鋼板厚度測(cè)量系統(tǒng)

1、長(zhǎng)沙理工大學(xué)鋼板厚度測(cè)量系統(tǒng) 學(xué)院：汽車與機(jī)械工程學(xué)院 班級(jí)： 車輛1102 學(xué)號(hào)：201169030201 姓名：侯 健 鋼板厚度測(cè)量系統(tǒng)一、測(cè)量對(duì)象說(shuō)明本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)象是普通鋼板，但為保持測(cè)量靈敏度要求其厚度大于0.1mm，被測(cè)面應(yīng)光潔、不應(yīng)有洞眼、刻痕等，長(zhǎng)度50mm、寬度30mm、厚度在016mm間。二、測(cè)量原理框圖三、測(cè)量原理與方法說(shuō)明 1.測(cè)量原理 如圖1所示,在金屬板一側(cè)的電感線圈中通以高頻激勵(lì)電流I1時(shí),線圈將產(chǎn)生高頻磁場(chǎng),由于集膚效應(yīng),高頻磁場(chǎng)作用于金屬板表面薄層,并在這薄層中產(chǎn)生渦流。渦流I2又會(huì)產(chǎn)生交變磁通2反過(guò)作有于線圈,使得線圈中的磁通1發(fā)生變化而引起自感量變化,在線圈

2、中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。電感的變化隨渦流而變,而渦流又隨線圈與金屬板間距x而變化,因此可以用高頻反射式渦流傳感器來(lái)測(cè)量位移x的變化。圖2為渦流效應(yīng)等效電路。R1為線圈電阻;L1為線圈電感;R2為短路電阻;L2為短路環(huán)電感;U1為激勵(lì)電壓;M為線圈與短路環(huán)間的互感。 回路方程: 受渦流影響后線圈的等效阻抗為: 線圈阻抗只與L1、L2、M有關(guān),而L1、L2、M都與x有關(guān),即Z=f(x),因此,如固定傳感器的位置,當(dāng)間距x發(fā)生變化時(shí),Z就發(fā)生變化,從而達(dá)到以傳感器阻抗變化值來(lái)檢測(cè)被測(cè)金屬位移量的值。 傳感器阻抗變化還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以便進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通常的測(cè)量方法式采取阻抗變換電路:電渦流傳感器探頭

3、內(nèi)線圈,與其它固定阻抗組成原始平衡電橋,隨著鋼板厚度的變化,探頭線圈阻抗值隨之變化,這樣就破壞了電橋的原始平衡,失衡電橋的橋路輸出電壓值可反映被測(cè)鋼板厚度值。除電橋法外,還有高精度的諧振調(diào)幅、調(diào)頻等測(cè)量電路。 2、測(cè)量方法說(shuō)明 利用高頻反射式渦流傳感器的原理,采用上下2路渦流傳感器,被測(cè)鋼板置于中間,分別測(cè)量上、下檢測(cè)器對(duì)鋼板間距,相對(duì)固定的2路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板的厚度測(cè)量,原理如圖3。D為2傳感器的間距,h為鋼板的厚度,x1、x2為鋼板到傳感器探頭的距離,即傳感器的測(cè)量值。則被測(cè)鋼板的厚度h為D-(x1+x2)。測(cè)量值不受鋼板移動(dòng)的過(guò)程中上下波動(dòng)及帶材不夠平整的影響。 四、傳感器的選型擬采用上海

4、傳振電子科技有限公司的型號(hào)為CZ-600傳感器。 1、內(nèi)部系統(tǒng)圖2、技術(shù)參數(shù)供電范圍1、+18Vdc+30Vdc（輸出信號(hào)：420mA；15V；110V）2、-24Vdc（-2-18V）注：不同的輸出方式，供電不同測(cè)量量程動(dòng)態(tài)測(cè)量（軸振動(dòng)位移量）：0-800um；靜態(tài)測(cè)量（軸向位移）：016mm輸出信號(hào)420mA、15V、110V、-2-18V（可選）分辨力0.001mm線性誤差量程: <12mm誤差<1%；量程> 13mm誤差<1.5%輸出方式三線制（電源、信號(hào)輸出、公共端）輸出負(fù)載電壓輸出：輸出阻抗<51；電流輸出：負(fù)載電阻<500頻率響應(yīng)05KHz(0

5、.5dB)功耗<10mA(不包括變送輸出的電流)系統(tǒng)溫漂0.1%/適用溫度范圍前置器-30+70；探頭-40+150；電纜-40+150電纜總長(zhǎng)5或9延伸電纜長(zhǎng)度4、4.5、8、8.5探頭電纜長(zhǎng)度1、0.53、安裝說(shuō)明（1）被測(cè)體要求：被測(cè)體材料對(duì)傳感器特性影響，以2mm對(duì)應(yīng)-2-18V為例（如下圖）（2）.被測(cè)體為為圓軸且其軸心線與探頭軸心線正交時(shí)，要求被測(cè)體直徑大于探頭直徑3倍以上，否則傳感器靈敏度會(huì)降低。(3).被測(cè)體厚度影響傳感器靈敏度。鋼等導(dǎo)磁性好的金屬材料要求其厚度大于0.1mm，鋁等導(dǎo)磁性好的金屬材料要求其厚度大于0.6mm.(4).被測(cè)面應(yīng)光潔、不應(yīng)有洞眼、刻痕等，轉(zhuǎn)速、

