（机械电子工程专业论文）基于附着式传感器的轧制力遥测系统研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 在轧钢生产中，轧制力是轧机最重要的技术参数之一。迄今为止，国内外确定轧制 力最可靠的方法还是依靠直接测量。为解决在已有旧轧机上加装轧制力测量系统时，系 统安装、维护困难；信号传输线铺装困难且易被热轧钢坯脱落的氧化皮烧毁等难题，研 制了基于无线信道、可即装即用的轧制力监测系统。 为解决常规支承式传感器安装、维护困难；且占用机架窗口空间，影响轧机性能的 缺点，系统选用了附着式传感器。该传感器悬挂在轧机机架外侧，通过测取机架变形间 接测取轧制力，因此既不影响轧机性能又易于安装、维护。但该传感器用于热轧机时， 输出信号漂移较大。为此，通过分析附着式传感器的工作机理，对照实测信号波形，发 现：热轧钢坯的热辐射导致机架与传感器间的温度差，是该传感器信号漂移的主要原 因；且由于轧制开始后，钢坯处于机架内侧，使机架内外侧间的温差加大，使机架弯 曲变形与膨胀变形在安装传感器处相互抵消，从而使传感器输出信号具有一定的“时 分”特征，即轧制开始后无漂移信号，不轧钢时的信号均为漂移信号。 为克服附着式轧制力传感器漂移信号较大的缺点，设计了由x 9 2 4 l 、a d 6 2 3 、a d c 、 m c u 等组成的智能信号调理电路。m c u 通过分析所采集信号的特征，识别漂移信号，控 制数字电位器，实时将漂移信号补偿至0 ，从而实现传感器输出信号的实时零点校准。 为解决信号线铺装、维护困难的难题，设计使用基于n r f 4 0 1 的无线通信模块，进 行信息的无线传输。考虑到系统对两侧轧制力信息的实时性要求，无线通信系统采用双 通道、点对点设计，即轧机两侧的传感器采用各自的无线通道，以最高1 9 2 k b i t s 的 速率，相互独立、互不干涉地与接收端中的无线模块进行通信。无线模块均可工作在半 双工方式下，以利于初装时的初始化操作和传感器的自动识别。 将智能信号调理电路和无线通信模块与传感器集成后，得到集成传感器。利用编制 通信协议和传感器安装使用规范，使集成传感器安装、上电后，即可被系统自动识别， 从而实现了轧制力监测系统的即装即用。 关键词：集成传感器，轧制力测量，即装即用，零点校准，无线通信 北方工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nr o llf o r c et e l e m e t e r i n gs y s t e m b a s e do na d h e s i o nt y p es e n s o r a b s t r a c t r o l l 如赋i so l l eo f s o m ei i l l p o 咖tp 绷e t e r si 1 1m e p c e s s i n go f s t e e lr o l l i n g s o 缸 i b uf o i i sm e 删酬ya tl 姗e 锄da b o a r d ni sd i m c u h t oi l l s c a l la n dm a j n ：c a i nm u f - o r m o 妣gs y s t e mo nr o l l i i 培商1 1 s i ti sd i 街c u h t ol a y l es i 耐t r a 邶m s s i o n 谢r e ，锄d 血e 疵c 趿b e 栅喇d 0 w n b y m e o x i d es 妇脚l e n 硪舶m 恤h o t r o l l 崦b i l l e t h l o 出t 0 s 0 l v e 血ep r o b l e m ，r 0 1 lf o r c em o n i t o r i r 培s y s t e mb a s e do n 、池l e s st r a i l s i i l i s s i o nw i l i c ha i l 璐t 0 “i r l s t a l la 1 1 dp l a y ，i sd e v e l 叩e d i ti sd i 伍c u l tt 0i 删1a 1 1 dm 撕蛐c o n 、，喇i o n a ls 岬r t i i 玛t y p es e n s o r ，吐l es 峭n j n g t ) r p es 蝴r i i l i l a b i t st h es p 目c eo f l er o l l 讧培r n i uh o u s i i l g 删o wa 1 1 d 世e c t s l e 肿h n a n c eo f r o l l i l 培l i l i l l h lo r d e rt 0s o l v et 1 1 ep r o b l e m ，n l es y s t 锄a d o 幽吐1 ea d l l e s i o n 锣p es e r i s i 贸t h e 池s i o n 卯es e 璐0 r i s i i l s t g l l 埘o n m e o 鹏i