用于轧辊磨损度检测的传感器探头系统设计

宋 菲

（石家庄职业技术学院电气与电子工程系，河北石家庄,050081）

用于轧辊磨损度检测的传感器探头系统设计

宋 菲

（石家庄职业技术学院电气与电子工程系，河北石家庄,050081）

轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件，在整个轧制生产中，轧辊工作在高压、高温、高速的恶劣环境下，其质量和使用寿命直接关系到轧机的生产率、产品的质量及钢材的生产成本。提高轧辊磨损度的在线检测精度，对提高钢材的表面质量与产量，实现自由程序轧制，延长换辊周期等都具有重要意义。近年来，光纤测距技术被引入到轧辊磨损度检测中并得到推广，本文主要针对其中光纤反射式测距方法中所用的传感器探头系统展开研究，包括系统总体设计和器件选型。

轧辊磨损度在线检测;反射式光纤位移传感器;光源;CCD器件;步进电机;导轨

轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材。在整个轧制生产中，由于轧辊是在高压、高温、高速下工作，加之有氧化铁皮、冷却水，工作环境非常恶劣，因此轧辊的磨损非常严重。轧辊的质量和使用寿命直接关系到轧机的生产率、产品的质量及钢材的生产成本。轧辊是轧机的大型消耗部件，如何提高轧辊的使用寿命，成为降低生产成本的一个重要方面。

为了有效降低轧辊的磨损度，由国外在七十年代末提出了在线磨辊技术，并最先由日本投入使用，效果比较理想。所谓“在线磨辊技术”，是指在轧制过程中，在无需将轧辊从轧机上拆下来的情况下，利用轧制间歇，用一套安装在轧机上的磨削装置，对工作辊表面进行修正性磨削的新技术。利用这项技术，可以有效减轻或消除工作辊表面的磨损或缺陷。进行在线磨辊前，为了确定磨削的位置及程度，必须对轧辊的磨损度进行在线检测。在线检测精度越高，轧制生产出的钢材表面质量越好，同时可以大大提高产量、实现自由程序轧制以及延长换辊周期。

近年来，光纤测距技术被应用于轧辊磨损度的检测中，如：轧辊遮光测距、三角反射测距、光纤反射式测距等。本文主要针对其中光纤反射式测距方法中所用的传感器探头系统展开研究，包括系统总体设计和器件选型。

用于轧辊磨损度检测的反射式传感器探头系统主要由以下四部分构成：(1)反射式光纤位移传感器，是完成轧辊磨损度在线检测工作的核心器件；(2)CCD阵列；(3)定位系统光源，与CCD成像器件阵列有机组合，构成三角反射定位装置，用以为系统提供一度量参考基准，保证能够实时调整反射式光纤位移传感器的工作位置及运行状态；(4)传动装置，其功能是用于调整各检测器件的位置与角度，主要由直线导轨、传感器支架及四台精密步进电机等构成。

1 反射式光纤传感器探头系统总体设计

反射式光纤传感器探头系统基本结构示意图如图1-1所示。(1)将反射式光纤位移传感器和三角定位器光源分别安装在两个位移控制管内，位移管的移动由步进电机带动，从而控制上述两个器件位置的变化。(2)将位移管与导轨滑块相连接，采取在导轨两边双点固定方式，其中一点用于固定步进直线电机，该电机用于调整位移管及内部器件的俯、仰角度。(3)用两台小型步进直线电机将CCD器件阵列连接在一根垂直固定架上，CCD阵列位置和角度的调整就通过这两台步进电机的协调工作来实现。(4)将各个器件的固定装置通过支架安装在导轨滑块上，并采取抗干扰封装处理。(5)在导轨上安装传送带，并由步进电机驱动，将滑块固定在传送带上，这样就能带动各个器件跟随传送带运动，从而完成对轧辊表面的扫描测量。

