一種用於冷軋糾偏的電感檢測裝置的製作方法

2023-05-17 00:59:31 1

本實用新型屬於電磁機械一體化的測量技術領域，具體涉及一種用於冷軋生產線上糾偏控制系統中的電感檢測裝置及方法。

背景技術：

在冷軋帶材的連續生產線(含後續處理線)中，隨著工藝設備的改進，機組速度逐漸的提高(現在有的已達到41.7m/s)，加工的帶材趨向又薄又寬，為適應帶材快速連續生產，帶材活套的存儲量越來越長，加上輥子的製造精度和使用後的磨損以及帶材板形不好(如邊浪、鐮刀彎、焊接偏移等)等各種因素的影響，往往會出現帶材跑偏的現象。帶材跑偏不僅使帶材無法卷齊，而且會使帶材表面出現劃傷，帶材邊緣碰撞折邊，甚至會造成帶材斷帶和設備損壞等生產事故。為了提高帶材質量、降低成本，以滿足市場對優質帶材的需求，糾偏控制系統已成為冷軋生產線上不可缺少的設備。它廣泛應用於冷軋生產線如退火線、酸洗線、鍍鋅線、平整線、重卷線等領域。

糾偏控制系統根據帶材位置檢測原理不同，可以分為光電式、電容式、電感式、CCD攝像式等幾種檢測方式。其中光電式和電感式已經成為糾偏控制系統的首選檢測方式。現在常用的光電式糾偏控制系統具有能夠克服光源老化和汙染、不受外界光的幹擾、測量精度高、測量高度範圍大等優點。由於需要調節光路及受現場環境的影響，安裝和維護比較麻煩。電感式糾偏控制系統可以適用於惡劣環境中，不受傳感器上由於堆積汙染而引起的絕緣阻抗變化的影響；不受靜電場幹擾的影響；不受化學和帶材軋制處理中所產生的水、蒸汽等的影響；不受爐子環境所產生的氣化金屬霧氣等的影響，可以應用於導磁性帶材生產線中的任一需要糾偏的位置，且一旦安裝調試後不需要人工維護，使用壽命長，但是使用有局限性，只能用於強磁性帶材生產，測量精度不高。由於自身的缺點，在很大程度上限制了其在冷軋或其它領域的廣泛應用。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了解決上述問題，提出一種用於冷軋糾偏的電感檢測裝置，通過採用500kHz正弦波交流電源、6層電路板耦合的平面線圈、精密的信號處理電路及安裝方便的框架結構。不僅提高了電感檢測裝置在糾偏控制系統的檢測精度，而且其可以應用在弱磁性帶材生產線，採用框架結構使其安裝和檢修極其簡單。

一種用於冷軋糾偏的電感檢測裝置，其特徵在於，包括500kHz正弦波交流電源、發射線圈A、接收線圈A、發射線圈B、接收線圈B、信號處理電路、直流電源及電感檢測裝置框架；

電感檢測裝置框架為矩形框架結構，發射線圈A和發射線圈B中心對稱左右放置在電感檢測框架的下支架空間裡，接收線圈A和接收線圈B中心對稱左右放置在電感檢測框架的上支架空間裡，500kHz正弦波交流電源、直流電源和信號處理電路放置在電感中繼箱中，電感中繼箱安裝在電感檢測框架的左側豎支架上或右側豎支架上。

本實用新型的優點在於：

(1)本實用新型的電感檢測裝置，通過採用500kHz正弦波交流電源、6層電路板耦合的平面線圈、精密的信號處理電路，不僅提高了測量精度(測量精度≤±2mm)，還可以應用在弱磁生產線上，例如部分不鏽鋼軋線上；

(2)本實用新型的無芯PCB的平面線圈，設計簡單，能減小在高頻工作時由集膚效應和鄰近效應所引起的渦流損耗，也能增大電流密度；

(3)本實用新型的機械、電路設計簡單，製造成本低，適合大規模推廣使用。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的電感檢測裝置框圖；

