电涡流式钢板在线测厚系统设计

    在金属板材、带材的轧制过程中,成品的厚度是最重要的物理指标之一。

    目前,国内的钢铁和有色金属行业多采用非接触式的测厚系统,如射线式,电容式,等等。其中,射线测厚系统有一定的应用,但其存在着射线管的老化和易损问题,高压发生器的准确度和稳定性以及整套设备造价过于昂贵等;而电容式测厚系统则受引线电容、寄生电容的干扰较大,不易消除。笔者介绍2种,以单片机系统为核心,利用电涡流式传感器对钢板厚度进行在线检测,通过实时数据采集,由单片机进行数据处理分析,并发出相应控制指令的系统。

    建立在电涡流效应原理上的测量技术,具有结构简单,频率响应带宽,灵敏度高,线性范围大,体积小等优点。在冷轧钢板生产过程中,采用高频反射式涡流传感器对钢板厚度作测量,应用前景广泛。

    1　测量原理与方法

    1.1　涡流传感器的基本原理[1]

    如图1所示,在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流I1时,线圈将产生高频磁场,由于集肤效应,高频磁场作用于金属板表面薄层,并在这薄层中产生涡流。涡流I2又会产生交变磁通Ф2反过作有于线圈,使得线圈中的磁通Ф1发生变化而引起自感量变化,在线圈中产生感应电势。电感的变化随涡流而变,而涡流又随线圈与金属板间距x而变化,因此可以用高频反射式涡流传感器来测量位移x的变化。

    图2为涡流效应等效电路。R1为线圈电阻;L1为线圈电感;R2为短路电阻;L2为短路环电感;U1为激励电压;M为线圈与短路环间的互感。

    回路方程:

    受涡流影响后线圈的等效阻抗为:

    线圈阻抗只与L1、L2、M有关,而L1、L2、M都与x有关,即Z=f(x),因此,如固定传感器的位置,当间距x发生变化时,Z就发生变化,从而达到以传感器阻抗变化值来检测被测金属位移量的值。

    传感器阻抗变化还需进一步转化为电信号以便进入数据采集系统。通常的测量方法式采取阻抗变换电路:电涡流传感器探头内线圈,与其它固定阻抗组成原始平衡电桥,随着钢板厚度的变化,探头线圈阻抗值随之变化,这样就破坏了电桥的原始平衡,失衡电桥的桥路输出电压值可反映被测钢板厚度值。除电桥法外,还有高精度的谐振调幅、调频等测量电路[4]。

    1.2　测量方法

    利用高频反射式涡流传感器的原理,采用上下2路涡流传感器,被测钢板置于中间,分别测量上、下检测器对钢板间距,相对固定的2路可以实现对钢板的厚度测量,原理如图3。D为2传感器的间距,h为钢板的厚度,x1、x2为钢板到传感器探头的距离,即传感器的测量值。