CN1037209C

CN1037209C - 电磁反射式测厚仪

Info

Publication number: CN1037209C
Application number: CN92109643A
Authority: CN
Inventors: 曹奇恒; 赵义辉
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1998-01-28
Anticipated expiration: 2007-08-24
Also published as: CN1070731A

Abstract

本发明系一种电磁反射式测厚仪。主要适用于金属板带材轧制过程中在线连续测量其板带的厚度。该测厚仪由信号源、发射线圈、接收线圈、调制锁相环、频率校正及窄带电压变换、阻抗变换器及精密检波与倍压、线性反馈补偿及自动调整置零和高压高精度稳压电源的电线路以及冷却调整控制单元组成。其测量厚度范围为1～12mm，测量精度0.02mm+1%×测量值，最高工作温度750～950℃。且结构简单，成本低，无污染。

Description

电磁反射式测厚仪

本发明是以采用电磁方法为特征的线性尺寸测量技术领域。主要适用于金属板带材轧制过程中在线连续测量其板带的厚度。

在金属板带材的轧制过程中，连续地、准确地测量被轧金属板带材的厚度，并及时反馈到轧机厚度控制***，调整辊缝，轧出尺寸精度较高的板带材，具有重要的经济意义。

在现有技术中，中国专利CN87105775.1提供了一种激光测厚仪。该测厚仪采用两个光路***，将激光束垂直入射于被测物表面，为了适应对高速运动物体的测量，采用线阵电荷耦合器件(CCD)摄像***作为光电转换装置，将其所得电信号，取包络，经放大，平滑处理，经浮动切割后可得一定宽度脉冲信号，应用微机终端处理***将该脉冲信号用一定频率的脉冲信号填充计数，从而可得到对应的被测物体的厚度值。

该发明虽然克服了激光偏转法结构复杂、可靠性差的特点，但仍存在如下不足之处：(1)作为激光测厚本身对于被测金属材质的吸收系数不同所引起的非线性误差是不可克服的；(2)设备结构仍很复杂，成本高；(3)激光源的能量很大，对操作人员仍有一定危害性。

本发明的目的在于提供一种电磁反射式测厚仪。该测厚仪不仅能在金属板带的轧制过程中连续精确地在线测定被轧物的厚度，而且结构简单，成本低，无污染，对操作人员无损害。

本发明所采用的技术方案可结合其原理示意图(附图1)加以说明。原理示意图中，1为激发线圈。2为接收线圈，3为调制锁相环，4为频率校正和窄带电压变换，5为阻抗变换器及精密检波与倍压，6为线性反馈补偿及自动调整置零，7为高压高精度稳压电源，8为冷却调整控制单元，10为被测物。

其工作原理如下：

在激发线圈1内通以某频率的交流电，激发出均匀平面波。其要求是场量除随时间变化外，只与波传导方向的坐标有关，电磁波沿直角坐标制y轴传播场量是t和y的函数，即在y等于常数的平面各点的场量E_f为：

E_f＝E_f(y，t) H_f＝H_f(y，t)要求做到一维波动方程

\frac{{&PartialD;}^{2} E_{f}}{&PartialD; v^{2}} = \frac{1}{V} \frac{{&PartialD;}^{2} E^{f}}{&PartialD; t^{2}}, \frac{{&PartialD;}^{2} H_{f}}{&PartialD; y^{2}} = \frac{1}{V^{2}} \frac{{&PartialD;}^{2} H_{f}}{&PartialD; t^{2}}

所激发的均匀平面波，通过接收线圈2，接收到随金属板带(被测物10)厚度不同而变化的场量E_j＝E_j(y，t)、H_j＝H_j(y，t)均匀场的微弱信号；经过调制锁相环3对上述微弱信号进行处理，得到等幅调制波；经过二次处理的信号进入频率校正和窄带电压变换4，获得与被测物10的厚度成比例的音频信号；该音频信号经阻抗变换器及精密检波与倍压5，使其获得输出阻抗小于2Ω的高品质变换信号，为了在线检测过程中得到可靠的被测物厚度信号，设置了线性反馈补偿及自动调整置零电路6，它的输出可接到数字显示装置和自动打印***，便于操作人员及时掌握在线轧制的板带厚度和随产品带有检验厚度的质量卡，便于质检人员检查。

本发明电磁反射式测厚仪可达到如下技术指标：

测量厚度范围1～12mm，

测量精度0.02mm+1％×测量值

响应速度1米/1毫秒

最高工作温度750～950℃，冷态亦可

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.在959℃高温下，能够在线连续地较准确地测定金属板带的厚度，且测量精度高

