專利名稱：狹縫間距測量方法及傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于測量技術領域，主要適用于間接測量平動物體和旋轉物體之間狹縫的距離，尤其適用于非晶態合金鑄造設備的噴嘴和冷卻輥之間的狹縫間距測量方法及傳感器。
背景技術：
在現有技術中，測量兩個物體之間狹縫距離的方法有接觸式直接測量方法(例如，用塞尺等量具進行測量)和非接觸式間接測量方法(例如，用光學等方法進行測量)。平動物體和旋轉物體之間狹縫的距離無法進行接觸式直接測量，只能采用非接觸式間接測量方法進行測量。激光具有強度高，準直性好等特點，可用于測量平動物體和旋轉物體之間狹縫的距離。Charles E.Carlson等(參見U.S.Pat.No.4,399,861)公開了一種采用激光測量狹縫的方法，用于測量非晶態合金薄帶鑄造設備(參見U.S.Pat.No.4,142,571,U.S.Pat.No.4,771,820)在噴帶過程中噴嘴和冷卻輥之間形成的狹縫之間的距離。但是，利用激光測量狹縫也存在許多缺點，首先是激光設備較昂貴，并且操作復雜；其次是激光光源和接收器之間不能有任何障礙物，必須保證光路是暢通的；另外，工業現場惡劣的環境，如煙、塵等也可能干擾和限制激光的傳播，影響測量精度。Bradley R.Hoover等(參見U.S.Pat.No.4,524,546)公開了一種氣動壓力傳感器及狹縫測量方法，用于測量機械軋輥的半徑變化及軋輥的磨損情況。該傳感器通過檢測氣體的壓力來測量傳感器氣嘴頂端與軋輥之間的距離，進而確定軋輥半徑變化及軋輥的磨損情況。氣動壓力傳感器由恒定壓力的氣源提供具有一定壓力的壓縮氣體，當壓縮氣體通過小孔型氣嘴噴射到與氣嘴接近的軋輥表面時，氣流受到阻礙，導致氣體壓力的增加，氣嘴與軋輥表面的距離不同，氣流受到阻礙的程度也不同，導致氣體壓力的變化也不同，通過檢測氣體的壓力，可以確定氣嘴頂端與軋輥表面形成的狹縫的距離。在此基礎上，Karl T.Bagdal等(參見U.S.Pat.No.5,092,392)利用該原理，發明了另一種氣動壓力傳感器及狹縫測量方法，用于測量非晶態合金薄帶鑄造設備在噴帶過程中噴嘴和冷卻輥之間形成的狹縫之間的距離。Bradley R.Hoover和Karl T.Bagdal發明的上述氣動壓力傳感器及狹縫測量方法都是基于正壓方法，即由恒定壓力的氣源提供大于大氣壓的壓縮氣體，通過檢測氣體的壓力變化，確定氣嘴頂端與輥子表面形成的狹縫的距離。為了提高檢測精度，要求恒壓氣源具有很好的穩定性和控制精度，同時氣體壓力隨檢測距離的變化是非線性的，需要對測量結果進行線性化，導致檢測設備進一步復雜化。這種氣動傳感器測量狹縫的最大范圍在0.075-0.375mm之間，最佳范圍在0.125-0.275mm之間，為了獲得較好的測量效果，傳感器探頭在安裝時，要求探頭從傳感器的基體表面凸出，并且探頭的表面要用砂紙等磨成與基體相同曲率，通過調整傳感器探頭凸出的長度使測量結果處于最佳量程之內。以上這些因素都給實際安裝和測量帶來了諸多不便，并且設備的制造成本也明顯增加。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構設計簡單、測量精度高、可靠性強、低成本，并可用于高溫及工業惡劣環境的狹縫間距測量方法及傳感器。
