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非接触钢板厚度测试仪毕业论文
第一章引言
§1.1研究背景和意义.....................2
§1.2国内外研究现状.....................3
第二章测量原理和方案论证
§2.1 激光测厚仪工作原理................4
§2.2方法论证............................5
第三章电子系统设计
§3.1驱动电路设计........................6
§3.1.1驱动电路......................7
§3.1.2震荡信号产生电路................7
§3.1.3补偿电路........................7
§3.1.4放大电路设计...................8
§3.1.5开关控制电路...................8
§3.2报警电路设计.....................8
§3.2.1555芯片引脚..........9
§3.2.274LS48芯片的介绍...............10
§3.2.34LS147芯片介绍................10
§3.2.4优先编码-译码-显示电路...........11
第四章精度分析
§4.1光学系统成像引入的误差..............11
§4.2环境温度折射率引入的误差............12
第五章总结................................13
非接触钢板厚度测试仪
第一章引言
§1.1研究背景和意义
钢板是造船、桥梁、机械、汽车行业中不可缺少的原材料,在轧钢生产过程中钢板厚度尺寸是很重要的参数,直接决定着钢板的成材率。
传统的检测方法是采用检测头与待测钢板直接接触来测量,这种测量方法检测效率低,劳动强度大,而且会使测量仪器的检测头发生磨损,从而造成仪器的测量精度下降。
因此,在现代板材生产中,不论是轧制过程中还是最终产品的调整中,为获得较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果,板材厚度测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。
宽度偏差每减少1mm,成材率就可以提高0.1%左右,因此厚度控制技术可显著提高经济效益和产品竞争力。
目前,世界上先进的钢铁企业已较为普遍地采用在线自动测量技术对钢板板材的长度、宽度进行测量与剪切。
其中,除了采用激光扫描、超声检测、射线测量等技术外。
随着我国经济的迅猛发展,钢铁行业也有了很大的发展。
不论是在国内知名的首钢,宝钢等大型国有企业,还是一些小型的钢铁企业,对生产出来的钢材的测量都有着自己的一套标准,同时也不得不说,在这些方面还不能和一些世界知名的钢铁企业相媲美。
板是钢材四大品种(板、管、型、丝)之一,在发达国家,钢板产量占钢材生产总量50%以上,随着我国国民经济的发展,钢板生产量逐渐增长。
为了使我国的钢材产品能够在国际市场上具有很好的竞争力,近年来,我国很多钢铁生产经营企业都购置了具有更高自动化程度和精度的钢板剪切设备,与之相适应,高精度、高速度的在线厚度检测装置就是关系到剪切设备能否成功运行的关键的控制技术。
激光厚度仪虽然可以方便快速地实现工件厚度的无接触测量,但测量精度不高,难于满足工件的高精度测量要求。
另外,当被测点要求很多、所测厚度连续变化、材质是复合的情况下,传统测量方法就受到了限制,要做到高精度的测量就显得更不容易。
困此,可用高精度非接触位移传感器,检测工件表面与测头之间的位移变化所引起的电流变化,利用计算机和所编软件进行数据处理、设定测量点数并控制测量全过程。
因此,通过光机电算各部分的分工合作,最终实现了如今我们此次课题。
§1.2国内外研究现状
德国IMS公司提供的厚度测量系统通常由测量站、信号加工处理元件和外围辅助设备组成。
数据记录系统完成数据的统计分析和评估,以保证测量质量。
该系统可实现热轧或冷轧的在线测量。
测量过程中由于使用了X射线或同位素射线,因而可在无接触和无破坏性的条件下进行。
且能在时间常数为1ms情况下获得高的测量精度小于0.1%。
