PIC单片机实现的轧机厚度测量系统的硬件设计.doc
兰州理工大学pic单片机实现的轧机厚度测量系统的硬件设计
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兰州理工大学pic单片机实现的轧机厚度测量系统的硬件设计,毕业设计
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兰州理工大学毕业设计说明书 1 第一章 绪 论 1.1 轧机工作的介绍 1.1.1 冶金自动化的发展 自本世纪 60 年代冶金自动化装备问世以来，取得了极其迅猛的发展。特别是80 年代种类 繁多的 PLC 和 DCS 的出现，冶金自动化装备的可靠性和实时性，可操 作性和可维护性都得到极大的改善。方便的软件编制和友好的人机界面，不断提高的性能价格比使冶金自动化装备技术得到极快的推广和使用。 从单元控制装置、单体设备自动化到全线的自动化系统和全厂全公司的生产管理控制系统遍布冶金工业的各个工艺流程。冶金自动化装备技术的发展与应用推广，使冶金产品的质量和冶金生产线的作业率获得极大的提高，新产品、新工艺的开发周期大为缩短，获得了极其显著的经济效益。在我国冶金工业产量已基本满足需要，现阶段主要是增加品种和改善质量的发展期，冶金自动化就因此变得更为重要，并且提出了更高要求。我国冶金自动化行业也从普及发展阶段进入提高阶段，要加 快 适应于冶金自动化需求的软硬件产品的开发，着力发展具有自主产权的产品和以成套工程应用技术为主的高技术产业，减少对国外技术的依赖性。 自 90 年代以来，随着电子技术、计算机技术、电力电子技术和检测技术的不断发展和普及，冶金工艺和自动化更加密切的结合， 冶金自动化装备技术必将得到进一步的发展和提高。本世纪末和下世纪初在自动控制理论和方法方面主要的发展方向是人工智能技术的应用。人工智能技术主要是神经元网络、模糊控制、专家系统及与其相结合的智能控制系统，近年来已在冶金自动化中得到了多方面的应用。仅日本应用的实例就超过百件，德国 Krupp Hoesch 钢铁公司的 Westfaien 钢厂应用神经元网络改进数学模型，取得了明显的经济效益，尺寸偏差减少 12%。如在轧制过程自动化方面，传统的轧制过程数学模型是以轧制力为中心，以一组数学物理方程描述轧制过程。轧制工况是多样化 的，影响轧件质量的因素众多，并且有些工况参数不能直接地或连续地检测，具有边界约束条件的数学物理方程虽然对轧制过程有一个相当近似的描述，但还不能完整精确地表达轧制过程，存在着固有的误差。采用人工智能技术如人工神经元网络，通过采集实测数据来观察工艺过程，积累经验，并且将以前只有人才能掌握的经验融入计算过程，就能弥补常规数学模型的不足，它的学习功能不断适应设备的实时状态。单纯采用以人工智能技术为基础的数学模型有点像魔术师的黑盒子，采用人工智能同传统数学模型相结合的组合模型侧重于工艺过程内的各种分析关系式，易于操作 者和工艺技术人员接受和使用。来自常规nts兰州理工大学毕业设计说明书 2 数学模型中先前的经验不是丢弃，而是通过算法模型和神经元网络之间的协作关系全部并入组合模型之中，通过这种方法使设定精度得到了提高。在厚板质量工程设计中，以订单为基础制定轧制过程中生产工艺和工艺参数的专家系统，轧机液压下故障在线实时诊断的专家系统，连轧机组负荷分配的专家系统都得到了应用。采用模糊逻辑对于实测数据进行评价和判断，对于传感器的状态进行在线实时诊断都取得了良好的效果，人工神经元网络还应用于轧件板形识别，多辊轧机的板形控制等。在焦化、烧结、炼铁、炼钢各个工艺流程同轧制 过程相比，物理化学的变化更为复杂。连续有效的直接过程检测仪表也不如轧制过程的检测齐全。因此，在冶炼过程控制数学模型方面还远达不到板带轧制过程数学模型的精度。在这些工艺流程方面应用人工智能技术更加迫切和必要。 世界冶金行业的生产管理计算机系统大多数采用主机集中式系统并配以先进的生产管理水平，在系统集成、应用结构设计、开发方法、人机界面、通信、系统维护等方面都有较高的计算机应用水平。另外，系统采用模块化、结构化设计，伸缩性好。因此，冶金行业自动化技术的应用和发展都具有良好的前景。 1.1.2 轧机工作的作 业组成 单机架轧机，可进行多次钢带可逆轧制。它是由主传动，压下装置，前后夹送辊及左右卷取机等组成。如图 1-1。 图 1-1 轧机系统的组成 轧制前后启动压下装置电机提升轧辊，使轧辊辊缝有一定开度。将轧卷坯料装在开卷机上。启动开卷机将钢带通过轧辊喂入卷取机上，并将钢带拉紧，产生一定拉力，即静张力。开动下压电机将轧辊压下一定的下压量。开动主轧机同时，发出补偿信号给左右卷取机。卷取机正转，开卷机反转并与主传动保持同步，保持恒张力轧制。此时，卷取机工作在电动状态，开卷机工作在制动状态。当带钢尾端离开开卷机后主传动降 速到喂料速度。带钢尾端离开轧辊后卷取机及前部夹nts兰州理工大学毕业设计说明书 3 送辊就在很短时间内停止，便于下一道轧制。 1.1.3 轧机测控系统的组成 由于轧机系统结构与功能比较复杂，而且要求高精度与高可靠性，所以故障诊断较困难。要对轧机进行故障诊断，首先应从分析轧机系统的基本结构、系统功能及系统之间的联系入手，然后了解轧机系统故障类型、故障现象及影响因素，以便查找故障原因和故障源。 新型轧机系统是一个大型复杂系统，如薄轧主要有三大部分组成 :连铸机、轧机、卷取机，另外还有传送、冷却等其他辅助系统。每一部分又由许多小系统组成，如轧机中的 AGC, CVC,弯辊，活套等设备。每个设备有不同功能，它们之间又有相互联系。轧机生产功能如控制厚度、控制板形等，主要由几个 F 机架控制。以下介绍 F 机架的组成。 F 机架液压控制与传动系统主要由 AGC 系统、 CVC 系统、弯辊系统、活套系统等组成。