2.结构简单

3.成本低。

4.无任何污染，对操作人员绝对安全。

现结合附图对本发明作进一步说明：

附图1为本发明电磁反射式测厚仪的电原理框图。

附图2为本发明信号源及发射与接收电线路图。

附图3为本发明调制锁相环电线路图。

附图4为本发明频率校正和窄带电压变换电线路图。

附图5为本发明阻抗变换器及精密检波与倍压电线路图。

附图6为本发明线性反馈补偿及自动调整置零电线路图。

附图7为本发明高压高精度稳压电源的电线路图。

由图1看出，本发明电磁反射式测厚仪由发射线圈1、接收线圈2、调制锁相环电线路3、频率校正和窄带电压变换电线路4、阻抗变换器及精密检波与倍压电线路5、线性反馈补偿及自动调整置零电线路6、高压高精度稳压电源电线路7、冷却调整控制单元8以及信号源组成。

从附图2～附图7可知，信号源及发射与接收电线路(包括发射线圈及接收线圈)由电阻R₁～R₁₅、电容C₁～C₁₁、晶体三极管T₁～T₅、电感线圈L₁～L₂以及电位器W₃、W₁₁、W₁₂组成；调制锁相环电线路由电阻R₂₉～R₃₃、放大器IC₂、IC₃、IC₁₃、振荡波幅U_m、晶体三极管T₁₀、电容C₁₉、稳压管WY₁组成。其中节点11与频率校正和窄带电压变换电路中的电容C₂₂相连；频率校正和窄带电压变换电线路由电阻R₁₆～R₂₃、电容C₁₂～C₁₈、晶体三极管T₆～T₈、二极管D₁～D₃、电感线圈L₃～L₅组成，且节点12与阻抗变换器及精密检波与倍压电路中的电阻R₂₇相连；阻抗变换器及精密检波与倍压电线路由电阻R₂₄～R₂₈、放大器IC₄、IC₅组成，且节点14与线性反馈补偿及自动调整置零电线路中的电阻R₃₄相连；线性反馈补偿及自动调整置零电线路由电阻R₃₄～R₄₅、晶体三极管T₁₁、T₁₂、T₁₆、电容C₂₀、二极管D₄、放大器IC₆～IC₁₁、电位器6W₄、WY₂组成；高压高精度稳压电源由电阻R₄₈～R₅₂、晶体三极T₁₃～T₁₅、稳压管WY₃～WY₆、电位器W₅、电容C₂₁、放大器IC₁₂组成。

本发明除了采用五套常规稳压电源(V₊₂、V₊₃、V_-1、V_-2、V_-3)外，还有一套专供信号源及发射与接收电路之用的高压高精度稳压电源(如图7)。由图7看出，在有μA741(12)组成的80V高压高精度稳压电源中，稳压管WY₆通过稳压管WY₅供给集成组件(12)，使之偏置电平可在宽的调节范围内跟踪输出电压；SE7040(T₁₃)由稳压管WY₄和电阻R₄₇所偏置，作为偏置网络恒流源；输出电压是经过分压比(R₅₀、W₅)获得，电位器W₅不4.7～47KΩ；此电源之保护短路是由晶体三极管T₁₅(2N4944)及电阻R₅₂(2～5Ω)来实现，SE7040是用作调整管的高反压大功率三极管，该电路中R₄₆的参数值为(8～12Ω)。

图2中左半部分是产生5～20KC振荡电源；晶体三极管T₁采用3D01G，目的提高输入阻抗，使振荡稳定可靠；晶体三极管T₃采用射极输出，日的是减少后级对振荡电路的影响；电位器W₃可用4.7～47KΩ电位器调节，电位器W₁₁、W₁₂为同轴电位器，选用7～13KΩ较适合；晶体三极管T₄为射极***，起阻抗变换和功率放大作用，选用FU508A；发射线圈L₁的感应电势经T₅(FU508A)射随器输给后级选频放大。电阻R₁～R₁₅的阻值范围为2～51KΩ，电容C₁～C₁₁的参数范围为3300PF～0.1μF，其中电容C₄～C₇可在1～10μF范围选用，晶体三极管T₁选用3D01G，T₂、T₃应选用β＞120的高反压晶体三极管，电感线圈L₁、L₂的匝数为5000～10000，电感量为6.8～21mH。