该系统的设计可扩大工业应用范围,保证有较长的使用寿命且易于在现场使用。
该测量系统的设计特点:
标准测厚仪由带有射线源的测量站和带有信号加工处理系统的电子元件组成,其他工作和操作人员工作站以及外围设备也可包括在内。
各种各样的人机交互界面可以利用,远距离诊断分析可通过专门的交互界面实现。
测量点可按如下方式进行设定:
①整个带钢长度上沿带钢中心线对带钢厚度进行测量;②多信道中心线和横断面测量;③多信道中心线和边部减薄测量;④多信道中心线、外形和边部减薄测量,包括宽度和平直度测量。
采用多信道厚度测量系统,通过X射线可对带钢整个宽度上的厚度进行判断。
目前系统配备最先进的X射线技术,且具有很大的信噪比。
由于X射线管的高压可单独设定,因而可根据具体的测量任务对辐射能进行最优调整。
该系统的安全功能远远超过法规要求,可提供安全和紧急开关并对任何潜在危险显示警告信号。
第二章测量原理和方案论证
§2.1 激光测厚仪工作原理
激光测厚仪是20世纪80年代随着激光技术、CCD技术的发展而研制的新一代在线、非接触式测厚仪。
激光测厚仪原理图如图3所示。
图4激光三角法原理框图
图中上、下两激光器发射的激光束,经压缩器垂直投射到被测钢板两个表面的A、B两点,形成测量光斑。
A、B两点上的激光漫反射的能量,经接收光学系统L1和L2分别成像在CCD器件上。
CCD器件上的两个像点位置与原先位于零平面上O点的激光斑的成像位置进行比较,则可测出像点的位移量X1和X2。
通过几何换算,可根据像点的位移量X1和X2求出A、B两点与零平面上O点的间距H上和H下。
H上和H下经微机运算后,即可得出被测物的厚度H。
因此,只要能精确地测出像点的位移量X1和X2,即可精确测定被测钢板的厚度H。
根据光学成像理论,设光学系统的参数为:
接收镜头的焦距为f;激光发射系统为垂直照射,发射系统与接收系统的夹角为θ;物距为l;系统的放大倍率为β;接收系统光轴与CCD光敏面的夹角为φ;被测物体两个表面与测量零平面的相对位置分别为H上、H下;像点在CCD右的相对位置分别为x1、x2。
则上下两个光路的物像关系都满足如下关系式:
上式表明:
被测钢板的表面位置H和像点在CCD右的位置x之间存在单调的和非线性的关系。
则被测目标的厚度为:
§2.2方法论证
从测量原理可以看出,此法的突出优点是所测得的被测物厚度H值与被测物的材质、温度和标准值无关;激光倾斜照明发测量钢板厚度
工作原理及特点
激光倾斜照明法测量热轧钢板厚度的工作原理
如图1所示。
其中,图1(a)为45°视图,图1(b)为主视
图1(c)为俯视图。
摄像机的光轴与xoz平面成一定的夹角
θ,激光器按特定的角度和发散度产生不同于红热的钢板颜色的绿色光斑照射在被测钢板侧面,产生一个“绿色光带”,经过蓝色滤光片将热辐射和背景光等绿光以外的杂散光滤除后,经摄像机镜头成像于CCD靶面上,由网线将采集到的图像传输到计算机,经图像处理计算得出采集的成像光带的像高,由于像高与被测钢板厚度有一定的关系,从而得到板厚h。
图1(b)和1(c)反映了激光器、摄像机及待测钢板的位置关系,这种位置关系决定了整个测量系统的优点:
整个测量系统安装在热轧钢板的侧面,安装方便,热轧钢板对测量设备的热辐射影响大大减小;系统采用激光倾斜照明方式,故而在保证被测钢板不超出视场范围上限和激光束下边缘的情况下,钢板绕oz轴顺时针或者逆时针旋转一定的角度,系统仍可以准确测量钢板厚度。
第三章电子系统设计
§3.1驱动电路设计
驱动电路采用以脉宽调制器UC3842为核心元件设计的开关电路.UC3842是美国Unitrode公司生产的电流型单端输出脉宽调制器(PWM),具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点.稳压性能好,其电压调整率可达0.01%/V,除具有输入端过压保护与输出端过流保护电路外,还设有欠压锁定电路,使工作稳定可靠.UC3842的内部结构如图3所示,主要包括:
5.0V基准电压源、振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、PWM锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V稳压管.其电路设计原理框图如图4所示.