图1-1 反射式光纤传感器探头系统基本结构示意图（侧面）

2 反射式光纤传感器探头系统各主要部件选型

2.1 反射式光纤位移传感器选型

反射式光纤位移传感器能实现对多项物理参量（如：位移量、应变量、振动量、温度量、角度等）的测量，因其具有结构简单、性能稳定、设计灵活等优点，现已得到广泛应用。

反射式光纤位移传感器有Y型、改进型Y型、单光纤型和三光纤型等。

（1）Y型光纤探头 图2-1(a)是其结构示意图。从光源发出的光耦合到入射光纤，通过光纤传输，投射到被测物体表面，经被测物体表面反射后又被接收光纤接收。位移不同，接收光纤接受到的光强大小就不同。图2-1(b)是Y型光纤探头的输出位移特性曲线。该曲线存在一个峰值，将曲线分为前坡和后坡两段，在实际测量中只能选用其中之一，这就使得Y型光纤探头的有效测量范围大为缩小。此外，Y型光纤探头的测量误差较大，这主要由于在光通道中传输的光强受到外界因素的干扰引起的。

（2）改进型Y型光纤探头 图2-2为改进型Y型光纤位移传感器测量系统的结构示意图。测量时，令光纤探头紧贴被测物表面，使被测位移为零，记录下当前接收光纤的输出信息；然后移动传感器使其远离被测物体表面，当距离为z时，再次记录下接收光纤的输出信息；最后将前后两次检测到的结果进行比较，便可计算得到位移z。

这种改进型的Y型光纤探头系统，提高了光纤位移传感器的测量精度，同时拓宽了其应用范围。但不足之处是对被测位移z为零的位置要求非常精确，而这一点在实际测量中存在较大难度。

图2-1 Y型光纤探头结构示意图

图2-2 改进型Y型光纤位移传感器测量系统结构示意图

（3）单光纤束探头 图2-3是其结构示意图。单光纤束探头的输入和输出使用的是同一根光纤，即光源信息的传输和被测物体表面反射光信息的接收都由同一根光纤完成，其主要缺点是在整个动态测量范围内，输出光强信号会随位移的增加而减小。

（4）三光纤探头 三光纤传感器的三根光纤排列分为不等间距和等间距两类，图2-4(a)是一种等间距排列的三光纤传感器，其三根光纤尺寸相同，无间隙紧密排列，最终可以根据两个相邻光纤所接收到的光强信号的比值来确定被测物表面（即反射面）到光纤端面的距离。其输出特性曲线如图2-4(b)所示。

图2-4(a) 等间距三光纤探头基本结构示意图

图2-4(b) 输出特性曲线

由图2-4(b)可知，当反射面与光纤端面之间的距离较小时，两路接收光纤接收到的光强均随着该距离的增大而增强；但当该距离超过某一值后，光强又随距离的增大而减弱。可以看出，曲线前坡段的线性较好，意味着探头系统的灵敏度较高，可用于距离较近、精度要求较高的微米级测量；曲线后坡段的线性较差，可用于距离较远且对灵敏度与精度要求均不高的测量系统；在峰值距离处，与位移变化相比光强的变化对输出信号的影响较大，故可用于对被测物体的表面状态进行光学测量。

根据工作辊在线检测系统的测量要求及环境特点，本文选用等间距三光纤探头。该探头灵敏度高、结构上易于实现、测量范围符合要求，并且能通过后续电路的处理减轻或消除一些不良因素对测量精度产生的影响（如光源功率的波动、反射面反射率的变化以及光纤传输损耗等），实现对位移z的精密测量，使系统工作更稳定可靠。

2.2 光源选型

轧辊磨损度在线检测系统的光源部分包括反射式光纤位移传感器光源和三角反射定位器光源。反射式光纤位移传感器光源向传感器探头系统提供输入光线；三角反射定位器光源则向轧辊表面发送入射光线，该光线经轧辊表面反射后投入到CCD器件阵列上，形成三角反射定位装置。

（1）反射式光纤位移传感器光源选型

光纤传感器光源要求具有稳定且足够的输出光功率、适合的辐射波长、良好的相干性以及适当的光束形状，所以选用半导体光源。此外还要考虑光源的亮度、光谱特性和光电转换特性等因素。本系统采用的半导体光源是由上海通讯设备厂生产的FGE型近红外发光二极管，其波长短、采用同轴封装形式、双异质结构、侧面发光。

（2）定位器光源选型

为减小环境光对测量系统的干扰，三角反射定位器光源必须具有良好的方向性和穿透性，为此本系统选用激光光源为定位器提供发射光线。

图2-3 反射式单光纤探头系统结构示意图

激光器的种类很多。根据工作介质的不同，激光器分为固体激光器、液体激光器、气体激光器、自由电子激光器和半导体激光器等。半导体激光器的工作介质是半导体材料，具有结构简单、体积小巧、质量轻、使用寿命长等优点，现已被广泛应用于车辆、航天、航空等要求较高的领域。其中较成熟的是砷化镓激光器，可发射840 nm波长的激光。