本發明的理論依據是流體動力學的伯努利方程關于氣體流速與氣體壓強的關系。在無粘性流體定常運動中，同一流線上的每一點都滿足 其中ρ為流體的密度、v為流體的速度、p為流體的壓強，上式稱為伯努利方程。根據伯努利方程，可以得到氣體的流速v越大，壓強p越小。基于上述原理，本發明的工作原理是高速旋轉的旋轉體帶動旋轉體表面附近的空氣隨旋轉體一起運動，當一端開有小孔的探頭接近旋轉體時，由于探頭和旋轉體表面形成的狹縫之間的空氣是高速流動的，導致孔內空氣的壓強與大氣壓強存在壓強差。由于沿旋轉體徑向與旋轉體表面不同距離處氣體的流速是不同的，導致探頭小孔內的空氣壓強與大氣壓強之差隨探頭與旋轉體表面距離的不同而不同。通過測量孔內空氣與大氣的壓力差，可以實現探頭與旋轉體表面間狹縫間距的測量。
根據本發明的目的和上述原理所提出的技術方案的特征是通過測量旋轉體和平動物體之間空氣的壓強與大氣壓強之差隨旋轉體和平動物體之間狹縫距離的變化，實現狹縫間距的非接觸式測量，并可實時測量并顯示，還可以根據設定值進行實時控制。
根據上述狹縫間距測量方法的傳感器，該傳感器由可沿軸AA′旋轉的旋轉體20、可沿X方向平移的探頭30、壓力變換器60、檢測電路及控制電路組成，其特征在于傳感器探頭30的中間開有一個小孔31，小孔31內有一個空腔32，空腔32的橫截面面積與小孔的橫截面面積之比為3∶1-10∶1，小孔31與大氣相通，空腔32通過剛性管33與壓力變換器60相連，剛性管33的內徑為2-6mm；壓力變換器60是硅微結構壓阻式低壓變換器，壓力變換器60的高壓端61與剛性管33相連，低壓端62與大氣相通；探頭30固定在活動支架40上，活動支架40在旋轉體20的徑向方向平移，并且小孔3的方向可通過調整活動支架40的方向調節到與旋轉體20軸向垂直的方向。
本發明的其它技術特征為旋轉體20繞其軸線旋轉時，旋轉體20表面的線速度為5-50m/s。
狹縫間距的測量和控制是閉環或開環的。
用多個傳感器同時測量1個狹縫間距。
狹縫間距測量傳感器用于高溫環境。
采用本發明所提出的狹縫間距測量傳感器及方法與現有技術比較具有結構設計簡單、精度高、可靠性強和低成本，并可用于高溫及工業惡劣環境下的優點。首先，本發明提出的狹縫間距測量傳感器及方法是利用氣體壓力和氣體流速的關系實現平動物體和旋轉體之間狹縫間距的間接測量，不需要恒壓氣源，避免了氣源不穩定和氣壓控制不精確帶來的測量誤差；其次，本發明提出的狹縫間距測量傳感器探頭的小孔沒有凸出部分，避免了安裝過程中帶來的誤差，并簡化了工藝、降低了檢測設備的復雜程度。第三，本發明提出的狹縫間距測量傳感器及方法適用于高溫和工業惡劣環境。
圖1是本發明所提出的狹縫間距測量傳感器的結構示意圖。
圖2是探頭位置調整機構的剖面圖。
圖3是本發明所用傳感器探頭的示意圖。
圖4是傳感器的輸出電壓隨輥嘴間距的變化關系座標圖。
圖5是噴帶過程中傳感器的輸出電壓隨輥嘴間距的變化關系座標圖。
圖6是采用閉環控制后，輥嘴間距隨時間的變化關系座標圖。
在上述附圖中，10為底座，20為旋轉體，21為支撐架，22為固定螺栓，23為皮帶或鏈條，24、43、44、52和53為馬達，30為探頭，31為探頭30中間的小孔，32為小孔內的空腔，33為剛性管，40為活動支架，41和42為直線導軌，45為可動支架，46、47、48、和49、50和51為軸，54為固定支架，60為壓力變換器，61、62分別為壓力變換器60的高壓端、低壓端，63為陶瓷管，64為噴嘴。