坯料被传送到工作棍，在高速电动机的带动下使其变形、变薄。 AGC, CVC, BR, LOOPER 等控制系统确保轧件的厚度、精度、控制板形及平直度等。 AGC 系统 (Hydraulic Automatic Gauge Control)介绍如下： 1功能 :AGC 是液压厚度自动控制 系统，与液压压下装置一起实现对轧件厚度的控制。 2工作原理 :根据实际测量的轧制力与设定轧制力的偏差，通过伺服阀来控制液压压下油缸的进油量，实现辊缝的调节，从而实现轧件厚度的控制。 3优点 :响应速度快、调整精度高、可靠性高等。 CVC 系统 (Continuously Variable Crown)介绍如下： 1.功能 :CVC 是连续可变凸度控制系统，与弯辊系统一起作用，用于控制板形与平直度 。 2.工作原理 :其上、下工作辊可以沿轴向按相反的方向轴向移动，因为工作辊采用 S 形辊形，所以当轴向移动时，可以连续改变辊 缝凸度，相当于改变了轧辊的凸度。轧件越宽，对应的凸度量越大。 3.优点 :具有较宽较灵活的凸度调节范围、板形控制能力强。 4 影响因素 :在轧制过程中， CVC 液压控制系统为了使工作辊保持不动， CVC油缸承受了各种力和力矩瞬时的变化。受到各种因素的影响使 CVC 油缸有可能发生窜动。如轧制力变化、弯辊力变化、轧件厚度不均匀、作用力不平衡等。 弯辊 WRB 系统介绍如下： 1.功能 :WRB 即 Working Roll Bending，其功能为纠正轧件的板型偏差来实现板形控制。 2.工作原理 :在轧制过程中，通过弯辊的液压缸对工 作辊的轴承座施以控制nts兰州理工大学毕业设计说明书 4 力，使工作辊弯曲变形，以消除板型偏差。 3.优点 :对板型控制响应快、有效性高等优点。 4.影响因素 :液压控制系统的性能和精度影响 WRB 的控制精度和可靠性。 1.1.4 板形概念的引入 轧制过程实质上是金属在轧辊的作用下发生塑性变形的过程，一定断面形状的坯料经过轧制发生明显的纵向延伸和一定的横向流动，最终成为一定尺寸的成品。板带轧制对轧制变形过程有一个主要的要求，既沿板带宽度各部分有均匀的纵向延伸。假设将板带分割成若干纵向板条，当轧辊沿横向的压下量分布不均时，各窄条就会相应地发生纵向延伸不 均，这样相邻的带材之间产生伸长差， 由于板带实际上是一个整体，必然会同时影响到相邻窄条的变形，这样各个窄条之间必定互相牵制，互相影响。延伸大的部位牵拉延伸小的部位，使其产生拉应力，反之延伸小的部位阻止延伸大的部位伸长，使延伸大的部位产生压应力，当压应力达到某个值时，板带失稳发生应变，便产生了板形缺陷。 为了说明这种金属纵向变形不均的程度，引入了板形的概念。所谓板形，直观上讲，指横向各部位是否产生波浪和瓢曲，它决定于延伸率沿宽度方向是否相等，就其实质而言是指带材内部残余应力的分布是否不均。根据带材中残余内应力 的大小，可以把板形不良分为“表观的”板形不良和“潜在的”板形不良。如果该内应力足够大，以至于引起板带翘曲，则称为“表观的”板形不良；如果这个内应力存在，但不至于引起板带翘曲，则称为“潜在的”板形不良。“表观的”板形不良和“潜在的”板形不良与板带的环境条件有关，在一定条件下两者可以相互转化。如带钢在张力作用下冷轧有时并未发生翘曲，去除张力后，发生明显的翘曲，就体现了“潜在的”板形不良转化为“表观的”板形不良。板带沿横向的延伸率不同，则横向产生的残余内应力也不同，产生的板形缺陷也就不相同。如果一边的延伸率大于另 一边的延伸率，则产生横向延伸率小的一边将会发生侧弯。如果中部的延伸率大于两边，则产生中间波浪和瓢曲。相反如果两边的延伸率大于中部的延伸率，则产生对称的双边浪。此外还可能产生四分之一波浪、中边复合浪等板形缺陷。不同的板形缺陷要采用不同的控制系统校正，如侧弯采用倾辊系统校正，对称的边浪和中间浪可以通过调节辊形来控制，而单边浪必须通过调整左右压下装置才能消除。 为了衡量板形的好坏，实现板形的在线自动控制，就要对板形进行定量描述。人们依据不同的研究角度及不同的板形控制思想采取了不同的表示方式。其中取板带横向上不同点 的相对长度差来表示板形，这种 方法直观、简单，因此许多国家和工作者都采用相对长度差这种方法来表示板形。 板形标准曲线也称板形目标曲线或板形参考曲线，以它作为板形控制的目标，nts兰州理工大学毕业设计说明书 5 使轧制得到所要求板形精度的带材。板形标准曲线，实质就是轧后带材内部残余应力沿宽度方向的分布曲线，它代表轧后带材的板形状况。因此，通过设定板形标准曲线，就可以得到具有期望板形特征的带材。用可供设定、修改和选择的板形标准曲线作为板形控制的目标，而不仅仅将其局限于满足轧后实测张应力均匀分布这一条件的板形控制，实际上就是将实测张应力分布偏差曲线 (即残余应力分布曲线 )控制到板形标准曲线上来，使得板形控制具有更大的灵活性，这样对板形理论研究和生产实践都具有重要意义。 板形控制系统在计算机中可存储若干条板形标准曲线，这些曲线分别有各自的编号，操作人员可以根据控制的需要，选择不同的板形标准曲线。原则上人们可以设定任意形式的板形标准曲线，但实际上为取得更好的控制效果以及控制起来更容易，板形标准曲线一般要与轧机所具有的板形控制手段对应起来。 1.1.5 板形检测装置基本原理的介绍 由于板形本身受到许多因素的影响，板形缺陷又有各种复杂的表现形式，这就给板形精确检 测带来了困难。特别在实行张力轧制时，由于张力的作用，通常会将某些板形缺陷掩盖起来，揭露这些潜在的板形缺陷是比较棘手的问题。尽管如此，由于实际生产的迫切需要和板形改善所带来的巨大经济效益，各国都开展了板形检测装置的研制。目前己经研制出多种形式的板形检测装置，多数已经用于生产实践中，并取得良好的效益。 