非接觸式高精度鋼板在線測厚系統(tǒng)的研究

何 平，王 猛，劉 超，李 瑩

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001）

鋼鐵行業(yè)在整個國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，而軋鋼又是鋼鐵行業(yè)的一種重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為了保證軋鋼板的質(zhì)量，必須在生產(chǎn)過程中采用高精度測厚儀對鋼板厚度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控[1]。目前采用的傳統(tǒng)測厚方法有X射線和伽馬射線測厚儀，但是對人體有危害，并且更換不方便；接觸式測厚儀和超聲波測厚儀精度比較低。激光測厚儀測量范圍廣，精度高，使用方便，正在為各大鋼鐵企業(yè)所采用。

早在20世紀(jì)80年代隨著激光技術(shù)和CCD線陣相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國外已經(jīng)開始研發(fā)非接觸式激光測厚儀，實(shí)現(xiàn)非接觸式高精度在線實(shí)時監(jiān)控。國內(nèi)對于激光測厚儀的發(fā)展起步比較晚，如今大多數(shù)鋼材企業(yè)采用的射線測厚儀有輻射，對身體有害，成本高。但是隨著人們對于健康生活的追求和激光技術(shù)的進(jìn)步，研究該項(xiàng)目有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

本文設(shè)計(jì)了以TMS320F2812為主控芯片的非接觸式高精度激光測厚系統(tǒng)。通過高分辨率激光位移傳感器ZS-LD50測量鋼板厚度，并通過高精度AD采樣芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并交于主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最終將計(jì)算出的厚度傳給人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對鋼板厚度的實(shí)時監(jiān)測[3]。

1 非接觸式檢測原理和方法

1.1 激光位移傳感器

系統(tǒng)選用高分辨率激光位移傳感器ZS-LD50，該傳感器采用三角位移測量法，從光源發(fā)射一束光到被測物體表面，在另一方向通過成像觀察反射光點(diǎn)的位置，從而計(jì)算出物點(diǎn)的位移。由于入射和反射光構(gòu)成一個三角形，所以這種方法被稱為三角測量法[4]。該方法的使用實(shí)現(xiàn)了非接觸式檢測。

該傳感器采樣周期是110 μs，分辨率為0.25 μm，測量范圍為±5 mm，測量中心距離為50 mm。傳感器探頭和傳感器控制器之間使用了低電壓差動信號高速通信接口。傳感器探頭所檢測到的數(shù)據(jù)不會有任何折損，滿足系統(tǒng)要求。

1.2 差動式測量方法

鋼板在生產(chǎn)線上運(yùn)行時，鋼板會上下抖動，所以采用差動式測量方法，消除了被測鋼板在運(yùn)動過程中由于抖動而造成的誤差。在被測鋼板的兩側(cè)同軸安裝兩個同步的高精度激光位移傳感器，通過測量相對量的變化得到被測物體的厚度，上面激光位移傳感器測量的位移為L1，下面激光位移傳感器測量的位移為L2，兩傳感器之間的距離為L，則鋼板的厚度為L-（L1+L2）。其原理圖如圖1所示。

圖1 激光傳感器差動式測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser sensor’differential measurement

設(shè)鋼板在垂直方向上得共模振動信號x（t），激光傳感器1和2采集到的位移信號分別為

求和處理之后得到采樣信號為

該非接觸式測量方法很好地克服了鋼板在運(yùn)動過程中由于機(jī)械抖動引起的測量誤差，對于實(shí)時在線測量系統(tǒng)，具有很高的應(yīng)用價值[5]。

2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要是由一對高精度激光位移傳感器、加法電路求和模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互平臺5個部分組成，系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2 整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall design scheme structure diagram

采用了差動式測量方法來克服鋼板抖動引起的誤差，在鋼板兩側(cè)安裝兩個同軸同步的激光位移傳感器，兩路傳感器輸出的模擬電壓信號經(jīng)過AD8671加法求和電路進(jìn)行加法求和，輸出的模擬電壓信號通過高精度A/D采樣芯片AD976的采樣和轉(zhuǎn)換得到采樣數(shù)字信號，并將得到采樣數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)主控芯片TMS320F2812進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后計(jì)算出厚度，最后通過SCI串口通信傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)厚度數(shù)據(jù)的顯示以及報警等功能。

3 鋼板測厚系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

3.1 厚度信號輸出模塊

系統(tǒng)采用歐姆龍公司ZS-LD50激光位移傳感器，其測量范圍為±5 mm，測量中心距離為50 mm，采用差動式測量法，在鋼板兩側(cè)同軸安裝一對傳感器，每一路傳感器的輸出都是±10 V的模擬電壓。為了減小模擬電壓誤差，將兩路模擬電壓信號通過AD8671電路進(jìn)行加法求和處理，輸出±10 V的電壓信號作為下一步A/D采樣轉(zhuǎn)換電路的輸入信號。

