测力传感器在钢带涂敷装置中的国产化应用

艾 娜

(上海梅山钢铁股份有限公司,上海 32162)

测力传感器在钢带涂敷装置中的国产化应用

艾 娜

(上海梅山钢铁股份有限公司,上海 32162)

在钢带涂敷工艺中，对涂敷装置的取液辊、涂敷辊与钢带之间的压紧力的测量和调节是保证钢带涂敷质量的关键技术。针对目前涂敷装置普遍采用的进口环形应变式传感器损坏率较高、维修开销较大的问题，研制了一种具有制作成本低、精确度高和便于安装拆卸以及工作寿命长等特点的国产化电阻应变式测力传感器。测试和现场运行表明，该传感器性能完全能满足钢带涂敷工艺的测力应用的要求。

钢带 涂敷装置 应变式测力传感器 国产化

0 引言

冷轧厂在钢带的轧制生产过程中，钢带表面的涂敷处理是一项重要的工艺流程。钢板在轧制成所需厚度的钢带后，须进行涂敷处理。

在钢带涂敷工艺过程中，涂敷装置是否正常运行，涂层能否均匀牢固，与涂敷装置的取液辊、涂敷辊、钢带间的接触压力值息息相关。若接触压力过大，将加快橡胶制成的取液辊的磨损，甚至发生爆裂损坏，从而影响整个生产过程的进行。若接触压力太小，取液辊上的涂料难以均匀地传递给涂敷辊和钢带表面，影响钢带表面涂层的均匀和牢固，从而无法保证钢带的涂敷质量。因此，根据工艺流程的需要，设置多组测力传感器测量和调节取液辊、涂敷辊和钢带之间的接触压力。

通常现场涂敷装置是自带进口KYOWA的环形应变式传感器。但由于现场环境恶劣，传感器的损坏率较高，每年采购进口传感器是一笔相当大的开销，因此我们进行了该传感器的国产化研制工作。本文讨论了涂敷装置的结构、测力传感器的工作原理和结构设计及制作工艺，并介绍了所研制的测力传感器的有关技术性能指标和在涂敷现场的应用效果。

1 涂敷装置的测力传感器

钢带涂敷装置的结构如图1所示。它是由一对相互对称、结构相同的取液辊A与B和涂敷辊A与B组成的。

图1 钢带涂敷装置结构

图1中，1、2分别为涂料槽A、B； 4、7分别为取液辊A、B，5、6分别为涂敷辊A、B；3为钢带；8A、8B为取液辊A的测力传感器；9A、9B为涂敷辊A的测力传感器；10A、10B为涂敷辊B的测力传感器；11A、11B为取液辊B的测力传感器。

为确保钢带表面涂层质量，取液辊A应紧靠涂敷辊A，取液辊B应紧靠涂敷辊B。为防止橡胶制成的取液辊因与涂敷辊接触压力过大而加速其损坏或爆裂，它们的接触压力F8A、F8B、F11A、F11B由测力传感器L8A、L8B、L11A、L11B测量和调节，使F8A、F8B、F11A和F11B尽量相等并符合涂敷工艺规定的要求。

同理涂敷辊A和B应紧靠钢带的两个侧表面。它们的接触压力F9A、F9B、F10A和F10B分别由测力传感器L9A、L9B、L10A和L10B测量和调节，使F9A、F9B、F10A、F10B尽量相等并符合涂敷工艺规定的要求。

2 测力传感器

测力传感器按工作原理分类，主要分为以下几类：电阻应变式、磁弹性式、振弦式、差动变压器式、电容式和压电式等。其中电阻应变式和磁弹性式被广泛地应用于冶金行业中，磁弹性式的工作原理是借助于软磁材料的磁弹性特性。当在磁弹性体的初级绕组施以磁弹性体处于磁饱和状态的交流电流并对磁弹性体施加载荷时，其分布的磁力线发生伸缩变形和扭曲。这使得它的次级绕组输出交流电信号，输出的交流电信号的增量正比于施加的载荷量。

磁弹性式传感器的特点是输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、抗过载能力强，能消除不均匀负载的影响，能在含腐蚀性油气体的恶劣环境下稳定地工作[7]。但它需要较大功率的励磁交流电供电，精确度较低，反应速度较慢。

磁弹性式的制作工艺较为复杂，制作成本较高，外形尺寸也偏大。

电阻应变式传感器是通过粘贴在弹性体上的电阻应变片组成惠斯顿电桥。惠斯顿电桥将弹性体上的载荷线性地转换成电信号而进行测量的。电阻应变式传感器除精度高，反应时间快，过载能力强(可达300%额定负载)，全密封防护(防护等级可达IP68)外，它还具有制作工艺成熟，可设计成小、轻、低的小型多样结构和制作成本低等优点，被广泛地应用于工业各领域的称重和测力。因此，选用电阻应变式传感器用于钢带涂敷装置中力的测量和调节是合适的[8]。