具體實施例方式
根據本發明所提出的狹縫間距測量方法及傳感器，本實施例構造了狹縫間距測量傳感器，測量了非晶態合金平面流鑄帶設備在噴帶過程中冷卻輥和噴嘴之間的輥嘴間距。
本實施例所用的旋轉體20由直徑為350mm的水冷銅輥構成，銅輥在變頻調速馬達的驅動下旋轉，轉速可在0-3000轉/分鐘之間連續調節。
圖1、圖2中，本發明所提出的狹縫間距測量傳感器由可沿軸AA′旋轉的旋轉體20、可沿X方向平移的探頭30、壓力變換器60、檢測電路及控制電路組成。旋轉體20通過軸承安裝在支撐架21上，支撐架21通過固定螺栓22固定在底座10上。旋轉體20為圓柱形的輥子，通過皮帶或鏈條23，旋轉體20可在馬達24的驅動下沿軸AA′旋轉，旋轉體表面的線速度為25米/秒。探頭30安裝在活動支架40上，活動支架40通過直線導軌41和42安裝在可動支架45上，直線導軌41和42在馬達43和44的驅動下可單獨沿X方向運動，也可同步沿X方向運動，由于探頭30安裝在活動支架40上，因此探頭30在馬達43和44的驅動下隨活動支架40一起運動，即馬達43和44用于調節探頭30與輥子表面的距離和平行度。可動支架45上安裝有46、47、48和49四個軸，這四個軸通過連接機構分別與軸50和51相連，軸50和51通過連接機構與馬達52和53與固定支架54連接，在馬達52和53的驅動下，可動支架45可在Z方向平移，也可沿Z方向在YZ平面內傾斜，即馬達52和53用于調節探頭30的高度和與軸AA′在豎直方向的角度。探頭30的中間開有一個小孔31，小孔的截面是圓形。小孔內有一個空腔32，空腔的橫截面是圓形。空腔32的橫截面面積與小孔31的橫截面面積之比為5∶1，小孔的一端與大氣相通，另一端與小孔31內的空腔32相連，空腔32通過剛性管33與壓力變換器60的高壓端61相連，壓力變換器60的低壓端62與大氣相通。采用剛性管33的目的是為了保證孔內的壓力變化有效地傳到壓力變換器60，壓力變換器60用于測量小孔內的壓強與大氣壓強之差，壓力變換器60是硅微結構壓阻式低壓變換器。壓力變換器60又為表壓型微壓力變換器，用于檢測傳感器探頭30內空氣壓強與大氣壓強之差，并將這種壓力差轉換成與壓差成正比電壓信號，電壓信號經檢測電路放大、整形之后，再通過比例放大后進行定標，以數值形式顯示狹縫寬度，同時將與狹縫寬度對應的模擬電壓輸出給比較電路，比較電路將狹縫的設定值和檢測電路輸出的狹縫間距進行比較，比較后輸出誤差信號并傳遞給控制電路，控制電路對機械運動機構進行控制和調整，將探頭30的位置調整到預先設定的位置。
圖3中，其中64為非晶態合金平面流鑄帶設備噴嘴包上的氮化硼噴嘴，31為傳感器探頭上直徑為0.5mm的小孔，63為外徑5mm的陶瓷管，陶瓷管63的內徑為3.8mm，壁厚0.5mm，陶瓷管63通過高溫水泥與噴嘴64相連，傳感器探頭30上的小孔31與安裝陶瓷管63的孔在相交處是連通的。陶瓷管63通過1.2m長的鋁管與壓力變換器60連接，連接處用高溫水泥密封。將上述探頭30放入烘干箱中烘干，確保高溫水泥連接處不漏氣后，再將一體化的噴嘴64和傳感器探頭30安裝在噴嘴包上，之后再將探頭30的鋁管的另一端與壓力變換器60的高壓端61用軟膠管連接，并保證密封良好。壓力變換器60采用SM5552硅微結構壓阻式低壓變換器。啟動壓力變換器60的配套檢測電路和探頭位置調整和控制機構及相關的控制電路。