d e o f m e r o l l 堍商l l l 掷堍i t o 嘲玎sr o l l f o r c e b ym e a 蛐g 也es 蛐o f t l l eh o u s i l 培s oi td o e sn m 缸i e c tm ep 柏加1 a n c eo f r o l l i i l g 觚l la n d i ti sc c i n v 嘶e n tt 0i 1 1 s t a l la n dp l a y b u tt l l eo 州s i 黟l a lm l u d e sl a r g ed r i rs i 晷1 a lw h e n 也e 妣s i o n 咖es e 璐0 r i s a p p l i e d t o m e h o t r o l l i l l g m i l l b y 删y 豳g 吐l e o 删o n o f 曲 a d l l e s i o n 咖es e n s o ra 1 1 dm e w a v eo f a c t u mo 州s i 黟l a l ，i ti sf o u n dm a tt h er a d i a t i o no f 恤h m r o l l i i l gb i l l e tl e a d st o l et e m 搿滋m ed i h b r e n c eb c 帆v e e l l 廿l eh o u s i i 培a i l d 吐l es e l l s o r 锄di ti sm e m a i l l 渤s o n 慨m es e 璐0 r 删幽rs i 删b u tw h e n i t i sr o l l ，m eb i l l e t i si 堇1 s i d em e h o u s i n g ，l et e i n p 髓l ：t u r ed i f e 姗e nm e 如i d ea l l do u t s i d eo f 1 eh o u s i n g 洳啪刹，m e b e l l dd i s t o n i o n 觚dm e e 坤a i l d i i 培d i s t o n i o nc o 眦t e r a c te a c ho m e r i 1 1t t l ep l a c ew 1 1 e r e 廿1 es e i l s o r i si i l s t a l 埘弧也eo 埘p u ts i 耐o f m es e n s o r l l a sm ec h 砌删s t i co f 、妇ea l l o 廿1 1 e i n ，i ti s m a t m e o 州s i 粤l a l d o e s n o t i l l c l u d e d r i j f is i 罂试w h 饥m e r o l l i i 培h a s b e g 码缸l e o u u ts i 罂1 a l i s 嘶f s i 酬讹也e r e i s n tr o l l 吨 1 k i i 他l l i g e ms i g r l a lc o n d i t i o l l h 培c 疵埴ti sc o m 】姗潮o f x 9 2 4 l 、a d 6 2 3 、a d ca n d m c u - i ti sd e s i 舀砌t oo 咖m em ed i s a d v 姆t 1 1 a t l ea d l l e s i o n 聊p es e 璐o r0 u 钠j t s 越f t s i 耐m c u 锄a 1 ) r z e s 舭c o u e c t e ds i 酬，d i 州s h e sm e 出i f ts i 酬，c 0 m l 搬1 s a i 储m e 蛐 s i 孕l a lb yc o m l l 幻gd i g i t a j l yc c i n n d l l e dp ( 删o l n e 帆t 1 1 u s i tc a l l 曲p l 锄e n t 也er e a l - t i m e a u t o c a l i b 枷o no f 也ez e i r o s c 出eo f t l l es e n ! ；( ) r - 2 - 北方工业大学硕士学位论文 ni sd i 蚯砌tt 0l a y 趾dm a i l 胁也es i 孕l a l 位m s r 【l i s s i o nw 沁，s ot h e 憾l e s s 位m s c e i v 盯 毗l 删o n 删0 1 i su s e dt 0i i n p l e i i l e l l tt h e 、) l ，i r e l e s s 位删s s i o l l c o f l s i d e 痂坞t h es y s t 锄 c a l l s 斯r e a l 栅s i 印a lo fb ( 灶s i d e s ，m ew h l e s s 位m s 嘶s s i o ns ) ，咖a d o 幽铆oc l l a l l n e l s 卸dp o 缸t op o nd