在本设计中选用的激光光源为微型半导体激光器，主要考虑到其质量轻，适宜直接安装在导轨滑块上，且方向性和穿透性较好，符合三角定位器光源的设计要求。

2.3 CCD器件选型

CCD图像传感器的基本工作原理为：首先在一定光照下，CCD芯片的成像单元将光信号转换为电荷；然后在一组时序脉冲的控制下，电荷被顺序转移到读出寄存器中，携带有光信息的电信号被转换为图像信号，再传输到CCD芯片的外围电路；经过外围电路的模拟放大和模数转换，最后输出到数字信号处理(DSP)电路作进一步处理。

本设计选用黑白工业数字CCD摄像机，型号为MV-VS130FM，由维视数字图像技术有限公司生产。该型号摄像机中的CCD传感器采用帧曝光形式，具有静态采集和动态采集两种工作方式——其静态采集方式可应用于半导体器件的检测、PCB印刷电路板的检测、生物医学影像采集等多个学科和领域；动态采集方式则可应用于机器人视觉、工业检测、车牌识别、交通管理等领域，该CCD无论工作于静态采集方式还是动态采集方式，均可获得无变形的高质量图像，且颜色还原性好，与国外同档次CCD成像产品相比具有明显的价格优势。

2.4 步进电机选型

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制器件，首先利用电子电路（称为驱动器）将直流电变成分时供电的、多相时序控制电流，再用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只受脉冲信号的频率和脉冲数的控制，而不受负载变化的影响，也就是说给电机加一个脉冲信号，电机就会转过一个步距角，二者之间为线性关系。正因为这一点，使步进电机只有周期性的误差而无累积误差。

本设计选用由海顿直线电机有限公司生产的15000系列永磁式直线步进电机。15000系列步进电机的体积小巧、动作精细（外形尺寸只有15mm，步长为20μm）、最大推力7N，行程12.7mm，目前在精密仪器设备上应用极为普遍。

2.5 传动装置的设计与选型

要通过测量得到连续的位移-光强特性曲线，传感器必须作一定幅度的轴向运动。为使传感器台架能沿导向梁做往返运动，先在与轧辊轴线平行的方向上安装一个丝杠，再在传感器台架上安装一个螺母与该丝杠配合，最后利用电机通过减速机构驱动丝杠旋转即可。

此外，本设计中选用的直线导轨是由THK株式会社生产的RSR型导轨，该导轨的定位精密度高、摩擦系数小、寿命长，非常适宜应用于对精密度要求较高的仪器设备中。

3 结语

实验表明，反射式光纤位移传感器的灵敏度较高、性能较稳定，但对于整个传感器探头系统在轧辊磨损度检测中的适用性还需经过不断地研究与检验。

[1] 肖刚,胡秋.轧辊磨损及预报.润滑与密封,2002,5:60-62

[2] 郭媛,王玉田.用于轧辊磨损度测量的反射式光纤位移传感器的设计.传感技术学报,2004,2:255-257

[3] 陈新军,叶梅,叶虎年.光纤位移传感器在微位移测量中的应用.传感技术学报,2002,4:123-128

宋菲，女，1977年出生，河北省阜城人，汉族，石家庄职业技术学院教师，讲师，硕士，研究方向：电子电路的设计开发。

For the design of reflective sensor system for detection of roller wear

Song Fei
（ShiJiaZhuang Vocational Technology Institute，Hebei Shijiazhuang,050081)

The roller is an important tool of metallurgical rolling mill in steel rolling engineering,it d irectly affects the performance of the rolling mill product quality.To improve the detection accuracy of o nline roller wear,to improve the yield and reduce the number of replacement,roll,schedule free rolling on line and plays an important role in grinding roll quality.In recent years,fiber measurement technology is i ntroduced to the roller wear testing and promotion,research in this paper,the sensor system of optical fibe r reflective ranging method used in the system,including the overall design and device selection.

online measuring roll wear；reflective optical fiber displacement sensor；light source；CCD device；stepper motor；rail