§3.1.1驱动电路
驱动电路产生一个2kHz的方波信号,方波信号的频率和占空比是可调的;MOS管作为一个开关使用,通过改变占空比控制半导体激光器的输出功率.电路原理图(如图5)所示.内部基准电压源产生5.0V基准电压,作为UC3842内部电源,经衰减得2.5V电压作为比较放大器基准电压,并可作为向外电路输出5V/50mA的电源.振荡器产生方波振荡,振荡频率取决于外接定时元件.反馈电压由2管脚接误差放大器反相端.1管脚外接R、C网络改变误差放大器闭环增益和频率特性;6管脚输出驱动开关管的方波,为图腾柱式输出,适用于驱动VMOS开关管,输出电流可达±200mA.3管脚为电流检测端,用于检测开关管电流,当U3≥1V时,可关闭输出脉冲,保护开关管不致过流损坏.UC3842包括过压、欠压保护电路,当电源电压超过17V或低于10V时,集成电路停止工作.
§3.1.2震荡信号产生电路
振荡信号生成电路是驱动电路中的重要部分,接在UC3842的4管脚和8管脚之间,以使启动UC3842的时候产生振荡.振荡信号生成电路由定时电容CT、电位器RW3、定时电阻RT和消噪电容C6构成.RW3的作用是调节振荡信号占空比和频率;C6的作用是滤除电路中电压信号的噪声,使振荡信号的波形更为理想.CT和RT的作用是以UC3842内部的振荡器为基础生成振荡信号,振荡频率由式
(1)来确定。
(1)
§3.1.3补偿电路
补偿电路结构如图5所示.补偿电路是UC3842内部误差放大器的外围电路.它通过一个电阻取样UC3842电源电压,通过电阻分压并输入到UC3842的2管脚,为误差放大器提供反相输入.分压电阻R1和R3取样15V的电源电压并分压达到UC3842的2管脚的电压要求后输入误差放大器反相端.误差放器反相输入与同相端2.5V标准偏压比较后产生误差信号.该误差信号经误差放大器放大后经1管脚输出.1管脚的并联阻容元件和放大器反相输入共同作用以改善误差放大器的增益。
§3.1.4放大电路设计
上图为TLC2262集成芯片,它是一个上运算放大器,高输入阻抗、低噪声:
第二级使用的是TL064芯片来实现对信号的差分方式放大,它内部集成有4个高速J-FET运算放大器,有很高的转换速率.低偏置电流.放大倍数可达500倍上。
测量部分的设计
3.1.5 测量部分是通过测量钢板的实际厚度和标准厚度的偏差来进行厚度测量的。
测量前先用标准量块代替标准钢板对传感器进行零点调节,具体的做法是先调节测头到钢板的距离,使其在传感器的测量范围内,然后通过传感器的控制器对传感器进行复位,此时传感器的模拟输出电压值为零。
测量时,若钢板的实际厚度与标准厚度存在偏差,即钢板上表面相对于传感器发生位移变化,传感器便输出一定量的模拟电压。
模拟电压输出值与厚度偏差值存在固定的线形关系,我们由这个线形关系便可推算出钢板的实际厚度。
非接触式测量原理图
3.1.6传感器的选择。
电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大,而且具有非接触测量的优点,因此广泛应用于工业生产的各个领域。
本系统采用的便是基士恩公司生产的EX-200系列中的EX-416圆柱形涡电流位移传感器,它具有如下的优点:
微小位移的精确模拟输出,EX-200系列以F.S.的0.04%的解析度来测量目标物,有两种模拟输出(电压/电流)可供连接到外部设备;EX-200系列使用内置线性化电路,可以精确的输出绝对位移值;高反应速度,EX-200系列提供最高达18KHZ反应频率,可以测量快速移动的物体;自动归零键按下自动归零键就可以把当前的电压输出设定为0V,只要按下归零键即可完成参考目标物的零值调节,在产品更换时可以容易而快速度地设定传感器。