e s i 口t h e 潮_ l s o r so n 1s i d e so f n l er o l l i i l gl i l i l le m p l o y0 n ec h a l l n e l r e s p e 洲1 y ，l e yc a l lc 0 m 删c a 把w i l 也ew n l e s s 位m s c e i v e rm o d e l p a 粕舱l ya tb i tr a 慨 u p t 01 9 2 k b i 讹m 疵l e s s 衄l s c e i v e r m o d e l s o n b 础恤恤r l s n l i 掀锄d 龇i v e r 螂 h a l 咖l e xc o m m u l l i 硎0 ni i lo r d e rt 0i i i l p l e m e n tt h ei 1 1 i t i a l 硎o na r l dt 1 1 ea u t 0 蝴罂l i 2 痂o n o f t l l es e 】【l ：s o r i ti s 1 ei 1 1 据舀a t e ds e n s o rb yi 1 1 喇i 1 1 9 廿1 e 拙s i o nt y p es e l l s o r ，访钯1 1 i g 锄ts i 罂1 a l c o 砌t i o i l i n gc 血：u i ta i l dw i r e l e s s 位m s c e i v e rm o d e l i f 廿l ei n t e 掣a t e ds e i l s o ri si r l s t a l l e d a c c o r d i i l gt 0n l ec o m 删c a t i o np t o c o l 觚ds p l e c m c a t i o no f 酬l a l i 吣w h e n 廿1 ep ( m 惯 s u p p l yi ss 谢t c l 词o i l ，m e 嘞c a na u t 0 稍c o 鲫i z ei t ，n l u sm er o uf - 0 觥m o l l i t o r i i 培s y s t e m c a ni m p l e m e n t “i i l s t a u 锄dp l a 矿 k e yw o r d s ：h e g 阳t e ds e l l s o r ，r o l l 妣e ，证；t a l la n dp l a y ，z e r o - s c a l ec a l i b r a t i o 玛w l e s s n a n s 埘s s i o n - 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕友王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：本j 墅量签字日期：2 0 0 7 年5 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解三匕友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j 竖友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夺量墨 签字日期：0 7 年5 月2 0 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：关僬农 签字日期：0 7 年5 月2 0 日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 轧制力是轧机最重要的技术参数之一，获取轧制力信息除作为轧机生产过程的状态 识别、效能判定、产品开发及技术管理等环节的科学依据外，对保证安全生产、防止设 备重大事故、优化轧制规程、实现生产过程自动化和最优控制、提高设备的技术装备水 平等都具有重要意义。因此轧制力是轧机工况在线监测系统最主要的监测参数之一。由 于现有理论的局限性，轧制过程中许多参量的确定往往由于缺乏可靠的理论解析方法而 带有明显的不确定性，迄今为止，国内外确定轧制力最可靠的方法还是依靠直接测量n 】。 本课题主要针对旧轧机改造，为现有无轧制力监测系统的旧轧机，加装便于安装、调 试、可即装即用的轧制力监测系统。 1 1 轧制力的监测 1 1 1 目前监测轧制力所用的传感器 目前，国内外广泛采用的轧制力传感器主要是电阻应变式和压磁式两大类。1 0 兆牛 级以上的轧制力传感器主要用于中( 厚) 板轧机、大型连轧机等。中( 厚) 板轧机应用 的支承式传感器体大沉重，需要高性能的优质合金材料，制造工艺复杂，技术难度较 大，价格昂贵。当前这种支承式传感器只有国际上少数几个专业厂家和系列产品，其中 在国际上以k e l k 公司和a b b 公司为代表的分别生产应变支承式传感器和压磁支承式传 感器。我国自1 9 5 8 年起已开始研制1 0 兆牛以上的支承式传感器，但多属单件研制且寿 命较短嘲。