轧制自动控制第三章传感器变换原理

1、第三章第三章 传感器变换原理传感器变换原理3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 电阻应变片电阻应变片3.1 概述概述3.1.1 3.1.1 传感器的定义传感器的定义3.1.2 3.1.2 轧制过程中的测量参数轧制过程中的测量参数3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类3.1.4 3.1.4 对传感器的性能要求对传感器的性能要求3.1.13.1.1 传感器的定义传感器的定义转转 化化被测系统或过程中 需 要 观 测 的信信 息息人 们 所 能 观测 的 熟 悉 的信信 号号传感器是测试系统的第一个环节，它的作用是：机电；机光 热电；热光声电；光电转化转化包括各种物理形式传感器是一种以一

2、定的精度把被测量转化为转化为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。3.1.23.1.2 轧制过程中的测量参数轧制过程中的测量参数轧机的负荷参数：轧机的负荷参数： 主传动负荷参数 电流、电压、速度、功率和频率 轧制负荷参数 轧制力、轧制力矩、弯辊力和平衡力主要辅助设备的过程参数：主要辅助设备的过程参数： 加热炉参数 区域温度、空气与燃料的比例和板坯推进速度 除鳞水参数 压力和流量 轧辊冷却水参数 压力、流量粘度和温度 带钢冷却水参数 压力、流量和温度轧制产品参数：轧制产品参数： 几何参数 厚度、宽度、长度、侧弯、凸度、平直度和带卷直径 冶金参数 温度和表面条件3.1.3 3.1.3

3、传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：1）力传感器测量轧制力3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：2）力矩传感器测量轧制力矩、接轴扭矩3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：3）应力应变传感器测量带钢张力、带钢平直度、牌坊立柱应变3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：4）位移传感器测量液压缸、气压缸度、压下机构、侧导板的位置16

4、02015013840传感器磁环传感器导线小顶罩大顶罩压下箱体上盖顶帽传感器10150磁环滑动机构3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：5）尺寸传感器测量厚度、宽度、长度、平直度、平面形状等轧制产品参数3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：6）运动传感器测量电机速度、轧辊速度、带钢速度、加速度和振动3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：7）温度传感器测量加热炉、轧辊及轧件的温

5、度3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：8）压力传感器测量液压系统、气压系统、轧辊冷却系统、 带钢 冷却系统以及除鳞系统中的压力3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类传感器通常是根据测量参数进行分类的。在轧制中经常使用的传感器有：9）流体流量传感器测量轧辊冷却液、带钢冷却液、除鳞冷却水的流量3.1.4 3.1.4 对传感器的性能要求对传感器的性能要求传感器是测试系统中获得信息过程中的最前沿一环，从它得到的是被测物理量的第一手资料，类以于人类的感觉器官，所以对它的技术性能作如下要求l灵敏度高；线性度好；l输出信号

6、信噪比高；l滞后、漂移小；l特性的复现性好；l具有互换性；l动态性能好；l对被测对象影响小，即负载效应较低。3.2 3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器3.2.1 3.2.1 应变片的构造应变片的构造3.2.2 3.2.2 几种常见的应变片几种常见的应变片3.2.3 3.2.3 应变片的工作原理应变片的工作原理3.2.4 3.2.4 应变片的工作特性应变片的工作特性3.2.5 3.2.5 应变片的选用应变片的选用3.2.1 3.2.1 应变片的构造应变片的构造33.2.1 3.2.1 应变片的构造应变片的构造 1 1）敏感栅）敏感栅l敏感系数大，而且为常数，能在较大的应变范围内保持线性；l

7、电阻率高，以便制造小型应变片，供测量应力集中用；l电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；l加工和焊接性能好，以便于制片；l具有足够的强度，以免制片时拉断。它是应变片的敏感元件，其作用是感受欲测试件的应变，并把它转换成电阻变化。敏感栅的材料通常是直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝（或箔）。它应满足： 3.2.1 3.2.1 应变片的构造应变片的构造 2 2）基底）基底 基底的作用是固定和支撑敏感栅。在应变片的制造和储存过程中，保持几何形状不变；当把它粘贴在试件上之后，与粘结层一起将试件的变形传递给敏感栅；同时又起到敏感栅与试件之间的电绝缘作用。由于使用场合不同，采用的基底材料也不同。常温应变