圖2是本實用新型提供的無芯PCB平面線圈的結構圖；

圖3是本實用新型提供的信號處理板電路圖

圖中：

1-500kHz正弦波交流電源 2-PCB平面線圈 3-信號處理板

4-電感檢測裝置框架 5-直流電源 6-電感中繼箱

7-帶材

201-接收線圈A 202-接收線圈B 203-發射線圈A

204-發射線圈B 301-隔離變壓器 302-儀表放大電路

303-精密整流電路 304-低通濾波器 305-信號調理電路

401-左側豎支架 402-右側豎支架 403-上支架

404-下支架 3011-初級線圈A 3012-初級線圈B

3013-次級線圈A 3014-次級線圈B 3015-磁芯

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。

如圖1所示，本實用新型提供的一種用於冷軋糾偏的電感檢測裝置，包括500kHz正弦波交流電源1、發射線圈A203、接收線圈A201、發射線圈B204、接收線圈B202、信號處理電路3、直流電源5及電感檢測裝置框架4。

電感檢測裝置框架4採用閉合的矩形框架結構，採用插接結構，包括左豎支架401、右豎支架402、上支架403和下支架404，兩個豎支架上分別有2個燕尾槽的孔，而上下支架的兩端有燕尾槽的凸粒，通過燕尾槽的孔和凸粒的配合，構成了閉合的矩形框架結構。

發射線圈A203和發射線圈B204中心對稱左右放置在電感檢測框架的下支架404空間裡，接收線圈A201和接收線圈B202中心對稱左右放置在電感檢測框架的上支架403空間裡；500kHz正弦波交流電源1、直流電源5和信號處理電路3放置在電感中繼箱6中，電感中繼箱6安裝在電感檢測框架4的左側豎支架401上或右側豎支架402上(根據現場情況，安裝在軋線的操作側)。

PCB平面線圈2具有較大的散熱面積，且使線圈熱點到線圈表面的熱阻降低，從而改善熱耗散等問題，能實現高磁通密度，能減小在高頻工作時由集膚效應和鄰近效應所引起的渦流損耗，也能增大電流密度。接收線圈A201、接收線圈B202、發射線圈A203、發射線圈B204為PCB平面線圈2形式，PCB平面線圈2採用標準CMOS工藝中的6層電路板疊加來實現電感元件，如圖2所示。其中最上層、最下層及中間第1、2、3層繪製螺旋式電感矩形線圈並且上下串接，中間第4層用作中間的接頭接出引線。這樣設計，不僅實現了無芯線圈可以工作在高頻(100kHz～2MHz)，而且效率高，體積小，線圈結構採用緊湊封裝，實現了高功率密度。

電感檢測裝置固定在軋線上兩個輥道中間，且電感檢測裝置安裝在輥道中心上，帶材7從電感式檢測裝置中間穿過。500kHz正弦波交流電源1連接發射線圈A203和發射線圈B204，當通電時，在發射線圈A203的周圍產生一個交變磁場，其磁通量為φ0，該磁通一部分與接收線圈A201形成迴路，在接收線圈A201上產生感應電動勢ε1，另一部分被磁性帶材吸收。同理，在發射線圈B204的周圍產生一個交變磁場，其磁通量也為φ0，該磁通一部分與接收線圈B202形成迴路，在接收線圈B202上產生感應電動勢ε2，另一部分被磁性帶材吸收。

其中，N為接收線圈A201和接收線圈B202的匝數；K為常數；B為磁感應強度；h為帶材的厚度；b1為發射線圈A203和接收線圈A201之間的帶材寬度，b2為發射線圈B204和接收線圈B202之間的帶材寬度。

接收線圈A201產生感應電動勢ε1和接收線圈B202產生感應電動勢ε2送入信號處理電路3進行處理變成標準的0～10V直流電壓信號，如圖3所示。感應電動勢ε1和ε2這種電信號的變化非常小，只有幾十毫伏。這種信號是懸浮的電壓信號，為了傳輸這種信號，且與接收線圈隔離，採用隔離變壓器301。如圖3所示，隔離變壓器301由初級線圈A3011、初級線圈B3012、次級線圈A3013、次級線圈B3014和磁芯3015組成，隔離變壓器301採用PCB型平面變壓器的方式，初級線圈A3011、初級線圈B3012、次級線圈A3013、和次級線圈B3014分別印製在4層PCB電路板上，以次級線圈A3013-初級線圈A3011-次級線圈B3014-初級線圈B3012排列，4層PCB電路板夾在高頻磁芯3015之間。初級線圈A3011與次級線圈A3013的匝數比為1：1，同理，初級線圈B3012與次級線圈B3014的匝數比也為1：1。次級線圈A3013的異名端和次級線圈B3014的異名端接地。接收線圈A201上產生感應電動勢ε1輸入至初級線圈A3011，接收線圈B202上產生感應電動勢ε2輸入至初級線圈B3012，這樣通過隔離變壓器301，感應電動勢ε1和ε2信號變成共地的電壓信號。