板形检测装置结构形式繁多，工作原理也各不相同，但按板带和板形检测装置的关系划分，大致可分为接触式和非接触式两大类。下面简单介绍一下目前比较常用的几种板形检测装置的基本原理。 1.测辊 BFI检测辊是由德国钢铁工艺研 究所 (BFI)研制的一种张力分段板形检测装置，它利用的是压电效应原理。某些电介质如 (石英 )，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象，称之为“压电效应”。由这种电介质制成的力传感器就是压电式传感器。 BFI 辊的板形检测，就是通过测量每段上的压电式传感器的输出电荷量来获得作用在每段检测辊上的负载力，进而得到带材的张力，以达到检测板形的目的。它的优点在于便于装拆和维护检修、输出较大、通道少、用滑环少、测量精度高，但它的信号 处理比较麻烦。 2.分段式 ASEA 检测辊这种板形检测装置首先由加拿大铝公司 (ALCAN)和瑞典电气公司 (ASEA)联合研制出来，是最早出现的板形检测装置之一。它利用的是压磁传感器的作用原理，是基于铁磁材料的压磁效应，即在机械力的作用下，铁磁材料的导磁率 p 发生变化，进而引起铁磁材料的磁阻 R 变化，而磁阻变化又引起铁磁材料线圈阻抗和电动势的变化。因此，通过测量压磁传感器的输出电压，再nts兰州理工大学毕业设计说明书 6 通过相应测量线路就可以测得作用在检测辊上的负载力。它的优点是输出信号大、过载能力强、寿命长、抗干扰性能好、结构简单及测量精度高。不足 之处就是使用的滑环多。 3.多段式检测辊这种板形检测装置是在 1980年由东北重型机械学院研制成功，并于 1982年通过机械部鉴定。成功用于四辊实验冷轧机上，并形成闭环控制系统。该辊由支撑辊、承载件、压辊、变形梁、传感器和底座组成，其主要优点是把旋转的电信号从测力辊中分离出来，变成固定在底座上的传感器的信号，而旋转辊变成单纯的承载件，所以信号也由断续的变成为连续的信号，使辊体本身没有滑环，消除了滑环噪音，并使信号处理过程大大简化。当然，多辊环间的干涉及调整尚稍显复杂，有待进一步完善 。 4.涡流测距仪应用涡流来检 测板材平直度，这是因为板材的自然振动和平直度有对应的关系，所以用涡流测距仪来测定振幅。这就是弹性振动式平直度检测器的原理依据。将一块金属板放在一支扁平线圈附近，由高频振荡器供给线圈高频交流电流，线圈便形成一个交变磁场，于是，导体极板上生成同轴涡流。它也形成一个磁场，涡流交变磁场。与线圈磁场方向相反，总是抵抗。两个磁场叠加后使线圈原来的电感量 L下降，使线圈中电流的大小和相位都发生变化，变化的程度与可变距离 d有关。当被测导体材料与激磁频率一定时，阻抗值将是距离 d的单值函数，即： Z= F (d )。因此通过适当的 测量电路，可以把 Z的变化转化为电压的变化，从而达到把位移转换为电量的目的。用它测量振幅范围从几十微米到几毫米，频率特性从零至几十赫兹以内比较平坦。通过测定振幅可以间接地测量平直度。涡流测距仪的优点是测定范围宽。 5.光学式板形检测装置这是一种非接触式板形检测装置，一般应用 热轧，它的检测对象是带钢的波形。在带钢一侧竖立一荧光灯，它发出的光经带钢反射后由带钢另一侧的摄像机摄取。当带钢的板形缺陷不同时，在摄像机中会形成不同的象。若带钢平直，则带钢反射后所形成的虚象为一水平线，若产生中波，则形成的象在对应中波的位 置上发生凸起或凹入，若产生边波，这时带钢的象在两端发生向上或向下的弯曲，这两种情况都表示了带材的板形不良。带钢波形越高，则成象偏离正常位置越大，虚象的位移量和带钢翘曲度成正比。由于该板形检测装置是检测波形的，所以它适用于低张应力轧制过程。当张应力较大时，板形缺陷常常被掩盖起来，这时用光学式板形检侧装置难以检测出板形缺陷。因此，这种装置不适用于大张力轧制过程。 上述介绍的都是接触式板形检测辊，板带材与力敏元件之间要有转动装置过渡，不但结构复杂，机械磨损严重，精度也不尽人意。又因辊环的惯量大，必须在张力较大的情 况下进行工作，因此进行超薄板和箔材 (铜、铝等有色软金属 )的板形检测时，容易划伤带材的表面，造成带材质量下将。而非接触式板形检测装nts兰州理工大学毕业设计说明书 7 置由于只能进行“表观的”板形检测，影响了它的使用范围，使这类板形检测装置的应用具有一定的局限性。因此研制一种适用于超薄板和箔材的高可靠性、高精度板形检测装置就引起了人们的关注。 而气动板形检测辊因为辊环和固定轴之间无摩擦，辊环转动惯量小，所以板带对辊环的包角可以很小，在较小的张力作用下即可工作，不会擦伤薄板和箔材的表面，因此它弥补了上述检测装置的不足而适合超薄板和箔材的板形检测。 1.2 选题的背景及意义 现代工业对钢板的板形质量提出的越来越高的要求，板形测量技术已经成为标志现代化板带热轧机、冷轧机和中厚板轧机的技术装备和自动化水平的代表性技术。 随着我国铜铝加工业的迅猛发展，我国铜铝加工设备也经历了一个自主开发引进学习借鉴国产化的往复循环过程。伴随着市场需求的不断增长和变化，我国铜铝加工设备市场正在逐步向高精化、宽幅化、高速化以及高技术和连续轧制的方向发展 为了追求产品的日渐完美，高技术轧机不断涌现。这些轧机可以说是集中了当前各项轧制新技术和先进技术。其完善的工艺过程自动化系 统可保证生产达到最优化。这些新技术包括：带材平直度控制；带材厚度控制；带材面积最优化控制；带材产量最优化控制；生产计划控制；人工智能控制等。 这些先进的控制技术使得带材生产更趋容易，板型更易控制，同时对操作工人技术熟练程度的依赖性大大降低。 板形精度是产品质量的一个重要组成部分，对产品的竞争力至关重要。为了提高产品的测量精度，国外的一些企业已经开始在轧机生产线上使用自动检测系统，以在线检测板形。