旧的中( 厚) 板轧机大部分尚无轧制力在线监测系统，而现代化中( 厚) 板 轧机所用的支承式传感器主要是进口产品。 从传力方式上讲支承式传感器属于直接安装在承受轧制力的位置上，需要占用一定 的轧机开口度，而对许多现有中( 厚) 板轧机而言，由于没有预留位置，采用支承式传 感器时往往不得不以压缩轧机的有效开口度为代价，以致在很多轧机上无法使用支承式 传感器。上述情况促使国内外围绕支承式传感器的轻型化问题进行有益探索。6 0 年代 以来出现了分流测量的构想，7 0 年代，苏、美、加、德等国研制了称为应变杆或引伸 计的附着式传感器。与此同时，我国也开展了相应的研究工作，1 9 6 4 年在轧机上进行 了附着式传感器的模型试验，1 9 8 0 年在四辊中( 厚) 板轧机上完成了附着式传感器的 工业试验并开展了相关理论和应用技术的系统研究。迄今为止，附着式传感器的应用技 术正日趋完善。 北方工业大学硕士学位论文 1 1 2 附着式传感器特点 附着式轧制力传感器与传统的支承式轧机测力传感器相比，具有结构轻巧、价格低 廉、不改动现有设备、不占用轧机窗口空间、不妨碍轧机操作、不降低轧机刚度、维护 使用方便、可实现快速安装、更换、且工作可靠、使用寿命长等一系列优点。但也存在 零点漂移较大的不足，特别是应用于热轧机时，漂移信号可达有效信号的一倍以上，且 漂移量事先无法预测，从而严重影响了附着式轧制力传感器的实用性。 1 2 信号传输 目前，轧制力监测系统多采用有线传输。这需要有较长的导线连接，而在现有设备 上铺线很困难，长距离的有线传输，极大地降低了信噪比，并且后铺设的信号传输线很 容易被热轧钢坯脱落的氧化皮烧毁。 无线通信是当前发展最快的技术之一。相对于有线通信，采用无线数字信号传输技 术，具有无需通讯电缆、不受时空和应用环境限制、安装使用方便等优点。因此中短距 离的无线通信在仪器仪表及测控系统、自动测试系统、水文气象监控设备、生物信号采 集系统、工业数据采集系统、机器人控制系统、银行智能回单系统、小型无线网络、小 型无线数据终端、无线抄表、门禁系统、无线标签身份识别、无线数字语音和数字图像 传输、计算机遥测遥控系统、车辆监控系统和小区管理等行业得到广泛的运用。 1 2 1 无线通信系统简介 如图1 1 给出了无线电通信系统中发送设备与接收设备的方框图。由图可见，通信 系统所涉及的基本功能电路包括：小信号放大电路，功率放大电路，正弦波振荡电路， 调制和解调电路，倍频电路，混频电路等。其中的“高频震荡倍频一高频放大”是为 了得到高频震荡信号，以用于装载低频信号，即完成调制过程。混频电路起频率变换作 用，其输入是各种不同载频的高频已调波信号和本地振荡信号，输出是一种载频较低而 且固定( 习惯上称此载波为中频) 的高频已调波信号( 习惯上称此信号为中频信号) 。也就 是说，混频电路可以把接收到的不同载频的各发射台高频已调波信号变换为同一载频 ( 中频) 的高频已调波信号，然后放入中频放大器进行放大。中频放大器由于工作频段较 低而且固定，其性能可以做得很好。倍频电路的功能是把高频振荡信号或高频已调波信 号的频率提高若干倍，以满足系统的需要。因为无线传输会有衰减，所以在发送之前需 要进行功率放大，并且接收之后也首先要进行功率放大，最后解调得到原低频信号【3 j 【4 】。 - 2 - 北方工业大学硕士学位论文 图1 1 无线电通信系统的发送，接收系统方框图 1 2 2 用于短距离无线数传的集成芯片 无线应用的前景广阔，有越来越多的人对无线技术感兴趣。由于无线通信自身的优 势以及无线通信技术的快速发展，国内外学者与研究人员对无线通信在工业现场的应用 给予了极大的关注，也投入了大量的精力进行研究。世界各大公司如n o r d i c 5 工a s a i n c 、t e x a si n s t r u m e n t s 、r fm o n 0 1 i t h i c si n c 、c h i p c o nc o m p o n e n t si n c 、a t m e l 、 e r i c s s o n 等公司根据需求研制开发出了一系列的射频收发器芯片。如n r f 4 0 l 4 0 3 、 t r 3 0 0 1 、t r f 6 9 0 0 、r f 2 9 1 5 、b c 4 1 8 、x c l 2 0 1 、c c 4 0 0 等等，芯片具有超小的体积，超强 的性能，对于缺少射频电路设计经验的工程技术人员来说，这些芯片的出现使得短距离 无线数据通信装置的设计开发趋于更加容易、方便、周期短、成本低。利用这些芯片设 计的无线收发电路，电路结构简单、工作可靠，可方便地嵌入电子设备和系统中，构 成无线数据传输通道晦。 通信方面，r f ( 射频) 产品可以应用在手机上，作为手机的部件。可用无线耳机 接听手机电话，省却了耳机电线，同时免除了存在争议的手机辐射问题。在服务领域， 上海已有餐厅将r f 产品应用在无线点菜系统上，点菜后侍者直接把信息发送给厨师， 客人结帐时一划卡就行了。r f 可用于汽车双向报警器，过去的技术只是把车门打开， 现在技术可实现双向，不仅可遥控车门开关，而且有人撬锁时你身上的报警器可向你报 警，实现防盗报警的功能。