該電壓信號內阻較大，在信號的獲取過程中，往往伴有較大的共模幹擾信號，這就要求放大電路具有較大的輸入阻抗，較高的共模抑制比和很強帶負載能力，並且具有將雙輸入變成單模輸出的功能。故採用儀表放大電路302。如圖3所示，運放U1，U2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到後級的差模信號與共模信號的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。並且由於電路結構對稱,可抑制零點漂移。感應電動勢ε1和ε2經過儀表放大電路變成共地的單輸入端的頻率為500kHz的正弦波電壓信號V1和V2。

為了提高精度,可以用運算放大器和二極體來組成整流電路,利用集成運放的放大作用和深度負反饋克服二極體非線性造成的誤差。由運算放大器組成的全波精密整流電路303，如圖3所示。500kHz的正弦波電壓信號V1和V2經過精密整流電路303電路變成帶幹擾的直流信號U1和U2。

為了將階躍響應的穩定時間減少，採用貝塞爾低通濾波器。然而貝塞爾傳遞函數的衰減速率很小，因此，濾除高頻成分的能力較差，從而紋波較大。為了降低紋波幅度，在不增加1％穩定時間的前提下，提高濾波器的階數是唯一的選擇。這裡採用四階的Sallen—Key拓撲的貝塞爾低通濾波電路304，其傳遞函數如下：

貝塞爾低通濾波電路304由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、運放U3、運放U4組成。如圖3所示，電阻R1、電阻R2、電容C1、電容C2及運放U3構成了單位增益的Sallen—Key拓撲，其中電阻R1及電容C1構成一階低通濾波，電阻R2及電容C2構成第二階低通濾波，運放U3被作為單位增益的緩衝單元。同理電阻R3、電阻R4、電容C3、電容C4及運放U4構成了單位增益的Sallen—Key拓撲，其中電阻R3及電容C3構成第三階低通濾波，電阻R4及電容C4構成第四階低通濾波，運放U4被作為單位增益的緩衝單元。當選取電阻R1＝6.8KΩ、C1＝75pF、R2＝15KΩ、C2＝62pF、R3＝5.1KΩ、C3＝160pF、R1＝8.1KΩ、C1＝62pF，則低通濾波電路304截止頻率為8kHz，此時1％電壓穩定時間約為80us，紋波的峰峰值約為1.5mV。帶幹擾的直流信號U1和U2經過四階的Sallen—Key拓撲的貝塞爾低通濾波電路304，變成沒有高頻幹擾且波紋很小的直流信號U1和U2。直流信號U1和U2經過信號調理電路305變成0～10V的標準直流信號送入糾偏控制系統的控制器進行處理。

實施例1

以某鋼廠950mm冷軋廠帶鋼連續退火線的退火爐出口段所設計的CPC糾偏控制為例，該生產線的產品規格為：

帶鋼寬度：600mm～850mm

帶鋼厚度：0.3mm～1.0mm

機組速度：max 80m/min

電感檢測裝置固定在距離退火爐出口為200mm的兩個輥道中間，且電感檢測裝置安裝在輥道中心上，帶鋼7從電感式檢測裝置中間穿過。電感檢測裝置框架4長度為900mm，高度為600mm。無芯PCB平面矩形線圈2長度設計為225mm，寬度為180mm，這樣保證即使帶材偏移很大(這裡設計為±50mm)，也能保證帶鋼置於發射線圈A203和接收線圈A201之間，和發射線圈B204和接收線圈B202之間。在生產線運行時，接收線圈A201和接收線圈B202根據帶鋼的不同位置，感應不同的電動勢ε1和ε2，電動勢ε1和ε2經過信號處理電路變成0～10V的標準直流信號送入糾偏控制系統的控制器進行處理。