但是，国内的大部分企业都没有采用此项技术，在生产线上产生的产品表面缺陷不能及时检测出来，给企业造成了巨大的经济损失 。而国外的产品有许多成功应用于工业现场的实例。例如，德国 Parsytec 公司的产品已经运行在全世界十余家钢铁企业的几十条生产线上。因此，该项技术的成熟性和可靠性是得到工业现场实际应用验证的。板形精度是产品质量的一个重要组成部分，对于某些产品，如汽车板、家电板、不锈钢、铝带和铝箔等来说，板形精度对总体质量往往起到至关重要的作用，因此，提高产品的测量精度是企业增强市场竞争力，提高经济效益的前提条件。 现代化轧机的水平主要体现在能实现高速轧制、高精度的厚度公差、良好的板形、高的生产率等方面，其控制系统应能够提供多 种手段来满足上述的要求。在实际轧制带材的过程中有各种因数直接地影响带材的轧出厚度，如来料的硬度和厚度的不同、轧辊偏心及磨损、轧制速度变化引起的轧辊轴承油膜厚度的变化nts兰州理工大学毕业设计说明书 8 等。虽然现在国内外有各种性能优异的板带控制系统，但大都结构复杂，价格昂贵，仅在一些大中型企业中应用。国内多数中小型轧机企业目前仍采用手动控制的方法，其厚度控制精度很低。为此，基于单片机实现的厚度，轧制力等智能控制的研发有很大的现实意义，实践证明，该控制装置实现简便，控制精度高，并对系统参数变化具有较好的响应。单片机实现的轧机厚控设备，在我国有很大 的应用前景。 1.3 设计任务的说明 轧机液压厚控系统要求具有较高的响应速度、很高的厚度控制精度、很高的工作可靠性、很完善的系统保护能力及故障诊断能力，本系统利用单片机（ PIC16C73）检测单架轧机在轧制时的工作状态、带材厚度、轧制速度。 开机以后，同时当检测到穿带信号和速度上升信号后，利用 PIC16C73 单片机中的计数器开始记时一段时间，然后系统记下厚度传感器测头的信号，厚度信号通过单片机 PIC16C73 的模拟量通道采集进来，进行存储和实时的显示，在检测到厚度后要进行放大处理，需要设计硬件放大电路，然后进 行采集。为了使轧机有较高的工作可靠性，要求所设计的系统具有很完善的系统保护能力以及关键的故障诊断能力，测量系统有断带检测功能。在显示单元的设计中，要求有键盘切换显示的功能，切换不同的功能键，可以分别显示带材厚度和轧制速度。发生断带时，要进行报警，以实现快速停机，保证工作安全，实现对轧机工作的实时监测。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 9 第二章 速度和厚度测量系统 简介 2.1 传感器的介绍 2.1.1 传感器的作用 随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术、经济发展及 生态平衡的需要，传感器在各个领域中的作用也日益显著。在工业生产自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开发的各种传感器，不仅能代替人的感官功能，并且在检测人的感官所不能感受的参数方面创造了十分有利的条件。工业生产中，它起到了工业耳目的作用。例如，冶金工业中连续铸造生产过程中的钢包液位检测，高炉铁水硫磷含量分析等方面就需要多种多样的传感器为操作人员提供可靠的数据。此外，用于工厂自动化柔性制造系统中的机械手或机器人可实现高精度在线实时测量，从而保证了产品的产量和质量。在微型计算机广为普 及的今天，如果没有各种类型的传感器提供可靠、准确的信息，计算机控制就难以实现。因此，近几年来传感器技术的应用研究在许多工业发达的国家中已经得到普遍重视。 2.1.2 传感器及传感技术 传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。过去人们习惯地把传感器仅作为测量工程的一部分加以研究，但是自年代以来，随着材料科学的发展和固体物理效应的不断发现，目前传感器技术已形成了一个新型科学技术领域，建立了一个完整的独立科学体系 传感器工程学。传 感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，它是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。检测（传感）原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理，各种功能材料则是传感技术发展的物质基础，从某种意义上讲，传感器也就是能感知外界各种被测信号的功能材料。传感技术的研究和开发，不仅要求原理正确，选材合适，而且要求有先进、高精度的加工装配技术。除此之外，传感技术还包括如何更好地把传感元件用于各个领域的所谓传感器软件技术，如传感器的选择、标定以及接口技术等。总之，随着科学技术 的发展，传感技术的研究开发范围正在不断扩大。 2.1.3 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，敏感元件：在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用nts兰州理工大学毕业设计说明书 10 现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称预变换器。如在传感器中各种类型的弹性元件常被称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，例如压电晶体、热电偶等。需要 指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热敏电阻、光电器件等。而另外一些传感器，其敏感元件和转换元件可合二为一，如固态压阻式压力传感器等。