8、片的基底材料有两种： 纸基- 胶基-高温应变片的基底材料有石棉、无碱玻璃布以及金属薄片。使用温度为400。3.2.2 3.2.2 几种常见的应变片几种常见的应变片1 1）金属栅式应变片）金属栅式应变片3.2.2 3.2.2 几种常见的应变片几种常见的应变片 2 2）半导体应变片）半导体应变片3.2.2 3.2.2 几种常见的应变片几种常见的应变片 3 3）各种应变花）各种应变花3.2.3 3.2.3 应变片的工作原理应变片的工作原理根据物理学的基本原理：一根长为L，半径为r的金属丝的电阻为:2rLSLR当金属丝在长度方向受力而变形时，其电阻的相对变化为：ddrdrLdLRdR)21 (2dK)

9、21 (0令0KRdR则K0为一段敏感栅材料的灵敏系数。3.2.4 3.2.4 应变片的工作特性应变片的工作特性 1) 1) 温度的效应温度的效应温度对应变片电阻值的影响很大，其原因如下：(1) 敏感栅材料的温度效应 一枚未贴的应变片，当温度变化时，电阻的相对变化值为:tRRt1(2) 零件与应变片敏感栅之间的线膨胀的差异 在应变片贴在试件上之后，当温度变化时，由于零件的线膨胀系数与应变片敏感栅材料的线膨胀系数不同，从而引起应变片的电阻变化，其相对值为tKLtLKLLKRR)()(2片零片零综合两方面因素，当温度变化时，应变片电阻的相对变为:ttKRRRRRRtt021)(片零式中： 为应变片

10、的电阻温度系数。)(0片零Kt3.2.4 3.2.4 应变片的工作特性应变片的工作特性 2)2)应变片的横向效应应变片的横向效应 普通栅状丝式应变片由于转弯处有圆弧或直线的横向部分，当应变片处于任意应变场中时，其电阻变化率为：xxxxxyxxyxyxxyyxxKHKHKKKKKKRR0111 横向效应系数仅与应变片的结构形状有关，丝式应变片在5以下，箔式应变片比丝式小，短接式应变片最小。xyKKH 式中 应变片的横向效应系数， ; ， 应变片的轴向灵敏系数及轴向应变； ， 应变片的横向灵敏系数及横向应变； 出厂标定时，试件的泊松系数； 出厂标定时，应变片的灵敏系数。HxKxyKy)1 (0HK

11、Kx03.2.5 3.2.5 应变片的选用应变片的选用 1) 几何参数的选择由于应变片的输出是表示沿长度方向的平均应变，所以 应变场的梯度大、应变波的频率高时，采用小标距应变片； 测量点应力及应力分布时，采用小标距应变片； 测量平均应力，采用大标距应变片； 测量对象为诸如混凝土、铸钢、铸铁等非均匀晶体材质时，采用大标距应变片； 一般情况下，由于小标距应变片的制造精度难以保证，粘贴时又不易定向，故尽可能选择较大标距的应变片； 长期使用时，大标距片可减少胶体的应力松弛。3.2.5 3.2.5 应变片的选用应变片的选用 2) 电阻值的选择 目前，应变片的电阻值已趋于标准化，我国生产的应变片的名义阻值

12、为120 ，电阻应变仪的桥臂电阻多按120 设计，所以如无特殊要求时均应选择阻值为120 应变片。否则，应根据仪器所提供的曲线进行修正； 对于不需配用应变仪的测量电路，可根据应变片的允许电流、功率来选择其阻值。 3.2.5 3.2.5 应变片的选用应变片的选用 3) 灵敏系数的选择 动态应变仪多按 设计，故动态测量宜用 应变片，否则应对测量结果加以修正； 静态应变仪多设有灵敏系数调节装置，允许使用 应变片,当应变片与仪器值相同时，测量结果不用修正； 选用高值应变片可省去中间放大单元，简化测量系统。2K2K2K3.2.5 3.2.5 应变片的选用应变片的选用 4) 应变片类型的选择 一般丝式应变片价格低、制造容易，但横向效应大，在要求不高时可用； 短接式、箔式应变片具有横向效应小、参数分散性小、精度高等优点，在重点应变测量传感器上宜采用； 半导体应变片体积小、频率响应好、灵敏系数高，但温度影响大，宜用在温度变化不大的场合。3