本传感器的解析度为F.S的0.04%,测量范围为5mm,所以分辨率为2um,能够满足设计的要求。
3.2.2数据采集系统的设计。
在智能化测量系统中,为了实现对外界各种模拟信号的测量,必须通过数据采集系统将信号送入控制系统中,数据采集系统是外部信号进入计算机的必经之路。
一般的数据采集系统由前置放大器A、采样保持放大器SHA、模数转换器ADC组成,其中前置放大器A的作用是将信号放大到ADC可以接受的范围,采样保持器的作用是保持输入信号在ADC转换期间不变,而ADC的作用就是把模拟量转化为数字量
目前,随着大规模集成电路工艺的发展,市场上已经出现了各种专用的数据采集芯片。
这种芯片集高速度高精度SH、ADC、基准时钟源及数字接口与一体,可以达到很高的水平,本系统便采用了数据采集卡进行数据采集.该采集卡属于TDECISA系列,型号为TOP-10016,它是四通道同步并行数据采集模块,采用16Bit高精度A/D,每通道最高采样频率可同时达到100Kps,同时配有最高8M字节/通道的大容量SDRAM板载缓存,可实现多通道低速动态信号的实时记录。
它具有高速、大容量、并行采集、同步扩展的特点。
将采集卡插入PC机的插槽内工作,传感器将被测信号变为模拟电压信号,经屏蔽电缆与采集卡上的信号输入插槽直接连接,在配套TOPView2000虚拟仪器软件的控制下,可实现对模拟信号的采集和储存并可在PC机上进一步完成数据的上是实时处理和后处理。
3.3.2报警电路设计
系统的总的设计框图如下图所示。
图中很清楚的说明通过开关的控制产生低电平输入到编码器74LS474再输入到译码器74LS48就点亮LED七段数显。
而开关的控制也引起4068输出再输入到555的2脚,3脚输出高电平就使得蜂鸣器发出声音!
(系统总图)
§3.2.1555芯片引脚
1):
1脚是接地端;
2):
2脚和6脚是信号的输入端;
3):
3脚是555定时器的输出端,输出的波形是矩形波;
5):
5脚是控制端,常对地接一个0.01uF的滤波电容;
6):
7脚是放电端,也是控制波形的周期;
7):
8脚是Vcc端。
§3.2.274LS48芯片的介绍
74LS48被称为集成显示译码器,用来驱动各种显示器件,从而将用二进制代码表示的数字、文字、符号翻译成人们习惯的形式直观地显示出来的电路,称为显示译码器,其引脚图如图5.3所示。
七段显示译码器74LS48功能表如表3-2所示。
1):
3、4、5是信号的控制端;
2):
A、B、C、D分别是译码器的输入端,它于74LS90的
、
、
、
端相连接;
3):
a、b、c、d、e、f、g是译码器的输出端,它于锁存器相连;
74LS48
§3.2.34LS147芯片介绍
74LS147引脚图
该实验中我们采用74LS147优先编码器。
1)8、16脚接电源;
2)11、12、13、1、2、3、4、5、10脚分别对应输入I1~I9;
3)9、7、6、14分别对应输出Y0`Y3
图3.2.374LS147的引脚排列
§3.2.4优先编码-译码-显示电路
优先编码-译码-显示电路的工作原理
总开关的改变把产生低电平,输入到编码电路;经过编码74LS147的编码后,输入到译码电路;再经过译码74LS48的译码后,输入到LED数字显示器,从而显示数字.
优先编码-译码-显示电路图
我们用8个双刀单砸开关输入到74LS147编码,再经过非门74LS04,输入到74LS48译码,再输入到LED显示!
