一种提高冷轧纠偏检测精度的电感检测装置的制作方法

本发明属于电磁机械一体化的测量技术领域，具体涉及一种用于冷轧生产线上纠偏控制系统中的电感检测装置及方法。

背景技术：

在冷轧带材的连续生产线(含后续处理线)中，随着工艺设备的改进，机组速度逐渐的提高(现在有的已达到41.7m/s)，加工的带材趋向又薄又宽，为适应带材快速连续生产，带材活套的存储量越来越长，加上辊子的制造精度和使用后的磨损以及带材板形不好(如边浪、镰刀弯、焊接偏移等)等各种因素的影响，往往会出现带材跑偏的现象。带材跑偏不仅使带材无法卷齐，而且会使带材表面出现划伤，带材边缘碰撞折边，甚至会造成带材断带和设备损坏等生产事故。为了提高带材质量、降低成本，以满足市场对优质带材的需求，纠偏控制系统已成为冷轧生产线上不可缺少的设备。它广泛应用于冷轧生产线如退火线、酸洗线、镀锌线、平整线、重卷线等领域。

纠偏控制系统根据带材位置检测原理不同，可以分为光电式、电容式、电感式、CCD摄像式等几种检测方式。其中光电式和电感式已经成为纠偏控制系统的首选检测方式。现在常用的光电式纠偏控制系统具有能够克服光源老化和污染、不受外界光的干扰、测量精度高、测量高度范围大等优点。由于需要调节光路及受现场环境的影响，安装和维护比较麻烦。电感式纠偏控制系统可以适用于恶劣环境中，不受传感器上由于堆积污染而引起的绝缘阻抗变化的影响；不受静电场干扰的影响；不受化学和带材轧制处理中所产生的水、蒸汽等的影响；不受炉子环境所产生的气化金属雾气等的影响，可以应用于导磁性带材生产线中的任一需要纠偏的位置，且一旦安装调试后不需要人工维护，使用寿命长，但是使用有局限性，只能用于强磁性带材生产，测量精度不高。由于自身的缺点，在很大程度上限制了其在冷轧或其它领域的广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种提高冷轧纠偏检测精度的电感检测装置，通过采用500kHz正弦波交流电源、6层电路板耦合的平面线圈、精密的信号处理电路及安装方便的框架结构。不仅提高了电感检测装置在纠偏控制系统的检测精度，而且其可以应用在弱磁性带材生产线，采用框架结构使其安装和检修极其简单。

一种提高冷轧纠偏检测精度的电感检测装置，包括500kHz正弦波交流电源、发射线圈A、接收线圈A、发射线圈B、接收线圈B、信号处理电路、直流电源及电感检测装置框架。电感检测装置框架采用闭合的矩形框架结构；发射线圈A和发射线圈B中心对称左右放置在电感检测框架的下支架空间里，接收线圈A和接收线圈B中心对称左右放置在电感检测框架的上支架空间里；500kHz正弦波交流电源、直流电源和信号处理电路放置在电感中继箱中，电感中继箱安装在电感检测框架的左侧或右侧(根据现场情况，安装在轧线的操作侧)竖支架上。

500kHz正弦波交流电源参见我单位先前研制的一种中小功率高精度高频正弦波交流电源(专利号为ZL:201210279303.2)。直流电源为500kHz正弦波交流电源中的控制电路和信号处理电路提供电源。

发射线圈A、接收线圈A、发射线圈B和接收线圈B采用同规格的无芯PCB平面线圈，PCB平面线圈为矩形结构，长度为轧线带材最大宽度与最小宽度的差值的一半加上100mm，宽度与长度的比例为4:5。为了提高检测精度和应用于弱磁轧线上，PCB平面线圈采用标准CMOS工艺中的6层电路板叠加来实现电感元件，其中最上层、最下层及中间第1、2、3层绘制螺旋式电感矩形线圈并且上下串接，中间第4层用作中间的接头接出引线。电感线圈的线间距d＝60mil，线宽h＝40mil，为了减少集肤效应，铜线敷铜厚度为100μm。