6、鑒相測(cè)量可在被測(cè)面裝凸臺(tái)或開(kāi)凹槽，位移測(cè)量一般要求被測(cè)面表面粗糙程度不超過(guò)0.81.6um,軸的徑向振動(dòng)測(cè)量一般要求被測(cè)面表面粗糙程度不超過(guò)0.40.8um。(5).兩個(gè)探頭的安裝距離不能太近，否則兩探頭之間會(huì)通過(guò)電磁場(chǎng)互相干擾(如圖2-6所示)，在輸出信號(hào)上迭加兩探頭的差頻信號(hào)，造成測(cè)量結(jié)果的失真，這種情況稱之為相鄰干擾。排除相鄰干擾有關(guān)的因素：被測(cè)體的形狀，探頭的頭部直徑以及安裝方式。通常情況下探頭之間的最小距離見(jiàn)下表2-2與圖2-6。本系統(tǒng)的選型探頭選型為CZ600T-A01-B040-C08-D10-E01規(guī)格為8mm，正裝，有螺紋，系統(tǒng)電纜總長(zhǎng)9M,電纜長(zhǎng)度1M，殼體長(zhǎng)度40mm,有

7、鎧裝。延伸電纜選型CZ600L-A40-B01電纜長(zhǎng)度4M，有鎧裝。前置器選型CZ600-A00-B02供電電壓為+24V，輸出信號(hào)為1 V 5V。五、各原理框圖的功能1.電橋 電橋是一種電阻、電感電容等參數(shù)變化轉(zhuǎn)換位電壓或電流變化的測(cè)量電路。電橋輸出一般需先做放大，然后再做后續(xù)處理。但有時(shí)也可用指示儀表直接測(cè)量。電橋電路電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為或電流的變化。圖是電橋法的電原理圖，圖中線圈A和B為傳感器線圈。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態(tài)，使電橋平衡。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正

8、比的輸出。2.檢測(cè)電路 檢測(cè)電路分為整流電路A、分壓電路B和放大電路C。利用互感器對(duì)線圈回路的電壓進(jìn)行取樣、壓縮,并作為檢測(cè)電路的輸入U(xiǎn)AC。UAC經(jīng)過(guò)整流電路A變換成直流電壓,該電壓經(jīng)分壓電路B分壓后進(jìn)入放大電路C。放大的電壓值轉(zhuǎn)化成420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸入到PLC,微機(jī)系統(tǒng)則對(duì)從PLC采集到的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行濾波、線性變換處理得到線圈輸出電壓值。在線采集相關(guān)參數(shù)數(shù)值,包括線圈輸出電壓值、線圈距導(dǎo)體距離、導(dǎo)體溫度,從而繪出線圈輸出電壓與各參數(shù)之間的曲線圖3.調(diào)制解調(diào)、濾波與放大器 經(jīng)過(guò)傳感器變換后，被測(cè)信號(hào)一般需要做交流放大，一邊進(jìn)行傳輸、預(yù)算等后續(xù)處理。交流放大器不適于做緩變信號(hào)的放大；

9、直流放大器雖可以此類信號(hào)的直接放大，但存在零漂和級(jí)間耦合等問(wèn)題，因此常采用調(diào)制的方法先把緩變信號(hào)變換成頻率適當(dāng)?shù)慕涣餍盘?hào)，然后用交流放大器放大。最后進(jìn)過(guò)傳輸、處理后，再使原緩變信號(hào)回復(fù)原樣。濾波器的作用是，使信號(hào)中的特定頻率成分通過(guò)，而抑制或極大地衰減其他頻率的成分。濾波器是頻譜分析和濾除干擾噪聲的頻率選擇裝置，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)檢測(cè)/自動(dòng)控制裝置中。4.線性化 傳感器的輸出量與被測(cè)物理量之間的關(guān)系,絕大部分是非線性的。 造成非線性的原因主要有有二；(1) 是許多傳感器的轉(zhuǎn)換原理并非線性,如溫度測(cè)量,熱電阻或熱電偶與溫度是非線性關(guān)系，（2）是采用的測(cè)量電路的非線性,例如測(cè)量熱電阻用四臂電橋,電