在家庭网络自动化，空调、电视等家电的控制方面，r f 不 怕遮挡的最大优势得到充分的体现。 3 - 北方工业大学硕士学位论文 1 3 即插即用的智能传感器研究最新进展 有了微处理器，智能传感器可以直接与一个测量系统或仪器通信，并可进行运算处 理及内部的自检、自校验、自补偿等。近年来，计算机网络的概念正逐渐渗透到传感器 中，网络化传感器可提高系统的性能，易于安装、升级和维护。为了使各厂商推出的智 能传感器相互兼容，i e e e 提出了针对网络化智能变送器( 传感器) 的接口标准，其目标是 定义一整套通用的通信接口( 包括有线的和无线的) ，使传感器能独立地和现场总线网络 相连，实现互换性和互操作性。 i e e e l 4 5 1 系列标准有6 个，其中i e e e l 4 5 1 1 采用面向对象的方法定义了一个独立于 网络的智能传感器信息模型，功能分为智能变送器接口模块s t i m 和网络适配处理器模 块n c a p ，通过n c a p 任何传感器和传感器组可连接到任何网络。i e e e l 4 5 1 2 主要定义了 智能变送器接口模块s t i m 和变送器电子数据表单t e d s 以及传感器和处理器之间的串行 通信协议。i e e e l 4 5 1 3 提出了利用普通线缆开发分布式多点传感器网络系统的标准， 它使用扩频技术在一个传输媒体上实现多个时间同步的数据通道。i e e ep 1 4 5 1 4 定义 了混合模式通信协议和t e d s 格式。i e e ep 14 51 5 则致力于建立一个开放的无线传感器 接口。i e e ep 1 4 5 1 6 是一个仍在开发中的标准，该标准把i e e e l 4 5 1 与内在安全技术结 合起来用于c a n o p e n 网络。 图1 2 具有嵌人式t e d s 的即插即用传感器结构及系统图 传统的模拟传感器只提供将物理量转换成电信号的模拟接口，为了能够正确地转换 和解释传感器数据，必需手工输入传感器的配置和校正参数等信息，要花费很大的工作 量。i 旺e 1 4 5 1 4 创建了一个通用的方法，在原来模拟传感器中加入可存放传感器电子 数据表单( t e d s ) 的存储器，并增加了串行数字接口，把模拟接口和数字接口结合在一 起，成为混合式接口，利用嵌入式的t e d s 可对模拟传感器进行标识，并可与原来的模 拟仪器设备和接口兼容，把即插即用的概念延伸到模拟传感器上。将传感器和测量仪器 4 北方工业大学硕士学位论文 或带有数据采集卡的计算机( 虚拟仪器) 相连，由仪器系统控制对传感器进行切换，分别 读入模拟和数字信号。图1 2 中，t _ _ b l o c k 负责与传感器进行通信，具体说是仪器系 统对传感器进行读写和编解码操作时所用的软件，t e m p l a t e 是解释传感器t e d s 中的内 容时所需的信息，通过网络适配器模块n c a p 可将数据连到网络上7 m 埘。 1 4 论文所要解决的问题 为使后加装的轧制力传感器不影响轧机的原有性能；且易于实现传感器的快速安 装，以免影响正常的生产节奏，本课题选用附着式传感器测量轧制力。因此要解决的问 题之一就是：通过研究附着式传感器的工作机理、输出信号的特征，分析漂移信号形成 机理，有针对性地设计出智能化的信号调理电路，识别、补偿漂移信号，以提高附着式 传感器的测量精度，使其在热轧机上也能达到实用要求。本课题所要解决的问题之二： 就是如何采用无线通信的方式实现传感器信息的传输，以解决有线传输引起的一系列问 题。本课题的最终目标是要研制出具有自主知识产权的“基于无线信道的即装即用轧制 力监测系统 。 5 - 北方工业大学硕士学位论文 2 轧制力监测系统整体设计 目前，我国的轧机生产线工作非常繁忙，为最大限度地减少加装轧制力监测系统或 更换传感器的施工时间，在进行系统设计时，我们采用了“即装即用”的设计理念，即 传感器和测试系统均无需现场调试，完成现场安装、接通电源即可投入使用，且无论是 传感器还是测试系统需要更新时，只需拆除旧的，装上新的，接通电源即可投入工作n m ， 其系统组成如图2 1 所示。 微 传动信号 处 无线 侧传 j 、 调理 ，l 卜、理 一h 收发 感器 电路 器 n 电路 微 换辊信号 处 无线 侧传 调理 心 理h 收发 感器 电路 n ， 器 、n 电路 图2 1 即装即用轧制力监测系统组成框图 由图可见，这样的轧制力监测系统主要由相互独立的两部分组成，其一为安装在轧 机上的集成传感器模块a 和b ，其二为安装在操作室的遥测仪模块。集成传感器模块a 和b 将检测到的轧制力信号以无线形式传送给遥测仪模块，遥测仪模块将无线接收到的 轧制力信号进行必要的处理后，可根据需要送主控计算机或送l e d 显示器显示。两模块 间采用无线数字信号传送技术，避免了费时、费力的信号线铺设作业，所构成的监测系 统抗干扰能力强，也更有利于实现“即装即用”。 在对集成传感器模块的设计中，由于轧机结构和负载的对称性，为提高集成传感器 模块的互换性，将图2 1 中的集成传感器模块a 和集成传感器模块b ，做成结构完全相 同的模块，分装在轧机的两侧，用来分别测取轧机传动侧和换辊侧的分轧制力，将同时 测取的两个分轧制力相加得到总轧制力。