测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路及其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡回路等 。 2.1.4 传感器的分类 传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种。 按输入量分类。如输入量分别为温度、压力、位移 、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象选择所需要的传感器。 按测量原理分类。现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。 按结构型和物性型分类。所谓结构型传感器，主要是 通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这种传感器目前应用得最为普遍。物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。 2.1.5 传感器的发展趋向 近年来，由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段，各种制造工艺和材料性能的研究已达到相当高的水平。这为传感器的发展创造了极为有利的条件。从发展前景来看，它具有以下几个特点。 1传感器的固态化 物性型传感器亦称固态传感器，目前 发展很快。它包括半导体、电介质和强磁性体三类，其中半导体传感器的发展最引人注目。它不仅灵敏度高、响应速度快、小型轻量，而且便于实现传感器的集成化和多功能化。如目前最先进的固态nts兰州理工大学毕业设计说明书 11 传感器，在一块芯片上可同时集成差压、静压、温度三个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。 2传感器的集成化和多功能化 随着传感器应用领域的不断扩大，借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密细微加工及组装技术等，使传感器从单个单元、单一功能向集成化、多功能化方向发展。所谓集成化就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分 利用半导体技术将其制作在同一芯片上。如集成压力传感器、集成温度传感器、集成磁敏传感器等。多功能则意味着传感器有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。 3传感器的图象化 目前传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量，而开始研究从一维到二维、三维空间测量的问题。现已研究成功的二维图象传感器，有 MOS 型、 CCD 型、CID 型全固体式摄像器件等。 4传感器的智能化 智能传感器是一种带有微型计算机兼有检测和信息处理功能的传感器。它通常将信号检测、驱动回路和信号处理回路等外围电路全部集成在一块 基片上，使它具有自诊断、远距离通信、自动调整零点和量程等功能。 2.2 速度测量模块 2.2.1 光电码编码器的介绍 光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移 数字变换的，从 50 年代开始应用于机床和计算仪器，因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点，在国内外受到重视和推广。近年来更取得长足的发展，在精密定位，速度、长度、加速度、振动测量等方面得到广泛的应用。 增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲数，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高 分辩率时，可利用 90 度相位差的 A、 B 两路信号进行倍频或更换高分辩率编码器。这种编码器广泛用于化工、冶金、能源、轻工、纺织、电子、机械、汽车等行业。 增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。 下面对增量式编码器的内部工作原理加以说明： nts兰州理工大学毕业设计说明书 12 图 2-1 增量式编码器工作原理图 A,B 两点对应两个光敏接受管， A,B 两点间距 为 S2 ,角度码盘的光栅间距分别为 S0 和 S1，当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的 S0：S1： S2 比值与实际图的 S0： S1： S2 比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中的 S0： S1： S2 比值与实际图的 S0： S1： S2 比值仍相同。如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期的组合，那么每个运动周期（看作匀速运动）中输出波形图中的 S0： S1： S2 比值与实际图的 S0： S1： S2 比值仍相同。