10、阻的變化引起電橋失去平衡,出現(xiàn)的輸出電壓與電阻之間的關(guān)系為非線性。此系統(tǒng)的線性化裝置便是使輸出的信號(hào)與被測(cè)物理量之間呈線性關(guān)系，使輸出的信號(hào)準(zhǔn)確度更高。六、誤差分析1）被測(cè)體尺寸大小、激勵(lì)電壓大小對(duì)渦流大小均產(chǎn)生影響,其中,激勵(lì)電壓的選擇能影響渦流檢測(cè)位移系統(tǒng)的靈敏度以及測(cè)量范圍。2）對(duì)被測(cè)體的要求，為了防止電渦流產(chǎn)生的磁 場(chǎng)影響儀器的正常輸出，安裝時(shí)，傳感器頭部四周必須 留有一定范圍的非導(dǎo)電介質(zhì)空間。如果在某一部位要 同時(shí)安裝兩個(gè)以上的傳感器，就必須考慮是否會(huì)產(chǎn)生交叉干擾，兩個(gè)探頭之間一定要保持規(guī)定的距離。同 時(shí)，被測(cè)體表面積應(yīng)為探頭直徑3倍 。3）由于振蕩回路的檢波輸出與測(cè)量位移之間為非線

11、性關(guān)系, 為了提高渦流傳感器的使用范圍和精度,必須對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償。雖然本測(cè)試系統(tǒng)裝有線性化模塊。但仍有一點(diǎn)的誤差。4）電渦流傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要由振蕩回路和檢波回路的頻率特性決定, 整個(gè)傳感器的傳遞函數(shù)表示為：式中: L1為線圈的電感;R1為線圈的串聯(lián)電阻; RC2 為檢波電路的時(shí)間常數(shù)。為了在提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)不降低振蕩回路的品質(zhì)因數(shù),在傳感器的輸出信號(hào)流中串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)以改善傳感器的動(dòng)態(tài)特性。超前校正的傳遞函數(shù)為：5）傳統(tǒng)的檢波方式采用二極管、電容、電阻實(shí)現(xiàn)。由于二極管的導(dǎo)通特性受溫度影響比較明顯,所以傳統(tǒng)的二極管檢波輸出存在隨溫度變化而發(fā)生漂移的現(xiàn)象。感應(yīng)線圈本身存

12、在電阻隨溫度變化而變化的問(wèn)題,會(huì)使傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生較大的誤差。七、測(cè)量系統(tǒng)的整體評(píng)價(jià)厚度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)和最基本的工業(yè)參數(shù)之一，是與人類的生活、工作關(guān)系最密切的物理量，也是各學(xué)科與工程研究設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到和必須精確測(cè)量的物理量。厚度測(cè)量方法有很多：簡(jiǎn)單的厚度測(cè)量可以用卷尺或直尺來(lái)完成，要求精度高的用游標(biāo)卡尺來(lái)完成，一些金屬的厚度還可以用傳感器來(lái)測(cè)量，具體用什么方法測(cè)厚要根據(jù)所測(cè)物體的大小、形狀、材質(zhì)以及測(cè)量精度來(lái)定。 在進(jìn)行金屬的厚度測(cè)量時(shí)，經(jīng)常遇到金屬表面有非金屬涂層或油污等雜質(zhì)使接觸測(cè)量不準(zhǔn)確或無(wú)法進(jìn)行，而且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線測(cè)量也使得接觸式測(cè)量變得困難，這就使得非接觸式測(cè)量的優(yōu)

13、點(diǎn)顯現(xiàn)出來(lái)。本測(cè)量系統(tǒng)就是利用電渦流傳感器來(lái)測(cè)量鋼板的厚度本系統(tǒng)原理是通過(guò)電渦流效應(yīng)的原理，準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體(必須是金屬導(dǎo)體)與探頭端面的相對(duì)位置，其特點(diǎn)是長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，本系統(tǒng)的測(cè)量范圍為016mm，測(cè)量精度為1%，工作溫度為-50+120，溫漂0.05%/，頻響：010kHz。但由于考慮的不周到，會(huì)有一點(diǎn)給的誤差，比如溫度，傳感器的動(dòng)態(tài)特性，被測(cè)物體的尺寸大小等都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。希望在以后能夠改進(jìn)這些影響，使測(cè)量精度更加準(zhǔn)確。八、設(shè)計(jì)心得 這次的設(shè)計(jì)真的使我學(xué)到了很多東西。首先，對(duì)于這門課程，從一開(kāi)始到結(jié)課我都是稀里糊涂的像聽(tīng)天書一樣，弄不明白這門課程到底學(xué)的是什么。后來(lái)知道考試要做一個(gè)鋼板厚度測(cè)量系統(tǒng)覺(jué)得總比考試來(lái)的容易。不過(guò)真正著手做的時(shí)候還真挺復(fù)雜的，覺(jué)得這就是一個(gè)課程設(shè)計(jì)吧。開(kāi)始是在網(wǎng)上找各種用傳感器測(cè)鋼板厚度的資料，知道了有很多種類，有電渦流，超聲波，激光等，還有各種傳感器測(cè)量鋼板厚度的原理，然后又在淘寶百度上查找各種類型傳感器的技術(shù)參數(shù)，測(cè)量范圍，靈敏度，最后經(jīng)過(guò)綜合的考慮確定了選用電渦流傳感器來(lái)測(cè)量。選好傳感器后還要查找傳感器中各個(gè)部分的功能，如電橋，振蕩器，調(diào)制解調(diào)，放大器，濾