当发射线圈通过500kHz正弦波交流电源时，在发射线圈的周围产生一个交变磁场，则在接收线圈中产生感应电动势ε₀，该感应电动势送入信号处理电路进行处理。信号处理电路将该电信号经隔离变压器、仪表放大电路、精密整流电路、四阶Sallen-Key拓扑的贝塞尔低通滤波电路和信号调理电路后得到稳定的直流信号，送入纠偏系统的控制器进行处理。

电感检测装置框架为闭合的矩形框架结构，带材从电感检测装置的中间穿过。为了现场安装及检修方便，电感检测装置采用插接结构，包括左右两个竖支架及2个横支架，每个竖支架上有2个燕尾槽的孔，而2个横支架的两端有燕尾槽的凸粒，通过燕尾槽的孔和凸粒的配合，构成了闭合的矩形框架结构。本发明的优点在于：

(1)本发明的电感检测装置，通过采用500kHz正弦波交流电源、6层电路板耦合的平面线圈、精密的信号处理电路，不仅提高了测量精度(测量精度≤±2mm)，还可以应用在弱磁生产线上，例如部分不锈钢轧线上；

(2)本发明的无芯PCB的平面线圈，设计简单，具有较大的散热面积，且使线圈热点到线圈表面的热阻降低，从而改善热耗散等问题，能实现高磁通密度，能减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，也能增大电流密度；

(3)本发明的机械、电路设计简单，制造成本低，适合大规模推广使用。

附图说明

图1是本发明提供的电感检测装置框图；

图2是本发明提供的无芯PCB平面线圈的结构图；

图3是本发明提供的信号处理板电路图

图中：

1-500kHz正弦波交流电源 2-PCB平面线圈 3-信号处理板

4-电感检测装置框架 5-直流电源 6-电感中继箱

7-带材

201-接收线圈A 202-接收线圈B 203-发射线圈A

204-发射线圈B 301-隔离变压器 302-仪表放大电路

303-精密整流电路 304-低通滤波器 305-信号调理电路

401-左侧竖支架 402-右侧竖支架 403-上支架

404-下支架 3011-初级线圈A 3012-初级线圈B

3013-次级线圈A 3014-次级线圈B 3015-磁芯

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种提高冷轧纠偏检测精度的电感检测装置，包括500kHz正弦波交流电源1、发射线圈A203、接收线圈A201、发射线圈B204、接收线圈B202、信号处理电路3、直流电源5及电感检测装置框架4。

电感检测装置框架4采用闭合的矩形框架结构，采用插接结构，包括左竖支架401、右竖支架402、上支架403和下支架404，两个竖支架上分别有2个燕尾槽的孔，而上下支架的两端有燕尾槽的凸粒，通过燕尾槽的孔和凸粒的配合，构成了闭合的矩形框架结构。

发射线圈A203和发射线圈B204中心对称左右放置在电感检测框架的下支架404空间里，接收线圈A201和接收线圈B202中心对称左右放置在电感检测框架的上支架403空间里；500kHz正弦波交流电源1、直流电源5和信号处理电路3放置在电感中继箱6中，电感中继箱6安装在电感检测框架4的左侧竖支架401上或右侧竖支架402上(根据现场情况，安装在轧线的操作侧)。

接收线圈A201、接收线圈B202、发射线圈A203、发射线圈B204为PCB平面线圈2形式，PCB平面线圈2采用标准CMOS工艺中的6层电路板叠加来实现电感元件，如图2所示。其中最上层、最下层及中间第1、2、3层绘制螺旋式电感矩形线圈并且上下串接，中间第4层用作中间的接头接出引线。这样设计，不仅减少了无芯线圈工作在高频(100kHz～2MHz)时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，也能增大电流密度，而且PCB平面线圈2具有较大的散热面积，且使线圈热点到线圈表面的热阻降低，从而改善热耗散等问题，能实现高磁通密度。所以PCB平面线圈2具有效率高，体积小，而且线圈结构采用紧凑封装，实现了高功率密度。

