测轧辊表面的径向距离根据入射光纤的光功率和光电探测器的接收光功率由朗伯-比尔定律计算得到，并在此基础上，根据实验结果进行修正；
光源发出的光经光纤传送到检测传感器探头和参考传感器探头，检测传感器探头感知获取轧辊辊面的变化，轧辊辊面变化引起检测传感器探头接收到的光信号发生变化，检测传感器探头将接收到的发生变化的光信号经光纤发送给光电探测器，光电探测器负责信号转换，将接收到的光信号转换成电信号，并传输给信号处理模块；参考传感器探头将接收到的反射光信号经光纤发送给光电探测器，光电探测器负责信号转换，将接收到的光信号转换成电信号，并传输给信号处理模块；
信号处理模块由信号处理电路构成，所述的信号处理电路包括滤波电路、放大电路和数据采集卡，经过滤波电路和放大电路后的电信号，被数据采集卡采集并传输到人机交互模块；
人机交互模块包括上位机和移动终端；上位机对数据采集卡上传的数据进行进一步的处理，通过比较分析检测传感器探头和参考传感器探头的接收数据，得到轧辊磨损度的实时测量结果；
上位机和移动终端均能控制在线检测装置的启停，并实时显示当前时刻轧辊的磨损度以及磨损度随时间的变化曲线；如果轧辊磨损度超过设定的磨损极限量，上位机将向轧机控制系统发送报警信号。
2.如权利要求1所述的一种光电式轧辊磨损度在线检测装置，其特征在于，所述的检测传感器探头和参考传感器探头设计为光收发一体型，包括封装在一起的单模光纤和大芯径光纤；其中，单模光纤位于中心作为发射端，周围环绕若干大芯径光纤作为接收端。
3.应用如权利要求1所述的一种光电式轧辊磨损度在线检测装置的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、针对待测轧辊，根据轧辊磨损度经验曲线，确定各检测传感器探头和各参考传感器探头安装的位置和数量；
步骤二、光源发出的光经光纤传送到各检测传感器探头和参考传感器探头，各检测传感器探头和参考传感器探头获取待测轧辊辊面所反射的光信号并传输给光电探测器；
检测传感器探头感知获取轧辊辊面的变化，轧辊辊面变化引起检测传感器探头接收到的光信号发生变化，各检测传感器探头将接收到的发生变化的光信号经光纤均发送给光电探测器；参考传感器探头将接收到的反射光信号经光纤发送给光电探测器；
步骤三、光电探测器接收各检测传感器探头和参考传感器探头的光信号并转换成电信号，传输给信号处理模块；
步骤四、信号处理模块对电信号进行滤波和放大后，经数据采集卡采集传输到上位机；
步骤五、上位机进行进一步处理后，通过比较分析检测传感器探头和参考传感器探头的接收数据，得到轧辊磨损度的实时测量结果；
实时测量结果指当前时刻轧辊的磨损度，并且上位机显示磨损度随时间的变化曲线；
步骤六、上位机根据实时测量结果判断轧辊磨损度是否超过设定的磨损极限量，如果是，上位机向轧机控制系统发送报警信号；否则，上位机不予处理。
4.如权利要求3所述的一种光电式轧辊磨损度在线检测方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：
步骤101、针对被测轧辊，根据该轧辊的磨损度经验曲线，检测磨损最为严重的一个或几个区域；
步骤102、针对磨损区域安装若干检测传感器探头，每个检测传感器探头均平行于被测轧辊表面，且沿轧辊的轴向方向安装；
安装数量、间距以及排列方式均根据轧辊的磨损度经验曲线人为设定；
步骤103、根据朗伯-比尔定律，利用光电探测器结合入射光纤发出的光功率大小和光电探测器的接收光功率，计算各检测传感器探头和参考传感器探头的径向安装距离的理论值，并结合实验进行修正，最终建立检测传感器探头和参考传感器探头到轧辊辊面的距离变化与接收光功率之间关系的数学模型；
径向安装距离是指检测传感器探头和参考传感器探头与待测轧辊表面之间的垂直距离；
朗伯-比尔定律如下：
b＝lg(I入/I出)/KC
I入为入射光强度；I出为出射光强度；K是摩尔吸收系数；C是空气介质的浓度；
步骤104、在被测轧辊表面上方两端，不与轧件接触的位置分别各安装一个参考传感器探头，且与检测传感器探头位于一条直线上；在每个传感器探头附近各放置一个温度传感器；
温度传感器的作用是建立温度补偿模型，减小不同温度下的接收光信号变化对检测结果的影响；将两端的参考传感器探头测量得到的数据作为参考数据，与测量点测量得到的数据进行比较，消除轧辊振动、回转振动和台架的热变形引起的误差。
5.如权利要求3所述的一种光电式轧辊磨损度在线检测方法，其特征在于，所述的步骤二中，检测传感器探头和参考传感器探头由单模光纤和一圈围绕单模光纤的大芯径光纤构成，单模光纤前端放置一块透镜，所有的光纤前端共用一块透镜，透镜的焦点在单模光纤的纤芯；光经由单模光纤出射，反射回来的光由大芯径光纤接收。
6.如权利要求3所述的一种光电式轧辊磨损度在线检测方法，其特征在于，步骤五中所述的实时测量结果指当前时刻轧辊的磨损度，并且上位机显示磨损度随时间的变化曲线。
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