图3电路中，基本发生器是由积分运算放大器IC₃和比较器IC₁₃组成，由场效应管IC₁₉加到正反馈回路，且由集成运算放大器IC₂组成的调制器对由运算放大器IC₁来U_m进行工作，每次其积分器输出达到翻转点时翻转，并使比较器改变T₁₀开关状态，从而使放大器从反相器变换成跟随器，并使调制信号之极性反转加到积分器输入，U_m控制着积分器的输入电压幅度，其控制频率为：

f＝U_m/4V_z·R·C

式中f为控制频率(KHz)，V_z＝6.4V，R为等效电阻，其值为60～100KΩ，C为等效电容，其值为0.015～0.22μF范围。

在该电路中，电阻R₂₉、R₃₀、R₃₁、R₃₂分别为51KΩ、100KΩ、5.6KΩ和100KΩ，电阻R₃₃为5～10KΩ，电容C₁₉为100～140PF，则调制频率范围在12KHz～18KHz之间工作，晶体T₁₀为3D01G，放大器IC₂、IC₃、IC₁₃可选用OP07EN，稳压管WY₁为20W7C。

在图4中，由晶体三极管T₆、T₇组成两级电感耦合放大器，并且都是共射极连接方式，因此输出信号与输入同相位。由于谐振电原理，电阻R₁₆、R₁₇、R₁₉、R₂₁的参数范围分别选为10～14KΩ、20～24KΩ、5.5～8.5KΩ、22～26KΩ，电阻R₁₈、R₂₀均小于1KΩ，电容C₁₂、C₁₆和C₁₇选用56～3300PF，电容C₁₃、C₁₄、C₁₅、C₁₈的参数范围为5～10μF。频带选择较窄，Q≈20～30，从而为输送给下一级由D₁、D₂、D₃和T₃组成的窄带f/v变换器提供了理想条件。其中，晶体三极客T₆～T₈和二极管D₁～D₃宜选用开关型晶体三级管和二级管，电感线圈L₃～L₅的匝数为1000～1400匝，由调试过程确定具体匝数。

经晶体管T₈的射极输出到图5电路中路，从而大大改善信号的质量，可达到输出阻抗小于2欧姆的高品质。

图6电路中共使用了IC₆～IC₁₁六只运算放大器(OP07EN四只，ICL 7650CP两只)。其中，IC₆、IC₇作为比例放大；IC₈、IC₉中IC₈作为积分功能，IC₉具有比较器作用，从高频窄带变换器经阻抗匹配后，信号U₆加在IC₈的反相输入端。由于电压比较器的正反馈作用，使IC₉的输出电压总是等于最大值，即

U’₆＝±U’_6m运算放大器IC₆、IC₇的受U’_s 控制的电子开关，当U’_s为(+)时，晶体三极管T₁₆导通，T₁₁截止，当U’_s为(-)时，T₁₆截止，T₁₁导通，现设定为第一种状态时，U₆加到IC₆的反相端，经算放大器IC₇、IC₈、IC₉的上述作用后，T₁₆截止，T₁₁导通，这时U₆经IC₁₀、IC₁₁双相电压比较器IC₁₁经PETT₁₂与电位器W₄的调节，使输出恒为零值(结公共端而言)，图中，电阻R₄₄、R₄₅是为比较器IC₁₁提供参考电压，为了方便可选用4.7～47KΩ多圈电位器为宜，调试后，再确定R₄₄、R₄₅的电阻值。晶体三极管T₁₂若采用3DJ6系列，则电位器W₄可选用7～12KΩ，获得正常调整作用。

经运算放大器IC₁₀输出的电压是与被测物板带厚度成比例的毫伏值。此值即可用数字电压表显示带材实际厚度，并可以将其打印在卡片上，可作为检测凭据。

Claims

1、一种电磁反射式测厚仪，包含电源、信号源、发射线圈、接收线圈，其特征在于：

信号源中的发射线圈(1)和接收线圈(2)之间通过节点V₊₁与高压高精度稳压电源电线路(7)相连，接收线圈(2)的输出端通过电容C₁₁与调制锁相环电线路(3)的运算放大器IC₁相连，调制锁相环电线路(3)通过电容C₁₉和节点11与频率校正和窄带电压变换电线路(4)中的电容C₂₂相连，频率校正和窄带电压变换电线路(4)通过二极管D₃和节点12与阻抗变换器及精密检波与倍压电线路(5)中的电阻R₂₇相连，阻抗变换器及精密检波与倍压电线路(5)通过电阻R₂₅和节点14与线性反馈补偿及自动调整置零电线路(6)中的电阻R₃₄相连。

