測力傳感器在鋼帶涂敷裝置中的國產(chǎn)化應用

艾 娜

(上海梅山鋼鐵股份有限公司,上海 32162)

測力傳感器在鋼帶涂敷裝置中的國產(chǎn)化應用

艾 娜

(上海梅山鋼鐵股份有限公司,上海 32162)

在鋼帶涂敷工藝中，對涂敷裝置的取液輥、涂敷輥與鋼帶之間的壓緊力的測量和調(diào)節(jié)是保證鋼帶涂敷質量的關鍵技術。針對目前涂敷裝置普遍采用的進口環(huán)形應變式傳感器損壞率較高、維修開銷較大的問題，研制了一種具有制作成本低、精確度高和便于安裝拆卸以及工作壽命長等特點的國產(chǎn)化電阻應變式測力傳感器。測試和現(xiàn)場運行表明，該傳感器性能完全能滿足鋼帶涂敷工藝的測力應用的要求。

鋼帶 涂敷裝置 應變式測力傳感器 國產(chǎn)化

0 引言

冷軋廠在鋼帶的軋制生產(chǎn)過程中，鋼帶表面的涂敷處理是一項重要的工藝流程。鋼板在軋制成所需厚度的鋼帶后，須進行涂敷處理。

在鋼帶涂敷工藝過程中，涂敷裝置是否正常運行，涂層能否均勻牢固，與涂敷裝置的取液輥、涂敷輥、鋼帶間的接觸壓力值息息相關。若接觸壓力過大，將加快橡膠制成的取液輥的磨損，甚至發(fā)生爆裂損壞，從而影響整個生產(chǎn)過程的進行。若接觸壓力太小，取液輥上的涂料難以均勻地傳遞給涂敷輥和鋼帶表面，影響鋼帶表面涂層的均勻和牢固，從而無法保證鋼帶的涂敷質量。因此，根據(jù)工藝流程的需要，設置多組測力傳感器測量和調(diào)節(jié)取液輥、涂敷輥和鋼帶之間的接觸壓力。

通?，F(xiàn)場涂敷裝置是自帶進口KYOWA的環(huán)形應變式傳感器。但由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，傳感器的損壞率較高，每年采購進口傳感器是一筆相當大的開銷，因此我們進行了該傳感器的國產(chǎn)化研制工作。本文討論了涂敷裝置的結構、測力傳感器的工作原理和結構設計及制作工藝，并介紹了所研制的測力傳感器的有關技術性能指標和在涂敷現(xiàn)場的應用效果。

1 涂敷裝置的測力傳感器

鋼帶涂敷裝置的結構如圖1所示。它是由一對相互對稱、結構相同的取液輥A與B和涂敷輥A與B組成的。

圖1 鋼帶涂敷裝置結構

圖1中，1、2分別為涂料槽A、B； 4、7分別為取液輥A、B，5、6分別為涂敷輥A、B；3為鋼帶；8A、8B為取液輥A的測力傳感器；9A、9B為涂敷輥A的測力傳感器；10A、10B為涂敷輥B的測力傳感器；11A、11B為取液輥B的測力傳感器。

為確保鋼帶表面涂層質量，取液輥A應緊靠涂敷輥A，取液輥B應緊靠涂敷輥B。為防止橡膠制成的取液輥因與涂敷輥接觸壓力過大而加速其損壞或爆裂，它們的接觸壓力F8A、F8B、F11A、F11B由測力傳感器L8A、L8B、L11A、L11B測量和調(diào)節(jié)，使F8A、F8B、F11A和F11B盡量相等并符合涂敷工藝規(guī)定的要求。

同理涂敷輥A和B應緊靠鋼帶的兩個側表面。它們的接觸壓力F9A、F9B、F10A和F10B分別由測力傳感器L9A、L9B、L10A和L10B測量和調(diào)節(jié)，使F9A、F9B、F10A、F10B盡量相等并符合涂敷工藝規(guī)定的要求。

2 測力傳感器

測力傳感器按工作原理分類，主要分為以下幾類：電阻應變式、磁彈性式、振弦式、差動變壓器式、電容式和壓電式等。其中電阻應變式和磁彈性式被廣泛地應用于冶金行業(yè)中，磁彈性式的工作原理是借助于軟磁材料的磁彈性特性。當在磁彈性體的初級繞組施以磁彈性體處于磁飽和狀態(tài)的交流電流并對磁彈性體施加載荷時，其分布的磁力線發(fā)生伸縮變形和扭曲。這使得它的次級繞組輸出交流電信號，輸出的交流電信號的增量正比于施加的載荷量。

磁彈性式傳感器的特點是輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、抗過載能力強，能消除不均勻負載的影響，能在含腐蝕性油氣體的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定地工作[7]。但它需要較大功率的勵磁交流電供電，精確度較低，反應速度較慢。