圖4中，可以看出，輥嘴間距在0.05-0.35mm之間變化時，輸出電壓具有很好的線性。
圖5中，噴帶過程中噴嘴包中鋼液溫度為1380℃，冷卻輥線速度為25m/s。由圖可以看出，在實際噴帶過程中，輥嘴間距在0.1-0.35mm之間變化時，傳感器的輸出電壓也具有很好的線性。
圖6中，噴帶過程中冷卻輥線速度為25m/s，冷卻輥中冷卻水的水溫為39℃，噴嘴包中鋼液溫度為1380℃。由圖6可見，在噴帶開始時輥嘴間距較寬，通過閉環控制，輥嘴間距在不到1分鐘時間內被調整到設定值，并能保持很好的穩定性，在第17分鐘末，噴帶結束，噴嘴包遠離冷卻輥。
權利要求
1.一種狹縫間距測量方法，其特征是通過測量旋轉體和平動物體之間空氣的壓強與大氣壓強之差隨旋轉體和平動物體之間狹縫距離的變化，實現狹縫間距的非接觸式測量，并可實時測量并顯示，還可以根據設定值進行實時控制。
2.根據權利要求1所述的狹縫間距測量方法的傳感器，該傳感器由可沿軸AA′旋轉的旋轉體(20)、可沿X方向平移的探頭(30)、壓力變換器(60)、檢測電路及控制電路組成，其特征在于傳感器探頭(30)的中間開有一個小孔(31)，小孔(31)內有一個空腔(32)，空腔(32)的橫截面面積與小孔的橫截面面積之比為3∶1-10∶1，小孔(31)與大氣相通，空腔(32)通過剛性管(33)與壓力變換器(60)相連，剛性管(33)的內徑為2-6mm；壓力變換器(60)是硅微結構壓阻式低壓變換器，壓力變換器(60)的高壓端(61)與剛性管(33)相連，低壓端(62)與大氣相通；探頭(30)固定在活動支架(40)上，活動支架(40)在旋轉體(20)的徑向方向平移，并且小孔(31)的方向可通過調整活動支架(40)的方向調節到與旋轉體(20)軸向垂直的方向。
3.根據權利要求2所述狹縫間距測量方法的傳感器，其特征在于旋轉體(20)繞其軸線旋轉時，旋轉體(20)表面的線速度為5-50m/s。
4.根據權利要求2所述的狹縫間距測量方法的傳感器，其特征在于狹縫間距的測量和控制是閉環的或開環的。
5.根據權利要求2所述的狹縫間距測量方法的傳感器，其特征在于用多個傳感器同時測量1個狹縫間距。
6.根據權利要求2所述的狹縫間距測量方法的傳感器，其特征在于狹縫間距測量傳感器用于高溫環境。
全文摘要
本發明屬于測量技術領域，主要適用于間接測量平動物體和旋轉物體之間狹縫的距離，尤其適用于非晶態合金鑄造設備的噴嘴和冷卻輥之間的狹縫間距測量方法及傳感器。本發明的技術方案是通過測量旋轉體和平動物體之間空氣的壓強與大氣壓強之差隨旋轉體和平動物體之間狹縫距離的變化，實現平動物體與旋轉體表面間狹縫間距的非接觸式測量，并可實時測量并顯示，還可以根據設定值進行實時控制。本發明提出的狹縫間距測量傳感器及方法具有結構設計簡單、精度高、可靠性強和低成本，并可用于高溫及工業惡劣環境下的優點。
文檔編號G01B13/12GK1553142SQ20031011846
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月18日 優先權日2003年12月18日
發明者李德仁, 盧志超, 周少雄, 高振, 張宏浩, 陸曹衛, 張亮 申請人:安泰科技股份有限公司, 鋼鐵研究總院