2、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于包含发射线圈(1)和接收线圈(2)的信号源中，由电阻R₁～R₉电容C₁～C₆、电位器W₁₁、W₁₂以及晶体三极管T₁、T₂组成稳定性振荡源；由电阻R₁₀～R₁₂、电容C₇、C₈、晶体三极管T₃、T₄组成另一振荡源；由电阻R₁₀～R₁₂、电容C₇、C₈、晶体三极管T₃、T₄以及激发线圈L₁组成平面波电磁场发射电路；由电容C₉～C₁₁、晶体三极管T₅以及接受线圈L₂组成能获取场强E_j、H_j的电路；

电容C₂与电位器W₁₂、电容C₁与电位器W₁₁各并联后再串联，其联接处与晶体三极管T₁的基极相连；电阻R₄与电容C₅并联后的一端与晶体三极管T₁源极相连，另一端与电阻R₅串联后接地；电阻R₁的两端分别与电位器W₁₁、电容C₂相连；晶体三极管T₁漏极经电容C₄与晶体三极管T₂基极相连；电阻R₆、R₇串联的节点与晶体三极管T₂基极相连，另外两端分别接至电源正极和地端；电阻R₉与电容C₆并联后的两端分别接至晶体三极管T₂发射极和地端，晶体三极管T₂的集电极端输出接至晶体三极管T₃基极，并且经电容C₃反馈到电阻R₁和电位器W₁₁端；晶体三极管T₃的集电极接电阻R₁₀后接地，其发射极经电位器W₃接至电源正极，其调节端经电容C₇与晶体三极管T₄基极相连；晶体三极管T₄基极经电阻R₁₁与电源正极相连，其集电极与电阻R₁₂串联后也与电源正极相连，其发射极与发射线圈L₁、电容C₁并联后接地；接收线圈L₂的中点抽头与晶体三极管T₅基极相连，两端与电容C₉并联后与电容C₁₀串联接至电源正极。

3、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于调制锁相环电线路中由运算放大器IC₃和比较器IC₁₃组成基本发生器，由运算放大器IC₂组成调制器；

其中，输入端经电容C₁₁引入到放大器IC₁的反相输入端，而同相输入端接地；电阻R₁₃和R₁₄串联后的两端分别与电容C₁₁和放大器IC₁的输出端相接，其中点经电阻R₁₅接地；电阻R₂₉、R₃₀均与放大器的输出端相接，电阻R₂₉的另一端接至晶体三极管T₁₉的源极和放大器IC₂的反相输入端，电阻R₃₀的另一端接接至放大器IC₂同相输入端；电阻R₃₁、R₃₂串联后的两端分别与晶体三极管T₁₉漏极和放大器IC₃反相输入端联接，其中点接至放大器IC₂的输出端，晶体三极管T₁₉的隔离极接至电源负极；放大器IC₃同相输入端接地，电容C₁₉两端分别接至放大器IC₃的反相输入端和输出端，放大器IC₃的输出端直接与放大器IC₁₃同相输入端联接，IC₃的反相输入端与稳压管WY₁串联后接地；电阻R₃₃分别与放大器IC₁₃的反相输入端和输出端相接后，再接到晶体三极管T₁₀的基极，T₁₀的漏极与放大器IC₂同相输入端相接，其源极接地。

4、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于在频带校正和窄带电压变换电线路中，由晶体三极管T₆、T₇组成两级电感耦合放大器，由晶体三极管T₇组成集电极谐振网络，由二极管D₁、D₂、D₃和晶体三极管T₈组成窄带变换器；

其中，晶体三极管T₆的输入端经电容C₂₂与放大器IC₁₃同相输入端联接；电阻R₁₆、R₁₇串联后的两端分别接到电源负极和地端，中点端与晶体三极管T₆基极联接；电阻R₁₈和电容C₁₃并联后的两端分别接至晶体三极管T₆的发射极和地端；电容C₁₂与线圈并联后分别接至电源负极和晶体三极管T₆的集电极，经耦合后的线圈两端分别接至晶体三极管T₇的基极和电阻R₁₉、R₂₁串联的中点，R₁₉、R₂₁的另外两端分别接至电源负极和地端；电阻R₂₀和电容C₁₅并联后的两端分别接至晶体三极管T₇的发射极和地端；电容C₁₆和电感线圈L₃并联后的一端接晶体三极管T₇的集电极，电线圈L₃的抽头端接电源负极；二极管D₁、D₂反向并联后的一端与电感线圈L₄串联，另一端与电感线圈L₅串联后再与晶体三极管T₈基极连接，L₄的另一端则接地，电容C₁₈和电阻R₂₂并联后的一端也与晶体三极管T₈基极相接，另一端接地；晶体三极管T₈的发射极分别与二极管D₃、D₂的负极相接；二极管D₃和电阻R₂₃串联后，D₃负端与晶体三极管T₈发射极相接，电阻R₂₃与负压V-2相接，而T₈的集电极直接与负压V_-1相接。