通过输出波形图可知每个运动周期的时序如下： 顺时针运动： A B 逆时针运动： A B 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 把当前的 A,B 输出值保存起来，与下一个 A,B 输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向，如果光栅格 S0 等于 S1 时，也就是 S0 和 S1 弧度夹角相同，且 S2 等于 S0 的 1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为 S0 弧度夹角的 1/2，除以所消耗的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度 S0 等于S1 时，且 S2 等于 S0 的 1/2 时， 1/4 个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果 S0 不等于 S1， S2 不等于 S0 的 1/2，那么要 1 个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 光电编码器每转输出数百个脉冲，五线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线 (A 相、 B 相、 Z 相 )。电源的工作电压为 （ +5 +24V）直流电源。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动 机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的发射装置输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90的两路脉冲信号。 当光电编码器的轴转动时 A、 B 两根线都产生脉冲输出 ,A、 B 两相脉冲相差 90 度相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果 A 相脉冲比 B 相脉冲超前则光电编码器为正nts兰州理工大学毕业设计说明书 13 转 ,否则为反转。 Z 线为零脉冲线 ,光电编码器每转一圈产生一个脉冲，主要用作计数。 A 线用来测量脉冲个数 ,B 线与 A 线配合可测量出转动方向。 当测出的脉冲个数与计算出的标准值有偏差时 ,可根据电压与脉冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压 U ，经过 D/A 转换，再计算出增量脉冲个数， 多余的 减去 即可 。 当运行时间越长 、 路线越长，离我们预制的路线偏离就 越 多了。这时系统起动位置环，通过不断测量光电编码器每秒钟输出的脉冲个数，并与标准值（理想值）进行比较，计算出增量并将之转换成对应的 D/A 输出数字量，通过控制器减少输 出 电机的脉冲个数，在原来输出电压的基础上减去增量，迫使电机转速降下来，当测出的 增量 近似为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在允许的 范围内。 2.2.1 速度测量电路的原理 由于速度信号比较微弱，所以首先进行滤波，以去除干扰，然后进行适当的放大，经过电压比较器成为脉冲信号。其电路原理图如下： 图 2-2 速度测量系统电路图 由图可以看到，首先对光电传感器输出的微弱电压信号进行低通滤波，去除部分干扰。然后将流量信号进行适当的放大，再经过迟滞比较器将信号变换成较理想的高低电平信号。推导过程如下： 2.2.2.1 信号采集 光电编码器外接电源由 +5V 直流电源提供，它可以使光电编码器中的发光二极管发光，以及 光敏二极管接收光信号。当轧机工作时，光电编码器发出的光信号经辊盘之后被接收端接收，由于辊盘面是带孔的挡光圆盘，所以接收端得到的是光脉冲信号，并不是连续的光信号，这个原始的脉冲信号经处理后就可以用来记数了。 2.2.2.2 信号的滤波放大 nts兰州理工大学毕业设计说明书 14 由光电编码器得到的原始脉冲信号，由于此信号比较微弱，所以，必须先进行滤波放大处理，滤波由图中电容 C1 完成，低通滤波后，信号进入有 A6 组成的放大器中，经过这两个步骤，原始信号就变成了较明显的脉冲信号，可是，这个信号还不是标准的方波，如果直接传输给单片机，将会使测量的数据不准确 ，所以，有必要对其进行标准化处理，即，将这个信号变成标准的高低电平信号，这就用到了比较器。 2.2.2.3 脉冲输出 比较器是一种用来比较输入信号 UI 和参考电压 Vref 的电路。参考电压 Vref 加于放大器的同相端，这时，放大器处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。当输入信号电压 UI 小于参考电压 Vref 时，运放将处于负饱和状态， U0=VOL；反之，运放将处于正饱和状态， U0=VOH，其中， VOL和 VOH 为负、正向幅度，均受供电器的限制。这样就可以将非方波信号变成较准确的高低电平信号。这个信号可以直接传输给单 片机，用来实现对速度信号的计算。在此处，我选用了性能更稳定的迟滞比较器，它是通过比较输入电压和上下门限电压来产生高低电平信号的，与简单的比较器相比，虽然它的灵敏度稍差一些，但是它的抗干扰性能却相当出色。下一小节对它做详细的介绍。 2.2.3 迟滞比较器 单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。当其输入信号含有噪声或干扰电压时会导致比较器输出不稳定，如果用这个输出电压去控制电机，将会出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的，提高抗干扰能力的一种方案就是采用迟滞比较器。 （ 1）电路组成 顾名思义，迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。