CN1553142A - 狭缝间距测量方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，主要适用于间接测量平动物体和旋转物体之间狭缝的距离，尤其适用于非晶态合金铸造设备的喷嘴和冷却辊之间的狭缝间距测量方法及传感器。本发明的技术方案是通过测量旋转体和平动物体之间空气的压强与大气压强之差随旋转体和平动物体之间狭缝距离的变化，实现平动物体与旋转体表面间狭缝间距的非接触式测量，并可实时测量并显示，还可以根据设定值进行实时控制。本发明提出的狭缝间距测量传感器及方法具有结构设计简单、精度高、可靠性强和低成本，并可用于高温及工业恶劣环境下的优点。

Description

狭缝间距测量方法及传感器

技术领域

本发明属于测量技术领域，主要适用于间接测量平动物体和旋转物体之间狭缝的距离，尤其适用于非晶态合金铸造设备的喷嘴和冷却辊之间的狭缝间距测量方法及传感器。

背景技术

在现有技术中，测量两个物体之间狭缝距离的方法有接触式直接测量方法(例如，用塞尺等量具进行测量)和非接触式间接测量方法(例如，用光学等方法进行测量)。平动物体和旋转物体之间狭缝的距离无法进行接触式直接测量，只能采用非接触式间接测量方法进行测量。激光具有强度高，准直性好等特点，可用于测量平动物体和旋转物体之间狭缝的距离。Charles E.Carlson等(参见U.S.Pat.No.4,399,861)公开了一种采用激光测量狭缝的方法，用于测量非晶态合金薄带铸造设备(参见U.S.Pat.No.4,142,571,U.S.Pat.No.4,771,820)在喷带过程中喷嘴和冷却辊之间形成的狭缝之间的距离。但是，利用激光测量狭缝也存在许多缺点，首先是激光设备较昂贵，并且操作复杂；其次是激光光源和接收器之间不能有任何障碍物，必须保证光路是畅通的；另外，工业现场恶劣的环境，如烟、尘等也可能干扰和限制激光的传播，影响测量精度。Bradley R.Hoover等(参见U.S.Pat.No.4,524,546)公开了一种气动压力传感器及狭缝测量方法，用于测量机械轧辊的半径变化及轧辊的磨损情况。该传感器通过检测气体的压力来测量传感器气嘴顶端与轧辊之间的距离，进而确定轧辊半径变化及轧辊的磨损情况。气动压力传感器由恒定压力的气源提供具有一定压力的压缩气体，当压缩气体通过小孔型气嘴喷射到与气嘴接近的轧辊表面时，气流受到阻碍，导致气体压力的增加，气嘴与轧辊表面的距离不同，气流受到阻碍的程度也不同，导致气体压力的变化也不同，通过检测气体的压力，可以确定气嘴顶端与轧辊表面形成的狭缝的距离。在此基础上，Karl T.Bagdal等(参见U.S.Pat.No.5,092,392)利用该原理，发明了另一种气动压力传感器及狭缝测量方法，用于测量非晶态合金薄带铸造设备在喷带过程中喷嘴和冷却辊之间形成的狭缝之间的距离。Bradley R.Hoover和Karl T.Bagdal发明的上述气动压力传感器及狭缝测量方法都是基于正压方法，即由恒定压力的气源提供大于大气压的压缩气体，通过检测气体的压力变化，确定气嘴顶端与辊子表面形成的狭缝的距离。为了提高检测精度，要求恒压气源具有很好的稳定性和控制精度，同时气体压力随检测距离的变化是非线性的，需要对测量结果进行线性化，导致检测设备进一步复杂化。这种气动传感器测量狭缝的最大范围在0.075-0.375mm之间，最佳范围在0.125-0.275mm之间，为了获得较好的测量效果，传感器探头在安装时，要求探头从传感器的基体表面凸出，并且探头的表面要用砂纸等磨成与基体相同曲率，通过调整传感器探头凸出的长度使测量结果处于最佳量程之内。以上这些因素都给实际安装和测量带来了诸多不便，并且设备的制造成本也明显增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构设计简单、测量精度高、可靠性强、低成本，并可用于高温及工业恶劣环境的狭缝间距测量方法及传感器。

本发明的理论依据是流体动力学的伯努利方程关于气体流速与气体压强的关系。在无粘性流体定常运动中，同一流线上的每一点都满足：

其中ρ为流体的密度、v为流体的速度、p为流体的压强，上式称为伯努利方程。根据伯努利方程，可以得到气体的流速v越大，压强p越小。基于上述原理，本发明的工作原理是：高速旋转的旋转体带动旋转体表面附近的空气随旋转体一起运动，当一端开有小孔的探头接近旋转体时，由于探头和旋转体表面形成的狭缝之间的空气是高速流动的，导致孔内空气的压强与大气压强存在压强差。由于沿旋转体径向与旋转体表面不同距离处气体的流速是不同的，导致探头小孔内的空气压强与大气压强之差随探头与旋转体表面距离的不同而不同。通过测量孔内空气与大气的压力差，可以实现探头与旋转体表面间狭缝间距的测量。