2.1 电阻应变式测力传感器

电阻应变式传感器的机理是：粘贴在弹性体上的电阻应变片所组成的惠斯顿电桥在弹性体受力发生形变后，电桥将弹性体所承受的载荷量线性地转换成电信号，完成称重或测力。

众所周知，电阻应变式传感器的性能和质量以及是否适合现场应用，与外形结构、弹性体结构、弹性体材料、应变片的粘贴、制作工艺和密封防护工艺等息息相关。

综合考虑现场安装的便利性和制作工艺性，参照原进口与一些典型的电阻应变传感器的外形结构。将钢带涂敷装置测力传感器的外形结构形式设计定型为如图2所示的形式。

图2 电阻应变式传感器的外形

这是一种小型轮辐式结构形式。它是由弹性体结构件、粘贴于弹性体上并组成惠斯顿电桥的电阻应变片、焊接于弹性体端面的两片密封金属膜片和焊接于弹性体侧边的管状引线导管以及四芯屏蔽线引出导线组成。

对两组患者服药后的治疗效果进行记录，将相关数据进行比较。疗效判定：①痊愈：用药期间患者未出现任何头痛症状；②显效：用药后患者的头痛情况得到了显著的缓解，且头痛时间明显缩短，头痛发作频率也明显减少，患者眼底血管痉挛有所缓解；③有效：用药后患者的头痛情况有所缓解，但是在停止用药后头痛会出现复发，发病持续时间减少到了一半以上；④无效：患者的临床症状没有任何的改变。总有效率=痊愈率+显效率+有效率。

保证电阻应变式传感器性能和质量是项非常复杂的系统工程，涉及到弹性体材料、弹性体结构、电阻应变片、胶粘剂、粘贴工艺、补偿工艺、热处理工艺和密封防护工艺等关键技术。

弹性体变形是弹性变形和塑性变形的合成，弹性变形和应力(外力)之间符合虎克定律。因实际的弹性体不是完全的刚体，存在着塑性变形，从而造成传感器的非线性和滞后,所以应选用弹性极限高和综合性能优良的材料来制作弹性体。

40CrNiMoA是一种优质合金钢。它具有良好的淬透性；调质状态下，能在大截面上获得均匀配合良好的强度和韧性；较高的疲劳强度和较低的缺口敏感性；无明显的回火脆性，弹性模量稳定性好；抗氧化性能好，金相组织稳定。采用这种型号的钢材作为弹性体，则所制作的电阻应变式传感器具有精确度高、长期稳定性好及环境适应性好等特点，因此被广泛地应用于制作电阻应变式传感器。我们认为选用40CrNiMoA作为弹性体材料是合适的。

弹性材料确定以后，弹性体结构的设计是非常重要的技术环节，它是一个特殊形状的功能结构件。它的功能是承受作用于传感器的外力而产生反作用力，达到相对静平衡。在外力的作用下，产生一个均匀稳定的应变区域，使粘贴在此区域并组成惠斯顿电桥的应变片完成电信号的转换。考虑到弹性体结构须具有良好的制作工艺和粘贴工艺以及密封防护性，并借鉴解剖的进口和典型电阻应变式传感器的弹性体结构，将其设计成如图3所示的弹性体结构。

图3 弹性体结构

确定弹性体材料和结构后，即可确定热处理规范。采用高频淬火和比较高温的回火，使弹性体的硬度偏低，滞后减小。这是因为回火温度高，钢中碳的析出多，从而形成碳化物，使晶格扭曲减小，硬度减小，变形时晶格滑移的阻力相对较小，因此弹性体的弹性滞后就小。

电阻应变片是制作测力传感器的核心元件，它选择得正确与否，将直接影响到所制作的测力传感器的性能和质量。钢带涂敷装置的测力传感器工作环境存在着温度梯度和变化。所以必须选用合适的方法补偿应变片的热输出和弹性模量随温度变化造成的传感器灵敏度误差，使得传感器温度零漂和灵敏度漂移误差降低到允许误差范围内。

温度自补偿应变片能自动补偿应变片的热输出，消除传感器在无外力作用下的温度零漂误差。弹性模量自补偿应变片起到普通应变片和弹性模量补偿电阻器的作用，将自动消除传感器因弹性模量随温度变化所造成的灵敏度误差。

所选用的应变片胶水除具有高胶合性、高绝缘性、蠕变小、滞后低、重复性好等性能外，还须充分考虑与弹性体热膨胀系数匹配的性能。为能制作出精确度高、可靠性好的测力传感器，粘贴胶在制作过程中有着举足轻重的影响。应根据工作环境，使用条件和精确度要求确定或由应变片厂家推荐。应变片上的保护面胶应具有良好的粘结性、很小的收缩性、良好的电绝缘性、密封性和耐老化性能以及耐高、低温特性。在选用保护面胶时，应尤为注意，才能起到有效保护应变片的作用。