磁彈性式的制作工藝較為復雜，制作成本較高，外形尺寸也偏大。

電阻應變式傳感器是通過粘貼在彈性體上的電阻應變片組成惠斯頓電橋。惠斯頓電橋將彈性體上的載荷線性地轉換成電信號而進行測量的。電阻應變式傳感器除精度高，反應時間快，過載能力強(可達300%額定負載)，全密封防護(防護等級可達IP68)外，它還具有制作工藝成熟，可設計成小、輕、低的小型多樣結構和制作成本低等優(yōu)點，被廣泛地應用于工業(yè)各領域的稱重和測力。因此，選用電阻應變式傳感器用于鋼帶涂敷裝置中力的測量和調(diào)節(jié)是合適的[8]。

2.1 電阻應變式測力傳感器

電阻應變式傳感器的機理是：粘貼在彈性體上的電阻應變片所組成的惠斯頓電橋在彈性體受力發(fā)生形變后，電橋將彈性體所承受的載荷量線性地轉換成電信號，完成稱重或測力。

眾所周知，電阻應變式傳感器的性能和質量以及是否適合現(xiàn)場應用，與外形結構、彈性體結構、彈性體材料、應變片的粘貼、制作工藝和密封防護工藝等息息相關。

綜合考慮現(xiàn)場安裝的便利性和制作工藝性，參照原進口與一些典型的電阻應變傳感器的外形結構。將鋼帶涂敷裝置測力傳感器的外形結構形式設計定型為如圖2所示的形式。

圖2 電阻應變式傳感器的外形

這是一種小型輪輻式結構形式。它是由彈性體結構件、粘貼于彈性體上并組成惠斯頓電橋的電阻應變片、焊接于彈性體端面的兩片密封金屬膜片和焊接于彈性體側邊的管狀引線導管以及四芯屏蔽線引出導線組成。

對兩組患者服藥后的治療效果進行記錄，將相關數(shù)據(jù)進行比較。療效判定：①痊愈：用藥期間患者未出現(xiàn)任何頭痛癥狀；②顯效：用藥后患者的頭痛情況得到了顯著的緩解，且頭痛時間明顯縮短，頭痛發(fā)作頻率也明顯減少，患者眼底血管痙攣有所緩解；③有效：用藥后患者的頭痛情況有所緩解，但是在停止用藥后頭痛會出現(xiàn)復發(fā)，發(fā)病持續(xù)時間減少到了一半以上；④無效：患者的臨床癥狀沒有任何的改變?？傆行?痊愈率+顯效率+有效率。

保證電阻應變式傳感器性能和質量是項非常復雜的系統(tǒng)工程，涉及到彈性體材料、彈性體結構、電阻應變片、膠粘劑、粘貼工藝、補償工藝、熱處理工藝和密封防護工藝等關鍵技術。

彈性體變形是彈性變形和塑性變形的合成，彈性變形和應力(外力)之間符合虎克定律。因實際的彈性體不是完全的剛體，存在著塑性變形，從而造成傳感器的非線性和滯后,所以應選用彈性極限高和綜合性能優(yōu)良的材料來制作彈性體。

40CrNiMoA是一種優(yōu)質合金鋼。它具有良好的淬透性；調(diào)質狀態(tài)下，能在大截面上獲得均勻配合良好的強度和韌性；較高的疲勞強度和較低的缺口敏感性；無明顯的回火脆性，彈性模量穩(wěn)定性好；抗氧化性能好，金相組織穩(wěn)定。采用這種型號的鋼材作為彈性體，則所制作的電阻應變式傳感器具有精確度高、長期穩(wěn)定性好及環(huán)境適應性好等特點，因此被廣泛地應用于制作電阻應變式傳感器。我們認為選用40CrNiMoA作為彈性體材料是合適的。

彈性材料確定以后，彈性體結構的設計是非常重要的技術環(huán)節(jié)，它是一個特殊形狀的功能結構件。它的功能是承受作用于傳感器的外力而產(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡。在外力的作用下，產(chǎn)生一個均勻穩(wěn)定的應變區(qū)域，使粘貼在此區(qū)域并組成惠斯頓電橋的應變片完成電信號的轉換?？紤]到彈性體結構須具有良好的制作工藝和粘貼工藝以及密封防護性，并借鑒解剖的進口和典型電阻應變式傳感器的彈性體結構，將其設計成如圖3所示的彈性體結構。

圖3 彈性體結構

確定彈性體材料和結構后，即可確定熱處理規(guī)范。采用高頻淬火和比較高溫的回火，使彈性體的硬度偏低，滯后減小。這是因為回火溫度高，鋼中碳的析出多，從而形成碳化物，使晶格扭曲減小，硬度減小，變形時晶格滑移的阻力相對較小，因此彈性體的彈性滯后就小。