5、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于阻抗变换器及精密检波与倍压电线路中，电阻R₂₇的一端与电阻R₂₃相接，另一端接放大器IC₄的反相输入端；电阻R₂₆的两端分别与放大器IC₄的反相输入端和输出端相接，经电阻R₂₉输出给放大器IC₅的反相输入端；电阻R₂₄分别与放大器IC₅的反相输入端和输出端相接；放大器IC₄、IC₅的同相输入端均接地；电阻R₂₅分别与放大器IC₄的反相输入端和放大器IC₅的输出端相接。

6、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于在线性反馈补偿及自动调整置零电线路中，电阻R₃₄的一端接放大器IC₅的输出端，另一端接到放大器IC₆的反相输入端；电阻R₃₅的一端与放大器IC₆的反相输入端和输出端相接，放大器IC₆的输出端经电阻R₃₆接至放大器IC₇的反相输入端，IC₇输出端与晶体三极管T₁₁的源极相接，T₁₁基极串联二极管D₄后的负极与电阻R₄₃和晶体三极管T₁₆的漏极相接，其源极接至放大器IC₆输出端；晶体三极管T₁₆的基极串联电阻R₄₄后与放大器IC₉的输出端相接，二极管D₄负极与晶体三极管T₁₆漏极相接；晶体三极管T₁₁漏极串联R₃₇后接到放大器IC₈的反相输入端；电容C₂₀的两端跨接在IC₈的反相输入端和输出端；放大器IC₉的同相输入端串联电阻R₄₂后接地；电阻R₄₁的一端接放大器IC₉的同相输入端，另一端串联稳压管Wy₂后接地，稳压管Wy₂的另一端与放大器IC₉输出端相接；电阻R₄₄的一端接电源V₊₂，另一端接放大器IC₁₁的同相输入端后，再经电阻R₄₅接地，放大器IC₁₁的输出端与晶体三极管T₁₂的基极相接，其源极接地，漏极接至电位器W₄和电阻R₃₉串联的中点上，电位器W₄的定端接至放大器IC₁₀的输出端和数字显示屏的输入端，电阻R₃₉的另一端接地；另外，放大器IC₆、IC₇、IC₈的同相输入端均接地。

7、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于：

电阻R₁～R₁₅的阻值范围为2～51Ω；

电容C₁～C₃和C₈～C₁₁的参数范围为3300PF～0.1μF；C₄～C₇为1～10μF；

晶体三极管T₂、T₃选用β＞120的高反压晶体三极管；

电感线圈L₁L₂的匝数为5000～10000匝，电感量为6.8～21mH。

8、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于积分器输入电压幅度的控制频率为：

f＝U_m/4V_z·R·C式中，f为控制频率(KHz)，V_z为基准电压，V_z＝6.4V，R为等效电阻，其值为60～100KΩ，C为等效电容，其值为0.015～0.22μF，U_m为振荡波幅。

9、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于：

电阻R₂₉、R₃₀、R₃₁和R₃₂的阻值分别为51KΩ、100KΩ、5、6KΩ和100KΩ；

电阻R₃₃为5～10KΩ；

电容C₁₉为100～140PF。

10、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于：

电阻R₁₆、R₁₇、R₁₉和R₂₁的阻值范围分别为10～14KΩ、20～24KΩ、5.5～8.5KΩ、22～26KΩ；

电容C₁₂、C₁₆、C₁₇的参数范围为56～300PF；

电容C₁₃、C₁₄、C₁₅和C₁₈参数范围为5～10μF；

电感线圈L₃～L₅1000～1400匝。

11、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于R₄₄、R₄₅的参数范围为4.7～10KΩ。

12、根据权利要求1所述的测厚仪，其特征在于：电位器W₅的参数为4.7～47KΩ，电阻R₅₂的参数为2～5KΩ，电阻R₄₆的参数为8～12KΩ。