应变片粘贴质量的好坏是决定电阻应变传感器质量好坏的关键技术之一。因此必须严格按照粘贴工艺流程进行操作，根据测力传感器精确度要求确定选用应变片系列和粘贴剂品种。其工艺流程是：应变片检查和表面处理→弹性体粘贴表面进行机械化处理(去除油污、锈面、氧化膜和镀层)→清洗→划线定位→应变片清洗干燥→弹性体粘贴部位涂敷底胶并热固化处理→应变片粘贴→135 ℃热固化处理2 h(专用夹具加压0.1～0.3 MPa)→降至室温卸压→165 ℃热固化处理2 h→降至室温→贴片质量检查→引线组桥→焊接引线→质量检查→防护处理。

以上概述了粘贴工艺过程的各项主要内容，更详细的操作细节不再赘述[9]。

由于测力传感器是工作在涂敷环境，是含有铬酸等的腐蚀性气体和潮湿的恶劣环境，所以应对粘贴好的应变片采取可靠实用的防护措施。通过激光焊接将两片金属膜片分别焊接在弹性体的两侧，长形空心圆管的一端插入焊接在弹性体圆孔上。将粘贴的应变片组桥后焊接在四芯(或六芯)屏蔽信号线上，信号线穿越金属圆管引出，信号线的长度约为5 m。然后向金属圆管灌注防护密封胶密封，采用分层灌注的方式密封，以提高密封效果。这样利用金属膜片和灌注防护胶，将应变片连同其附件与恶劣环境隔开[5]。对应变片所处的内腔充以惰性气体加以保护，将大大提高测力传感器的使用寿命和性能。

2.2 电阻应变式测力传感器的技术指标

众所周知，通过精心设计和严格细心的工艺制作，才能研制出质量高、性能好和适用的测力传感器。对按照上述技术规范和工艺流程设计和制作的测力传感器进行技术参数测试，测试结果如表1所示。

表1 测力传感器的测试结果

3 应用效果

研制成功的电阻应变式测力传感器在我冷轧厂的涂敷装置中进行一年多的生产试验，用于涂敷装置的上料棍与涂敷辊、涂敷辊与钢带接触压力的测力和调节，每台涂敷装置共用8只测量传感器。试验表明，所研制的电阻应变式测力传感器能满足我冷轧厂涂敷工艺流程的生产需要。与原进口产品相比较，它除了具有成本低、安装拆卸方便、测量准确和便于调节外，还具有使用寿命较长的特点，完全能替代原设备的测力传感器。目前该传感器已在我冷轧厂推广应用，并逐步替代寿命期已到或已损坏的测力传感器，降低了生产成本，收到良好的经济效益和社会效益。

4 结束语

涂敷装置的上料棍、涂敷辊和钢带间的接触压力的测力是钢带涂敷工艺流程中比较关键的技术。文中叙述了电阻应变式测力传感器的设计和制作及其在涂敷中的应用。测试和生产运行表明，所研制的测力传感器成本低，工作寿命长，能完全满足钢带涂敷生产的工艺要求，加以推广使用，将收到良好的经济效益和社会效益。

[1] 陈其安，秦桦，邬显义.力传感器中弹性体的稳定性问题[C]//全国第二届测力与称重技术学术讨论会论文集，1993.

[2] 刘九卿.再谈称重传感器的稳定性问题[C]//全国第二届测力与称重技术学术讨论会论文集,1993.

[3] 张惠新，魏福玉.高精度传感器非线性误差的研究[C]//全国第二届测力与称重技术学术讨论会论文集，1993.

[4] 张天翰，陶冬梅.称重传感器温度补偿技术的研究[C]//全国第二届测力与称重技术学术讨论会论文集，1993.

[5] 胡景澄.CYL(MF)-YB-1型密封式钢筋应力传感器的研制[C]∥全国第二届测力与称重技术学术讨论会论文集，1993.

[6] 费利萍，郑文波.电阻应变式耐高温称重传感器制作与应用[C]∥全国第六届测力与称重技术学术讨论会论文集，2003.

[7] 史硕东.磁弹性传感器输出信号处理方式的选择[C]∥全国仪器仪表与自动化学术年会论文集，2008.

[8] 刘九卿.应变式称重传感器发展趋势与技术[C]∥全国第六届测力与称重技术学术讨论会论文集，2003.

[9] 吴家范.框架类弹性元件残余应力分析[C]∥全国第二届测力与称重技术学术讨论会论文集，1993.

Localization and Application of the Force Sensor in Steel Strip Coating Device

In steel strip coating process, measurement and adjustment of the compaction force among feed rolls, coating rolls and steel strip are the critical technique for ensuring the quality of the coated steel strip. At present, the imported annular strain sensors that widely used in coating devices are featuring higher failure rate and large maintenance overhead. Aiming at such problems, the home made resistance strain type force sensor with low cost and high accuracy is researched and developed. The sensor is easy to install and remove and offering long life cycle. The test and field operation show that the performance of the sensor fully meets the requirements of force measurement application in steel strip coating process.

Steel strip Coating device Strain-type force sensor Localization

TF3

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504025

修改稿收到日期：2015-01-30。

作者艾娜(1982-)，女，2005年毕业于成都理工大学测控技术与仪器专业，获学士学位，工程师；主要从事电气仪表技术相关的工作。