为了获得迟滞回环的传输特性，在反相输入单门限电压比较器的基础上，引入了正反馈网络，如图所示： 图 2-3 迟滞比较器 这样就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于正反馈的作用，这种比较器的门限电压是随输出电压 VO的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗nts兰州理工大学毕业设计说明书 15 干扰能力却大大提高了。 （ 2）门限电压的估算 由于比较器中的运算放大器处于正反馈状态，因此一般情况下，输出电压 VO与输入电压 VI不成线形关系，只有在输出电压 VO发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间 的电压才可近似认为等于零，即 VID 0 或 VP VN=VI是输出电压 VO转换的临界条件，当 VIVP，输出电压 VO为低电平 VOL；反之， VO为高电平 VOH。显然，这里的 VP值实际就是门限电压 Vth。设运放是理想的，由上图利用叠加原理有 VP=Vth=R1Vref/(R1+R2)+R2VO/(R1+R2) 根据输出电压 VO的不同值，可分别求出上、下门限电压如下 Vt+=R1Vref/(R1+R2)+R2VOH/(R1+R2) Vt-=R1Vref/(R1+R2)+R2VOL/(R1+R2) 门限宽度和回差电压 为 Vt=Vt+-Vt-=R2(VOH-VOL)/(R1+R2) （ 3）传输特性 设从 VI=0,VO=VOH,VP=Vt+开始讨论。 当 VI由零向正方向增加到接近 VP=Vt+前， VO一直保持 VO=VOH不变。当 VI增加到略大于 VP=Vt+，则 VO由 VOH下降到 VOL，同时使 VP下降到 VP=Vt-， VI再增加， VO保持VO=VOL不变。 若减小 VI，只要 VIVP=Vt-，则 VO将始终保持 VO=VOL不变，只有当只要 VIVP=Vt-时， VO才有 VOL跳变到 VOH。 2.3 厚度测量模块 2.3.1 磁栅传感器的 介绍 2.3.1.1 组成与分类 磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号 (正弦波或矩形波 )用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位移，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。 磁栅基体是用不导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜，要求录磁信号幅度均匀，幅度变化应小于 10，节距均匀。磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，前者用于测量直线位移， 后者用于测量角位移。目前长磁栅常用的磁信号节距一般为 0.05mm 和 0.02mm 两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十分。磁栅基体要有良好的加工性能和电镀性能，其线膨胀系数应与被测件接近 , 基体也常用钢制nts兰州理工大学毕业设计说明书 16 作，然后用镀铜的方法解决隔磁问题，铜层厚度约为 0.15 0.20mm。长磁栅基体工作面平直度误差应不大于 0.005 0.01mm/m，圆磁栅工作面不圆度应不大于0.005 0.01mm。粗糙度 Ra在 0.16 m 以下。 磁性薄膜的剩余磁感应强度 Br要大、矫顽力 Hc要高、性能稳定、电镀均匀。目前常用的磁性薄膜材料为 镍钴磷合金，其 Br=0.7 0.8T， Hc=6.37 l04A m-1，薄膜厚度在 0.10 0.20mm 左右。 长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。一般常用尺型磁栅。它是在一根不导磁材料（例如铜或玻璃）制成的尺基上镀一层 Ni-Co-P 或 Ni-Co 磁性薄膜，然后录制而成。磁头一般固定在磁头架上，工作中磁头架沿磁尺的基准面运动，磁头不与磁尺接触。尺型磁栅主要用于精度要求较高的场合。 当量程较大或安装面不好安排时，可采用带型磁栅，带状磁尺是在一条宽约20mm、厚约 0.2mm 的铜带上镀一层磁性薄膜，然后录制而成的 。带状磁尺的录磁与工作均在张紧状态下进行。磁头在接触状态下读取信号，能在振动环境下正常工作。为了防止磁尺磨损，可在磁尺表面涂上一层几微米厚的保护层，调节张紧预变形量可在一定程度上补偿带状尺的累积误差与温度误差。 同轴型磁栅是在 2mm 的青铜棒上电镀一层磁性薄膜，然后录制而成。磁头套在磁棒上工作，两者之间具有微小的间隙。由于磁棒的工作区被磁头围住，对周围的磁场起了很好的屏蔽作用，增强了它的抗干扰能力。这种磁栅传感器结构特别小巧，可用于结构紧凑的场合或小型测量装置中 。 圆磁栅传感器磁盘圆柱面上的磁信号由磁 头读取，磁头与磁盘之间应有微小的间隙以避免磨损。 磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头两种。 动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，它只有一组线圈。其铁心由每片厚度为 0.2mm 的铁镍合金（含 Ni80）片叠成，需要的厚度（如窄型： 3mm；宽型： 18mm） , 前端放入 0.01mm 厚度的铜片，后端磨光靠紧。线径 d 0.05mm，匝数 N= 2 l000 2 l200，电感量约为 L=4.5mH。 当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，由于电磁感应将在磁头线圈中产生 感应电动势。