为实现集成传感器模块的即装即用，集成传感 器模块中不仅包含了能拾取轧制力信号的传感器，还将微处理器与信号调理电路和无线 收发模块相结合，构成智能化的信号调理电路和无线信号收发电路，使轧制力信号从拾 取、校准、补偿、量化直至最终的无线发送，都能自动实现，无需手动调试，从而使 集成传感器模块安装后，接通电源就能投入使用。此外，为最大限度地利用无线模块的 - 6 - 北方工业大学硕士学位论文 数据传输速度，并避免相互间的干扰，两集成传感器模块采用不同的频段发送各自测取 的分轧制力信息，彼此独立，互不影响。 在遥测仪模块的设计中，由于两个传感器同时测取的分轧制力才能配对相加，得到 总轧制力，因此，其无线接收部分，采用点对点的设计方案，即采用两块无线数据接收 模块，使用不同的频段，与不同侧的集成传感器模块相匹配；两无线模块并行工作，由 一片微处理器统一协调控制，将实时接收到的两侧轧制力信息进行分析、配对，得到有 效的分轧制力和总轧制力信息，从而实现对集成传感器模块所发送轧制力信息的遥测。 在上述两部分有关无线数据传输模块的设计中，均需采用可工作于半双工方式的集 成无线通信模块，使系统或传感器初次安装时，相互间可进行一些初始化信息交换，完 成初始化后，两无线模块均工作在单工方式下，即传感器模块发送数据，而遥测仪模块 接收数据，避免频繁的“握手 信号，提高有效数据的传输速率。 7 - 北方工业大学硕士学位论文 3 集成传感器模块设计 将传感器信号处理电路、无线信号收发电路等集成到传感器中，就构成了如图2 1 所示的集成传感器模块。在对模块各部分的具体设计中，应充分考虑“即装即用 的设 计目标，使模块具备一定的智能，自动实现信号的拾取、放大、校准、补偿、量化直 至最终的无线发送。下面对几项关键技术作进一步的说明。 3 1 关于附着式传感器的研究 3 1 1 工作原理 附着式传感器安装在轧钢机机架立柱的 外侧( 如图3 1 所示) ，通过测量机架立柱 中性层的拉伸变形，间接测取轧制力。分析 如图3 1 所示的机架结构，可以发现：机架 。一o 中性层的拉伸变形与分轧制力只，成正 比，因此，实现了对机架立柱中性层拉伸变 形的测取，也就实现了分轧制力r ，的测取。 为此，使传感器两端固定在机架立柱中性层 肛o 上，则传感器的变形就是机架立柱中性 层o - o 相应长度上的变形，与分轧制力r ，成 正比。传感器采用三段式结构设计，在刚度 较小的中间段粘贴电阻应变计，从而使应变 计拾取的应变信号，数倍于机架立柱中性层 o - o 上的应变信号，即具有一定的应变放大 图3 1 轧钢机机架受力及传感器安装示意图 作用，特别适用于对诸如机架这种大刚度机构的应变测量。此外，该传感器只需悬挂在 机架立柱的外侧，不占用机架窗口空间，因此不会影响原轧机的刚度和开口度，即不影 响原轧机的性能，且拆装方便，对开发即装即用的集成传感器特别适用。 在轧钢过程中，轧制力通过轧辊轴承座传递到两座机架上，轧制力传感器就是通过 分别测量作用在两座机架上的分轧制力r 。和髟，求和得到轧制力f ( f _ r 。+ 心) 。 由于两座机架结构相近，测量方法完全相同，故仅取一座机架讨论。图3 1 所示，为最 常用的闭式机架结构简图。根据机架结构及其受力情况，可将其简化为一矩形自由框 8 - 北方工业大学硕士学位论文 架，分析该力学模型可知：机架立柱主要承受拉伸和弯曲应力的作用。对于承受弯曲应 力的机架立柱，可找到弯曲应力为零的中性轴0 0 ，则在机架立柱的中性轴上( 图3 1 中的o - 0 线) 仅存在拉应力听，由材料力学知： 旷刍 舭r = 詈= 去 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 其中占，为机架立柱中性轴上的应变，a 为机架立柱的横截面积( 常数) ，e 为机架 立柱材料的弹性模量( 常数) 。可见，用电阻应变片测出s r ，就得到了分轧制力尺。 但在实际应用中，由于s ，较小( 通常小于1 0 0 | ie ) ，且机架立柱上不易粘贴可长期使 用的应变片，从而研制了具有应变放大功能、附着在机架立柱中性轴上的传感器一附 着式轧制力传感器。该传感器的安装如图3 1 所示。由图可见，传感器为3 段式结构， 上下两段的横截面积较大且相等，设为彳，总长设为三；中间段的横截面积较小，设 为口，长度为，。由于传感器附着在机架立柱中性轴上，因此与机架立柱中性轴具有同 样的变形。设在机架立柱中性轴l 长度范围内的变形为l ，则同样长度的3 段式传感 器各段的变形设为：上、下段总变形为，中间段为z ，则： g ，：丝：丝型：丝! ：!( 3 3 ) 占十= 一= = 一 j 3 ， 1 三三三 其中占为传感器上、下段的应变，s 为传感器中间段的应变。 又知：三= 兰 ( 3 4 ) g彳 则由( 3 3 ) ( 3 4 ) 式可得： s t2 竺：兰：竺+ 占，旦三t “ + 占f 一厶+ z ! ：! 一s 三三 ( 3 5 ) 由( 3 2 ) ( 3 5 ) 式得： 铲刍：半一张尉半占 6 ， 1 2 尉三 。 