電阻應變片是制作測力傳感器的核心元件，它選擇得正確與否，將直接影響到所制作的測力傳感器的性能和質量。鋼帶涂敷裝置的測力傳感器工作環(huán)境存在著溫度梯度和變化。所以必須選用合適的方法補償應變片的熱輸出和彈性模量隨溫度變化造成的傳感器靈敏度誤差，使得傳感器溫度零漂和靈敏度漂移誤差降低到允許誤差范圍內(nèi)。

溫度自補償應變片能自動補償應變片的熱輸出，消除傳感器在無外力作用下的溫度零漂誤差。彈性模量自補償應變片起到普通應變片和彈性模量補償電阻器的作用，將自動消除傳感器因彈性模量隨溫度變化所造成的靈敏度誤差。

所選用的應變片膠水除具有高膠合性、高絕緣性、蠕變小、滯后低、重復性好等性能外，還須充分考慮與彈性體熱膨脹系數(shù)匹配的性能。為能制作出精確度高、可靠性好的測力傳感器，粘貼膠在制作過程中有著舉足輕重的影響。應根據(jù)工作環(huán)境，使用條件和精確度要求確定或由應變片廠家推薦。應變片上的保護面膠應具有良好的粘結性、很小的收縮性、良好的電絕緣性、密封性和耐老化性能以及耐高、低溫特性。在選用保護面膠時，應尤為注意，才能起到有效保護應變片的作用。

應變片粘貼質量的好壞是決定電阻應變傳感器質量好壞的關鍵技術之一。因此必須嚴格按照粘貼工藝流程進行操作，根據(jù)測力傳感器精確度要求確定選用應變片系列和粘貼劑品種。其工藝流程是：應變片檢查和表面處理→彈性體粘貼表面進行機械化處理(去除油污、銹面、氧化膜和鍍層)→清洗→劃線定位→應變片清洗干燥→彈性體粘貼部位涂敷底膠并熱固化處理→應變片粘貼→135 ℃熱固化處理2 h(專用夾具加壓0.1～0.3 MPa)→降至室溫卸壓→165 ℃熱固化處理2 h→降至室溫→貼片質量檢查→引線組橋→焊接引線→質量檢查→防護處理。

以上概述了粘貼工藝過程的各項主要內(nèi)容，更詳細的操作細節(jié)不再贅述[9]。

由于測力傳感器是工作在涂敷環(huán)境，是含有鉻酸等的腐蝕性氣體和潮濕的惡劣環(huán)境，所以應對粘貼好的應變片采取可靠實用的防護措施。通過激光焊接將兩片金屬膜片分別焊接在彈性體的兩側，長形空心圓管的一端插入焊接在彈性體圓孔上。將粘貼的應變片組橋后焊接在四芯(或六芯)屏蔽信號線上，信號線穿越金屬圓管引出，信號線的長度約為5 m。然后向金屬圓管灌注防護密封膠密封，采用分層灌注的方式密封，以提高密封效果。這樣利用金屬膜片和灌注防護膠，將應變片連同其附件與惡劣環(huán)境隔開[5]。對應變片所處的內(nèi)腔充以惰性氣體加以保護，將大大提高測力傳感器的使用壽命和性能。

2.2 電阻應變式測力傳感器的技術指標

眾所周知，通過精心設計和嚴格細心的工藝制作，才能研制出質量高、性能好和適用的測力傳感器。對按照上述技術規(guī)范和工藝流程設計和制作的測力傳感器進行技術參數(shù)測試，測試結果如表1所示。

表1 測力傳感器的測試結果

3 應用效果

研制成功的電阻應變式測力傳感器在我冷軋廠的涂敷裝置中進行一年多的生產(chǎn)試驗，用于涂敷裝置的上料棍與涂敷輥、涂敷輥與鋼帶接觸壓力的測力和調(diào)節(jié)，每臺涂敷裝置共用8只測量傳感器。試驗表明，所研制的電阻應變式測力傳感器能滿足我冷軋廠涂敷工藝流程的生產(chǎn)需要。與原進口產(chǎn)品相比較，它除了具有成本低、安裝拆卸方便、測量準確和便于調(diào)節(jié)外，還具有使用壽命較長的特點，完全能替代原設備的測力傳感器。目前該傳感器已在我冷軋廠推廣應用，并逐步替代壽命期已到或已損壞的測力傳感器，降低了生產(chǎn)成本，收到良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結束語

涂敷裝置的上料棍、涂敷輥和鋼帶間的接觸壓力的測力是鋼帶涂敷工藝流程中比較關鍵的技術。文中敘述了電阻應變式測力傳感器的設計和制作及其在涂敷中的應用。測試和生產(chǎn)運行表明，所研制的測力傳感器成本低，工作壽命長，能完全滿足鋼帶涂敷生產(chǎn)的工藝要求，加以推廣使用，將收到良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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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年畢業(yè)于成都理工大學測控技術與儀器專業(yè)，獲學士學位，工程師；主要從事電氣儀表技術相關的工作。