当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时 ,输出感应电动势的大小也不同 , 静止时，就没有信号输出。因此它不适合用于长度测量。 用此类磁头读取信号，读出信号为正弦信号。 静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。 2.3.1.2 信号的处理 动态磁头利用磁栅与磁头之间以一定的速度相对移动而读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。例如某些动态丝杠检查仪，就是利用动态磁头读取磁nts兰州理工大学毕业设计说明书 17 尺上的磁信号，作为长度基准，去同圆光栅盘（或磁盘） 上读取的圆基准信号进行相位比较，以检测丝杠的情度。 动态磁头一般总是成对使用，即用两个间距为（ n 1/4） W 的磁头，其中 n为正整数， W 为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间相差 90。其信号处理方式分为鉴幅与鉴相两种。 （一）鉴幅方式 两个磁头的输出为 式中 Um为磁头读出信号的幅值； 为 磁头与磁栅之间的相对位移； 为励磁电压的角频率。 经检波器去掉高频载波后可得 此两路相位差为 90的两相信号送至有关电路进行细分辨向后输出。 （二）鉴相方式 把某一磁头的励磁电流移相 45（或把其读出信号移相 90）， 将两路信号相减后得到的输出电压为 由式可见，输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化的信号，可用鉴相电路测量出来。 磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，其精度略低于感应同步器。除此之外，它还具有下列特点： 录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录； 使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因而可避免安装误差； 可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望 基准量中含有因子，可在节距中考虑。 与感应同步器相似，磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两项。 影响零位误差的主要因素有：磁栅的节距误差；磁栅的安装与变形误差；磁栅剩磁变化所引起的零位漂移；外界电磁场干扰等。 影响细分误差的主要因素有：由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；两个磁头间距偏离 1/4 节距较远；两个磁头参数不对称引起的误差；磁场高次谐波分量和感应电动势高次谐波分量的影响。 上述两项误差应限制在允许范围内，若发现超差，应找出原因并加以解决。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 18 要注意对磁栅 传感器的屏蔽。磁栅外面应有防尘罩，防止铁屑进入，不要在仪器未接地时插拔磁头引线插头，以防止磁头磁化 。 2.3.1.3 工作原理 测量装置的组成及测量原理如下： 图 2-4 磁栅工作原理图 根据系统的功能要求 ,设计了如上图所示的测量装置。其原理如下： 测轮 4、导柱 5 和磁栅传感器磁尺 3 固联在一起 ,称为测量组。两个测量组对顶安装 ,在测量力的作用下 ,两个测轮与带材相接触。带材厚度的变化使测轮推动测量组上下移动 ,造成磁尺 3 和与机架相固联的磁头 2 之间的相对移动 ,每个磁头的读数都是与其相对应的测量组的相对位移。只要将两 个磁头的读数相叠加 ,就可以得到带材的厚度数值。在这个测量装置中 ,梁的主要作用就是支撑全部测量零件 ,并能够按要求带动测量零件移动。因此两个梁采用分体化的设计 ,并分别安装在支撑导柱上 ,便于在走带或对轧机进行调整时将上梁升起。测量组底座的主要作用是支撑测量组 ,底座中间设计有 3个通孔 ,两侧的孔是用来安装导柱的 ,导柱在孔中直线轴承的约束下 ,沿孔的轴线方向上下运动。中间的孔安装磁栅传感器。磁栅传感器的磁头粘在铜制拴头的下端 ,磁尺则安装在活塞上 ,测轮推动测轮支架上下移动时 ,磁尺在活塞的带动下相对于测头相对移动 ,测轮的移动 量就可从磁头读出并被送至单片机。中间孔的上端可拧入铜制的栓头 ,下端有与测轮支架相连的活塞深入 ,背面留有与气动元件的气嘴相连的气嘴孔。在实际测量时 ,此孔中形成恒压腔 ,推动测轮完成测量。 测量时 ,上梁落下 ,测轮伸出腔体 ,直至两测轮对顶为止。此时 ,磁栅传感器清零。当带材通过测轮时 ,两个测轮均发生位移 ,根据一般工业现场的习惯 ,测轮向腔体方向的运动应为正方向 ,所以 ,将两个磁栅传感器的读数相加 ,就可得到带材厚度值 ,磁栅的读数被送至放大电路 ,经处理后送至单片机 ,在 LED 的屏幕上显示出来。这种测量方式的好处是将测量基准浮动 ,当两个测轮相互接触时 ,带材厚度的测量值一定是零 ,即使两个测轮一起向下运动 ,由于它们的运动方向相同 ,运动位移相同 ,所以两个磁栅传感器的读数之和必仍为零。这样 ,测量的基准只与测轮是否相互接触有关 ,而与轧制线的位置无关 ,省去了在每次轧制线变化后都要调整测nts兰州理工大学毕业设计说明书 19 量基准的麻烦 ,大大简化了现场
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