根据本发明的目的和上述原理所提出的技术方案的特征是通过测量旋转体和平动物体之间空气的压强与大气压强之差随旋转体和平动物体之间狭缝距离的变化，实现狭缝间距的非接触式测量，并可实时测量并显示，还可以根据设定值进行实时控制。

根据上述狭缝间距测量方法的传感器，该传感器由可沿轴AA′旋转的旋转体20、可沿X方向平移的探头30、压力变换器60、检测电路及控制电路组成，其特征在于传感器探头30的中间开有一个小孔31，小孔31内有一个空腔32，空腔32的横截面面积与小孔的横截面面积之比为3∶1-10∶1，小孔31与大气相通，空腔32通过刚性管33与压力变换器60相连，刚性管33的内径为2-6mm；压力变换器60是硅微结构压阻式低压变换器，压力变换器60的高压端61与刚性管33相连，低压端62与大气相通；探头30固定在活动支架40上，活动支架40在旋转体20的径向方向平移，并且小孔3的方向可通过调整活动支架40的方向调节到与旋转体20轴向垂直的方向。

本发明的其它技术特征为：旋转体20绕其轴线旋转时，旋转体20表面的线速度为5-50m/s。

狭缝间距的测量和控制是闭环或开环的。

用多个传感器同时测量1个狭缝间距。

狭缝间距测量传感器用于高温环境。

采用本发明所提出的狭缝间距测量传感器及方法与现有技术比较具有结构设计简单、精度高、可靠性强和低成本，并可用于高温及工业恶劣环境下的优点。首先，本发明提出的狭缝间距测量传感器及方法是利用气体压力和气体流速的关系实现平动物体和旋转体之间狭缝间距的间接测量，不需要恒压气源，避免了气源不稳定和气压控制不精确带来的测量误差；其次，本发明提出的狭缝间距测量传感器探头的小孔没有凸出部分，避免了安装过程中带来的误差，并简化了工艺、降低了检测设备的复杂程度。第三，本发明提出的狭缝间距测量传感器及方法适用于高温和工业恶劣环境。

附图说明

图1是本发明所提出的狭缝间距测量传感器的结构示意图。

图2是探头位置调整机构的剖面图。

图3是本发明所用传感器探头的示意图。

图4是传感器的输出电压随辊嘴间距的变化关系座标图。

图5是喷带过程中传感器的输出电压随辊嘴间距的变化关系座标图。

图6是采用闭环控制后，辊嘴间距随时间的变化关系座标图。

在上述附图中，10为底座，20为旋转体，21为支撑架，22为固定螺栓，23为皮带或链条，24、43、44、52和53为马达，30为探头，31为探头30中间的小孔，32为小孔内的空腔，33为刚性管，40为活动支架，41和42为直线导轨，45为可动支架，46、47、48、和49、50和51为轴，54为固定支架，60为压力变换器，61、62分别为压力变换器60的高压端、低压端，63为陶瓷管，64为喷嘴。