第四章精度分析
§4.1光学系统成像引入的误差
全面讨论时,光学系统误差应包括镜头的各种像差。
在激光测量系统中,由于是单色光,所以有关色差的所有像差完全可以忽略。
在这里起主要作用的是彗差、场曲、像散和畸变等轴外像差,尤其是彗差和畸变。
对于大视场系统,必须对镜头提出相应的指标[3]。
本文中主要讨论物体表面位置变化时,光学系统实际放大率的变化。
三角法测量系统的典型光路(如图3)所示。
在图3中,Mc是测量中心面,Mt是后层面,Mf是前层面。
光学系统的主轴与被测表面法线的夹角q0称为测量角。
由光学系统性质可知,只有垂直于光轴且过中心激光点平面'XY上的光斑,才能清晰的成像到像面X'Y'上,且保持垂直放大率b0不变。
当激光斑在Mf时,实际像点在像面之后,且垂直放大率大于b0。
当激光斑在Mt时,实际像点在像面之前,且垂直放大率小于b0。
因为CCD只在像面X'Y'上接受信号,所以Mf和Mt面上光斑的像都要发生弥散,但是光斑中心仍是主光束的。
中心,X'Y'面上像点高度实际上是真正像点的投影。
在图3中,根据三角几何关系,不难出激光斑的位置D与X'Y'面上像点高度H’的关系。
L,L’和B面的物距、像距和垂直放大率。
H是投影到XY面上的激光斑高度,H'是投影到X'Y'面上的像点高度。
图4和图5是由三角法计算出的实际像高。
从图4、图5可看出,在测量角为45°、视场角为18°左右时,全视场的放大率变化达12%。
因此必须进行多点标定插值计算,才能得到正确的测量值。
§4.2环境温度折射率引入的误差
在上面的讨论中,都假设环境空气折射率均匀分布。
在测量热工件场合,如热轧钢板在线检测,钢板附近的温度非均匀分布,造成附近空气折射率非均匀分布。
这时光线传输将发生弯曲。
在同样的光路参数下,钢板从500°变化到30°时,满量程光线弯曲引起像面上像高的变化达0.0687mm。
这个变化量随钢板温度变化而变化,多点标定插值方法也难以消除,但是采用完全对称双面双光路可以有效地克服。
§4.2误差的合成
误差合成包括已定系统误差合成,未定系统误差合成,随机误差合成,未定系统误差与随机误差的合成。
对于已定误差系统的处理,由于这类误差的规律是已知的,所以可以用调整或修正的方法将它消除。
因此在仪器精度分析中可以对其忽略不计。
其他的几种误差由于是未定或未知的,无法获得一个定量的修正值,因此对他们的处理需要一个相关的数学方法。
对于未定系统误差的合成,通常需要采用两种方法对其合成。
对常用的方法是高斯法,它实际上是将各项误差都作为随机误差来处理。
第五章总结
针对目前国内钢板生产设备由于缺乏有效的厚度实时测量手段,而影响产品质量和企业效益这一实际问题,本系统提供了系统的研究方法,提出了以电涡流传感器为基础、以计算机控制技术为核心的系统设计方案,在测量系统的各关键部分的设计中,充分利用了现代设计理论和设计方法,在总体上达到了系统设计的要求。
激光测厚仪在线测量钢板时,虽是非接触式测量,但到底是距被测钢板约500mm,在被测钢板表面温度500~1000℃的辐射下,测量车体的温度迅速上升。
这样就危及到测量车内系统的运行安全和测量精度。
车上原装有冷却装置,但终不理想。
在现场,我们跨辊道做了一个水套,以防辐射热,并设置温度补偿措施,以提高精度。
在气温较低的日子里,必须增加对测厚仪的检查次数,特别是光学系统。
否则在测厚车内,时高时低的温度会使水气在光学镜面结露,以至于接收不到采样信号,影响了测量。
钢板上的冷却水也会在蒸发之前落到接收窗和发射窗上,覆盖住窗口,无法进行测量。
为此,必须用风吹走落向窗口的水。
我们在测厚车旁加装了一台风机,以达到目的。
灰尘是无处不在的,特别是现场还存在着金属屑飘浮在空气中,这对测量仪来说是一个大敌。
为解决好这个矛盾,我们制作了一个轴向风筒,罩在窗口上,测厚仪在使用时,接通高压风,不仅能把灰尘、金属屑吹走,而且对于其他一些小的杂物和水珠也能拒之于窗外。
高压电源在冬天寒冷的季节或是激光管用长了,会出现激光管不能起辉的故障,这时只能靠提高激光管的启辉电压来解决,可以用降低电阻值来做到。
参考文献
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[5]孙本荣,王有铭,陈瑛.中厚钢板生产[M].冶金工业出版
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