三 由上式可见，只要将电阻应变片粘贴在传感器的中间段，通过测量g ，就可得到分 轧制力只。 9 - 北方工业大学硕士学位论文 由( 3 5 ) 式可得应变放大倍数= 三= l ( 3 7 ) s 7 旦上+ ， 么 设计传感器时，使a 昏馥，则， 1 ；即具有应变放大功能。实际设计中通常 取= 5 1 0 。 从以上的分析中可以看出，附着式传感器就是通过测量轧钢机机架立柱中性轴的拉 应变，获得轧制力，并通过3 段式的结构特征使传感器具有一定的应变放大功能。 3 1 2 信号漂移机理分析 附着式轧制力传感器最大的不足是存在零点漂移，特别是应用于热轧机时，漂移信 号可达有效信号的一倍以上。如图3 2 所示为应用于某热轧机上的附着式传感器输出信 号波形图。其中虚线b o ，b 1 ，b 2 ，b 3 ，为传感器不同状态下的基准线。b o 为传感器安装 前输出信号基准( 绝对零点) ，通常为0 m v 输出。b1 为传感器安装后输出信号基准 ( 工作零点) ，该基准相对b 0 的输出幅度为y ，0 。这部分信号是为防止传感器在工作过 程中松动，安装时加预紧力产生的。通常y o 取额定轧制力输出信号的5 0 左右，具体 取值要根据轧机的工作特点和环境来决定，总的原则是：在满足传感器始终工作在线性 范围内的前提下，适当加大y o ，以防传感器松动，丢失有效信号。这部分信号可通过 调零电位器将其消除，即通过调零电位器使传感器输出恢复到0 1 1 1 v ，使传感器处于工 作零点状态b 1 。b l 也是轧机停止工作一段时间后，传感器应回归的工作零点；b 2 b 3 基准线以上的波形为轧制时传感器输出的有效信号。b 2 、b 3 为测量轧制力信号的基准 线( 测量零点) ，轧机每次轧钢都会有新的基准，基准线以上的信号才是真正的轧制力 信号，基准线以下的信号则为漂移信号。 图3 2 附着式传感器输出信号波形 由图3 2 可见，附着式传感器输出信号的漂移幅度( y 1 ，y 2 ) 较大，且不稳定，因 此，每次轧制力的测量基准不尽相同( 如图3 2 中的y 1 y 2 ：) 。造成附着式轧制力传感器 信号较大漂移的主要原因，是钢坯的热辐射，1 0 0 0 左右的热轧钢坯使机架升温膨胀， 但是由于传感器装在机架的外侧，机架和传感器升温不同步。2 0 1 0 0 时，碳钢的 1 0 北方工业大学硕士学位论文 热膨胀系数口= ( 1 0 6 1 2 2 ) 1 0 _ 6 ，即机架和传感器温差1 ，即相当于机架相对 传感器产生了( 1 0 6 1 2 2 ) p 的变形；机架满负荷时的应变一般也只有1 0 0 肛左 右，可见机架与传感器间不可避免的较大温差，是导致传感器信号漂移的主要原因。 实验研究( 例如：空轧试验) 显示，在一定的测量精度范围内，轧制力信号和漂移 信号可近似认为是时分的，即有漂移时无轧制力，而有轧制力时无漂移。原因是： 轧制开始后，高温钢坯引起的漂移通常不大，因为此时钢坯完全处在机架立柱的内侧， 使机架立柱内外侧间的温差增大，导致立柱的弯曲变形增大，从而使外侧的热胀变形 得到补偿。实验显示，尽管这种补偿有一定的随机性，但已能满足测量精度的要求，并 认为轧制力信号和漂移信号是时分的j 。 3 2 智能信号调理电路的研究 为实现传感器“即装即用 的目标，信号调理电路除应具备常规的信号调理功能 外，更重要的是要增加对信号的智能识别及自动校准功能。特别是，当在热轧机上使用 附着式传感器测取轧制力时，由于机架热变形的影响，漂移信号非常大，信号调理电路 如不能及时对其进行补偿，则测取的信号误差很大，失去测量轧制力的实际意义。为 此，将常规的信号调理电路与微处理器相结合，利用微处理器实时分析当前所采集信号 序列的特征，发现、分离并补偿漂移信号，即实现信号的智能识别与实时自动校准。 3 2 1 信号零点的实时校准 通过前面的分析可知，在热轧机上，附着式传感器信号的漂移是不可避免的，为此 只能设法对其进行补偿，以消除漂移对轧制力测量的影响。轧制力信号和漂移信号是 时分的，据此，可将轧机未轧钢时传感器输出的信号识别为漂移信号，实时补偿至 o ；轧制开始后，无漂移，也就无需补偿，所测信号就是轧制力信号。因此，补偿漂移 的关键是如何利用信号识别技术，判定轧制何时开始，何时结束。 图3 3 为利用8 位a d 转换器量化传感器信号的示意图。图中粗实线顶点对应的纵 图3 38 位d 量化传感器信号示意图 北方工业大学硕士学位论文 坐标就是该点信号转化后的数字量，采样周期为t 。分析所采集的数字序列信号的特征 ( 图中的粗实线序列) 可见，轧制开始点的数字量与数字序列中其它的数字量相比最大 的不同是：与前一个数字相比变化幅度不大( 图中小于1 6 个量化单位) ，而与后一个 数字相比则变化幅度很大( 图中远大1 6 个量化单位) ，为此可令计算机将每次采集得 到的数据与前一个采样周期得到的数据相减，当结果( 绝对值) 小于某一设定值( 阈 值) 时，表示所采集的数据为漂移量，需进行补偿；若大于该阈值，意味着轧制已经开 始，前一个数据就是本次轧制基准点，即测量零点。阈值一般可根据现场试验确定，取 一个各种工艺条件下，在一个采样周期内漂移所能达到的最大变化量作为判别开始轧制 的阈值。 