具体实施方式

根据本发明所提出的狭缝间距测量方法及传感器，本实施例构造了狭缝间距测量传感器，测量了非晶态合金平面流铸带设备在喷带过程中冷却辊和喷嘴之间的辊嘴间距。

本实施例所用的旋转体20由直径为350mm的水冷铜辊构成，铜辊在变频调速马达的驱动下旋转，转速可在0-3000转/分钟之间连续调节。

图1、图2中，本发明所提出的狭缝间距测量传感器由可沿轴AA′旋转的旋转体20、可沿X方向平移的探头30、压力变换器60、检测电路及控制电路组成。旋转体20通过轴承安装在支撑架21上，支撑架21通过固定螺栓22固定在底座10上。旋转体20为圆柱形的辊子，通过皮带或链条23，旋转体20可在马达24的驱动下沿轴AA′旋转，旋转体表面的线速度为25米/秒。探头30安装在活动支架40上，活动支架40通过直线导轨41和42安装在可动支架45上，直线导轨41和42在马达43和44的驱动下可单独沿X方向运动，也可同步沿X方向运动，由于探头30安装在活动支架40上，因此探头30在马达43和44的驱动下随活动支架40一起运动，即马达43和44用于调节探头30与辊子表面的距离和平行度。可动支架45上安装有46、47、48和49四个轴，这四个轴通过连接机构分别与轴50和51相连，轴50和51通过连接机构与马达52和53与固定支架54连接，在马达52和53的驱动下，可动支架45可在Z方向平移，也可沿Z方向在YZ平面内倾斜，即马达52和53用于调节探头30的高度和与轴AA′在竖直方向的角度。探头30的中间开有一个小孔31，小孔的截面是圆形。小孔内有一个空腔32，空腔的横截面是圆形。空腔32的横截面面积与小孔31的横截面面积之比为5∶1，小孔的一端与大气相通，另一端与小孔31内的空腔32相连，空腔32通过刚性管33与压力变换器60的高压端61相连，压力变换器60的低压端62与大气相通。采用刚性管33的目的是为了保证孔内的压力变化有效地传到压力变换器60，压力变换器60用于测量小孔内的压强与大气压强之差，压力变换器60是硅微结构压阻式低压变换器。压力变换器60又为表压型微压力变换器，用于检测传感器探头30内空气压强与大气压强之差，并将这种压力差转换成与压差成正比电压信号，电压信号经检测电路放大、整形之后，再通过比例放大后进行定标，以数值形式显示狭缝宽度，同时将与狭缝宽度对应的模拟电压输出给比较电路，比较电路将狭缝的设定值和检测电路输出的狭缝间距进行比较，比较后输出误差信号并传递给控制电路，控制电路对机械运动机构进行控制和调整，将探头30的位置调整到预先设定的位置。

图3中，其中64为非晶态合金平面流铸带设备喷嘴包上的氮化硼喷嘴，31为传感器探头上直径为0.5mm的小孔，63为外径5mm的陶瓷管，陶瓷管63的内径为3.8mm，壁厚0.5mm，陶瓷管63通过高温水泥与喷嘴64相连，传感器探头30上的小孔31与安装陶瓷管63的孔在相交处是连通的。陶瓷管63通过1.2m长的铝管与压力变换器60连接，连接处用高温水泥密封。将上述探头30放入烘干箱中烘干，确保高温水泥连接处不漏气后，再将一体化的喷嘴64和传感器探头30安装在喷嘴包上，之后再将探头30的铝管的另一端与压力变换器60的高压端61用软胶管连接，并保证密封良好。压力变换器60采用SM5552硅微结构压阻式低压变换器。启动压力变换器60的配套检测电路和探头位置调整和控制机构及相关的控制电路。

图4中，可以看出，辊嘴间距在0.05-0.35mm之间变化时，输出电压具有很好的线性。

图5中，喷带过程中喷嘴包中钢液温度为1380℃，冷却辊线速度为25m/s。由图可以看出，在实际喷带过程中，辊嘴间距在0.1-0.35mm之间变化时，传感器的输出电压也具有很好的线性。

图6中，喷带过程中冷却辊线速度为25m/s，冷却辊中冷却水的水温为39℃，喷嘴包中钢液温度为1380℃。由图6可见，在喷带开始时辊嘴间距较宽，通过闭环控制，辊嘴间距在不到1分钟时间内被调整到设定值，并能保持很好的稳定性，在第17分钟末，喷带结束，喷嘴包远离冷却辊。

Claims (6)

1、一种狭缝间距测量方法，其特征是通过测量旋转体和平动物体之间空气的压强与大气压强之差随旋转体和平动物体之间狭缝距离的变化，实现狭缝间距的非接触式测量，并可实时测量并显示，还可以根据设定值进行实时控制。

2、根据权利要求1所述的狭缝间距测量方法的传感器，该传感器由可沿轴AA′旋转的旋转体(20)、可沿X方向平移的探头(30)、压力变换器(60)、检测电路及控制电路组成，其特征在于传感器探头(30)的中间开有一个小孔(31)，小孔(31)内有一个空腔(32)，空腔(32)的横截面面积与小孔的横截面面积之比为3∶1-10∶1，小孔(31)与大气相通，空腔(32)通过刚性管(33)与压力变换器(60)相连，刚性管(33)的内径为2-6mm；压力变换器(60)是硅微结构压阻式低压变换器，压力变换器(60)的高压端(61)与刚性管(33)相连，低压端(62)与大气相通；探头(30)固定在活动支架(40)上，活动支架(40)在旋转体(20)的径向方向平移，并且小孔(31)的方向可通过调整活动支架(40)的方向调节到与旋转体(20)轴向垂直的方向。

3、根据权利要求2所述狭缝间距测量方法的传感器，其特征在于旋转体(20)绕其轴线旋转时，旋转体(20)表面的线速度为5-50m/s。

4、根据权利要求2所述的狭缝间距测量方法的传感器，其特征在于狭缝间距的测量和控制是闭环的或开环的。

5、根据权利要求2所述的狭缝间距测量方法的传感器，其特征在于用多个传感器同时测量1个狭缝间距。

6、根据权利要求2所述的狭缝间距测量方法的传感器，其特征在于狭缝间距测量传感器用于高温环境。

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