3.2 AD采樣電路

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，可以通過TMS320F2812自帶的AD模塊直接對模擬電壓信號進(jìn)行采集。但是該AD模塊無法滿足該系統(tǒng)對精度的要求。為了提高轉(zhuǎn)換精度，采用16位高速、高精度AD轉(zhuǎn)換器AD976。AD976輸入信號范圍是±10 V，采樣頻率高達(dá)100 kHz，轉(zhuǎn)換完成后通過DSP的16位數(shù)據(jù)總線送入CPU進(jìn)行處理，使用十分方便。

TMS320F2812通過 2個控制信號 R/Cˉ和 CS來控制AD976，控制采樣時間和轉(zhuǎn)換時序。同時AD976反饋給TMS320F2812一個BUSY狀態(tài)信號，開始轉(zhuǎn)換之后BUSY端由高電平變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)換完成，BUSY端由低電平變?yōu)楦唠娖?。此時由低電平到高電平的跳變作為TMS320F2812進(jìn)入中斷讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的中斷信號[6]。其中AD976轉(zhuǎn)換時序圖如圖3所示。

圖3 AD976轉(zhuǎn)換時序圖Fig.3 Conversion sequence diagram of AD976

3.3 DSP主控芯片及其外圍電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TMS320F2812作為主控芯片，將得到的經(jīng)過AD976轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進(jìn)行濾波降噪處理，將經(jīng)過處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為厚度信號，然后通過RS232通信總線傳遞給人機(jī)交互平臺。同時考慮TMS320F2812的最小系統(tǒng)配置，包括電源模塊、JTAG模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊。

4 鋼板測厚系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

通過DSP運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)高精度鋼板在線測量厚度數(shù)據(jù)的處理和輸出。通過TMS320F2812控制AD976的AD采樣轉(zhuǎn)換時序，將其輸出BUSY端高電平信號作為外部中斷信號，當(dāng)接收到外部中斷信號，CPU進(jìn)行一次取值[7]。若軋鋼板的速度是3 m/s，則將每3 mm作為一個像素點(diǎn)，在3 mm內(nèi)進(jìn)行100次采樣取值，將采樣得到的數(shù)據(jù)通過限幅濾波法和去極值平均濾波法[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波。首先通過限幅濾波法將數(shù)據(jù)中的尖脈沖去掉，通過比較兩次采樣值差的絕對值和最大允許誤差的大小。若大于最大允許誤差，選取前一個采樣值作為當(dāng)前采樣值；若小于最大允許誤差，當(dāng)前采樣值符合要求，進(jìn)而消除緩變信號的尖脈沖干擾。然后利用去極值平均濾波法將100個數(shù)據(jù)進(jìn)行由大到小排序，去掉采樣序列首尾各33個數(shù)據(jù)，保留中間數(shù)據(jù)，將中間數(shù)據(jù)的平均值作為這一組數(shù)據(jù)的最終輸出值，也作為3 mm像素點(diǎn)的輸出值。將10個經(jīng)過處理數(shù)據(jù)作為一組，通過串口通信接口實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)信號的發(fā)送。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，采樣得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of the system

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用設(shè)計(jì)的非接觸式高精度鋼板在線測厚系統(tǒng)，對幾個不同型號的鋼板進(jìn)行了測試。軋鋼有2種工藝，分為熱軋鋼和冷軋鋼，其厚度要求和精度要求也有所不同。分別對2種軋鋼工藝選擇2個樣本，共有4個樣本。分別選擇熱軋鋼厚度要求為5.0 mm和10.0 mm的鋼板，按照GB4237-2007其精度要求分別為±0.30 mm和±0.40 mm；冷軋鋼板選擇厚度要求分別為0.5 mm和1.00 mm的鋼板，按照GB3280-2007其精度要求分別為±0.05 mm和±0.055 mm。進(jìn)行在線式測量，測量時按照要求的誤差對在線測厚系統(tǒng)進(jìn)行超范圍報警設(shè)置。通過在線幾個小時測量，對測量結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)，分析如表1所示。

表1 不同鋼板的厚度測量結(jié)果Tab.1 Thickness measurement result of different steel plate

由表1的測量結(jié)果可以看到，測量系統(tǒng)的實(shí)際測量精度比要求精度高一個數(shù)量級。差動法測量很好地消除了機(jī)械振動和機(jī)械加工誤差引起的測量誤差。可見非接觸式鋼板在線測量系統(tǒng)測量精度準(zhǔn)確，性能可靠，完全滿足生產(chǎn)的需要。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的非接觸式鋼板測厚儀，利用高精度激光位移傳感器作為信號源，實(shí)現(xiàn)了非接觸式測量，確保了采樣信號的高精度。利用TMS320F2812作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了對鋼板厚度數(shù)據(jù)的有效處理。差動式測量方法的利用有效地提高了測量系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)精度高，安全可靠，能較好地滿足企業(yè)對于測厚儀的要求。

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