基于提离点的金属厚度监控系统设计

　　0　引　言

　　金属厚度的监控是工业生产中一道不可缺少的工序,测量结果的准确与否直接影响产品质量。现阶段有2种方法应用较广泛[1~2],一种是射线法,虽然精度较高,但造价也高,且有放射性污染;另一种方法是采用电涡流法进行检测,这种方法成本低、可靠性高,但在工业生产中实时测量精度会受到各种因素特别是提离效应的影响,因为金属轧制过程中机械振动与金属本身的振动不可避免,这会改变激励线圈与被测金属之间的间隙,在金属厚度没有变化的情况下,线圈与金属间的互感系数发生变化,从而影响线圈中的阻抗和激励电流大小,使控制中心收到错误指令,并使轧延装置产生误动作。本文利用脉冲涡流检测新技术,以数字信号处理器(DSP)为控制器构成了一个金属厚度监控系统,在金属电导率一定的情况下,完全克服了提离距离对监测结果的影响。

　　1　电涡流传感器测量厚度的基本原理

　　电涡流传感器测量金属厚度的原理是基于被测金属导体的电涡流效应。当在线圈中通以激励电流i时,根据电磁感应原理,在线圈周围会产生交变磁场,与线圈相距x的金属导体中形成电涡流,电涡流产生的交变磁场反作用于线圈,金属板越靠近线圈,其产生的电涡流越大,交变磁场对线圈磁场的反作用也越大。金属的电导率σ和厚度h不同,产生的电涡流大小与相应形成的磁场也不同。根据欧姆定律,在激励电压不变的情况下,线圈电流的变化可看成是线圈等效阻抗Z发生了变化。由电磁场理论,Z可表示成为：

　　式中　σ,μ在监控系统中均为已知量;ω为激励电压的频率,为常数或固定值,因而,阻抗Z就成为距离x和金属厚度h的函数Z=F(h,x),如果在由线圈等效阻抗Z引起的激励电流i中找到一个特征量,使它仅与待测金属厚度h有关,则提离效应的影响可得到抑制。文献[3~5]提出的脉冲涡流信号理论分析了如何确定该特征值。

　　假定一空心圆柱线圈位于待测金属板上方,线圈的内径和外径分别为r1和r2,线圈上沿离金属板距离为l2,线圈下沿离金属板距离为l1,圈数为N,非磁性金属厚度为H,电导率为σ1,激励信号为阶跃电压,则有待测金属板时,线圈阻抗Z_L(ω)^[6,7]为：

　　设Δi(t)为有待测金属板时线圈中的电流和无待测金属板时线圈中的电流的差值,它可通过对ΔI(ω)=I_L(ω)-I₀(ω)进行傅立叶反变换得到：

　　其中,的波形如图2所示,它就是脉冲涡流检测信号。

　　当线圈与待测金属板间距离变化时,随距离变化的脉冲涡流信号交于一点,该点即为提离点,如图3所示。由于在提离点处,脉冲涡流检测信号基本不随距离变化而改变,可以将提离点作为待测金属板的厚度信息,用来进行厚度测量。