判定轧制过程结束，一般须同时满足如下条件：本次轧制已经开始；该点数字 与前一个数字相比变化幅度很大，而与后一个数字相比则变化幅度较小；信号已回落 到本次轧制开始点附近。3 条判据有一定的冗余度，其中第条判据最为关键，当一些 故障工况导致信号形态变异时，通常可根据它来决定是否强制仪表进入补偿状态。 补偿漂移最简单的方式为采用相对零点的软件补偿方式，即以将图3 3 中的轧制开 始点作为相对零点，将此点后采集的数字减去该点的数字，其结果即为有效的轧制力信 号，消除了漂移对测量结果的影响。该方法简单、实用，但在a d 转换器位数一定的 情况下，降低了有效信号的分辨率，且更易于受到噪声信号的干扰。为克服此缺陷，设 计了智能化的信号调理电路，对漂移进行零点的硬件补偿。 3 2 1 1 智能信号调理电路 图3 4 智能信号调理电路 1 2 北方工业大学硕士学位论文 将常规的信号调理电路与微处理器相结合，利用微处理器实时分析当前所采集信号 序列的特征，发现、分离并补偿漂移信号，即实现信号的智能识别与实时自动校准。其 工作原理如图3 4 所示。由惠斯登电桥的工作原理2 3 可知，传感器电桥的输出信号v 由两部分组成，其一是传感器电桥中的应变片拾取到的传感器的变形信号，另一部分是 由于冠、尺，及数字电位器x 9 2 4 1 并联在两相邻桥臂上引起的不平衡输出信号，只要适 当调节x 9 2 4 l 滑动端的位置，就能使两部分信号互补，改变v 输出，而x 9 2 4 1 滑动端 的位置可通过其串行总线( s d a 、s c l ) 加以控制。由此可见，只要微处理器能从所采集 的信号中识别出漂移信号，就能通过其p 1 o ，p 1 1 管脚仿真x 9 2 4 1 的串行总线，定量控 制x 9 2 4 l 滑动端的位置，将漂移补偿。 实际应用中，由于数字电位器x 9 2 4 1 只能分级调节，因此，电路对漂移的补偿也只 能是分级的。使电路的最小补偿电压v m ；。( 近似等于x 9 2 4 1 调节一级引起的传感器输出) 与a d c 的分辨率n 岫相匹配，则既不影响系统的测量精度，又有利于简化编程，提高微处 理器对x 9 2 4 l 的反馈控制速度，提高系统的实时性。为此，可用下述公式确定电路参 数。 y ：一旦型垒一墨；型一 ( 3 8 ) = 一一_ 广了 l j 苓j 2r ( z + 只) 一( f 足) 其中：卜心点校准电路引起的传感器电桥输出； i 卜传感器供桥电压，一般设计为1 0 v ； z - 川感器桥臂电阻，z = 毛= z 2 = 乞= z 4 ； r 数字电位器每一级的电阻值；x 9 2 4 1 系列产品的标称阻值为：2 k q ； 1 0 k q 和5 0 k q ；则相应的r 为：2 0 0 0 6 3q ；1 0 0 0 0 6 3q ；5 0 0 0 0 6 3q ； f 系统补偿调节级数，f = 0 ，l ，2 ，n ；x 9 2 4 1 中包含了4 个数字电位 器，每个数字电位器可进行6 4 级调节，并可根据需要对x 9 2 4 1 中的电位器进行 级联，使调节级数分别达到1 2 7 ；1 9 0 ；2 5 3 n 司，从而i 的最大取值n ，可分别达到 6 3 、1 2 6 、1 8 9 、2 5 2 ；为提高系统的补偿速度，优选n = 6 3 ，即采用单个数字电位 器进行补偿。 i 卜并联在z 2 z 3 上的电阻，r _ r l + r p = 尺2 ；尺p 为x 9 2 4 1 中与尺l ，天2 串联的 电位器阻值；使用单个数字电位器时，r 。就是数字电位器的标称值，采用级联 的方式串联电位器时，r 。就是串联后的总阻值。 1 3 - 北方工业大学硕士学位论文 确定此部分电路参数时，首先确定x 9 2 4 1 的连接方式，即需要串联的电位器数i i 】： 取电路的最小补偿电压v _ i 。= v - 。g ( v - ；n _ 所选用a d c 的最小分辨电压；g 放大器的放 大倍数) ；现场实测传感器最大漂移信号 幅度v 漂；m 1 + ( v 琢v m 。) 6 3 。其次， 确定墨、r ：及x 9 2 4 1 的电阻值：选择 x 9 2 4 1 的标称电阻值r 标( 2 k ，1 0 k ，5 0 k ，三选 一，优选1 0 k ) ，则r = r 标6 3 ；将r 、 v = u 。及f = 1 代入( 1 ) 式，可求得r ；根 据x 9 2 4 1 的连接方式，可得到r 。；由 r = 蜀+ 足。= 足2 ，可求得蜀和尺2 ；当不能求 出有效的置r ，时，可通过改选r 标重新求 取。 = e 一垒：垒二兰! 兰! 一 ( z l + z 4 ) ( z 2 + z 3 ) 也= 罢比l + 婺比2 + 婺比3 + 婺出4 勿l 1 瑟2 2 瑟3 昆4 4 = e 石 乏比+ 石_ 爵龙：一石南比，+ 石南如t 】。9 ) 2 州：芍c 鲁一争+ 看备c 鲁一鲁， c 3 加， 由初始平衡条件( 无应变时，输出为o 。) z 。z ，= z 2 z 。，得 。上鲁：坐妥 ( 3 1 1 ) ( z l + z 4 ) 2( z ，+ z