电感检测装置固定在轧线上两个辊道中间，且电感检测装置安装在辊道中心上，带材7从电感式检测装置中间穿过。500kHz正弦波交流电源1连接发射线圈A203和发射线圈B204，当通电时，在发射线圈A203的周围产生一个交变磁场，其磁通量为φ₀，该磁通一部分与接收线圈A201形成回路，在接收线圈A201上产生感应电动势ε₁，另一部分被磁性带材吸收。同理，在发射线圈B204的周围产生一个交变磁场，其磁通量也为φ₀，该磁通一部分与接收线圈B202形成回路，在接收线圈B202上产生感应电动势ε₂，另一部分被磁性带材吸收。

其中，N为接收线圈A201和接收线圈B202的匝数；K为常数；B为磁感应强度；h为带材的厚度；b₁为发射线圈A203和接收线圈A201之间的带材宽度，b₂为发射线圈B204和接收线圈B202之间的带材宽度。

接收线圈A201产生感应电动势ε₁和接收线圈B202产生感应电动势ε₂送入信号处理电路3进行处理变成标准的0～10V直流电压信号，如图3所示。感应电动势ε₁和ε₂这种电信号的变化非常小，只有几十毫伏。这种信号是悬浮的电压信号，为了传输这种信号，且与接收线圈隔离，采用隔离变压器301。如图3所示，隔离变压器301由初级线圈A3011、初级线圈B3012、次级线圈A3013、次级线圈B3014和磁芯3015组成，隔离变压器301采用PCB型平面变压器的方式，初级线圈A3011、初级线圈B3012、次级线圈A3013、和次级线圈B3014分别印制在4层PCB的第2层、第4层、第1层和第3层上，以次级线圈A3013-初级线圈A3011-次级线圈B3014-初级线圈B3012排列，该4层PCB电路板夹在高频磁芯3015之间。初级线圈A3011与次级线圈A3013的匝数比为1：1，同理，初级线圈B3012与次级线圈B3014的匝数比也为1：1。次级线圈A3013的异名端和次级线圈B3014的异名端接地。接收线圈A201上产生感应电动势ε₁输入至初级线圈A3011，接收线圈B202上产生感应电动势ε₂输入至初级线圈B3012，这样通过隔离变压器301，感应电动势ε₁和ε₂信号变成共地的电压信号，且与接收线圈A201和接收线圈B202进行电隔离。

该电压信号内阻较大，在信号的获取过程中，往往伴有较大的共模干扰信号，这就要求放大电路具有较大的输入阻抗，较高的共模抑制比和很强带负载能力，并且具有将双输入变成单模输出的功能。故采用仪表放大电路302。如图3所示，运放U1，U2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。并且由于电路结构对称,可抑制零点漂移。感应电动势ε₁和ε₂经过仪表放大电路变成共地的单端输出的频率为500kHz的正弦波电压信号V₁和V₂。

为了提高精度,可以用运算放大器和二极管来组成整流电路,利用集成运放的放大作用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差。由运算放大器组成的全波精密整流电路303，如图3所示。500kHz的正弦波电压信号V₁和V₂经过精密整流电路303电路变成带干扰的直流信号U₁和U₂。

为了将阶跃响应的稳定时间减少，采用贝塞尔低通滤波器。然而贝塞尔传递函数的衰减速率很小，因此，滤除高频成分的能力较差，从而纹波较大。为了降低纹波幅度，在不增加1％稳定时间的前提下，提高滤波器的阶数是唯一的选择。这里采用四阶的Sallen—Key拓扑的贝塞尔低通滤波电路304，其传递函数如下：

贝塞尔低通滤波电路304由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运放U3、运放U4组成。如图3所示，电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2及运放U3构成了单位增益的Sallen—Key拓扑，其中电阻R1及电容C1构成一阶低通滤波，电阻R2及电容C2构成第二阶低通滤波，运放U3被作为单位增益的缓冲单元。同理电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4及运放U4构成了单位增益的Sallen—Key拓扑，其中电阻R3及电容C3构成第三阶低通滤波，电阻R4及电容C4构成第四阶低通滤波，运放U4被作为单位增益的缓冲单元。当选取电阻R1＝6.8KΩ、C1＝75pF、R2＝15KΩ、C2＝62pF、R3＝5.1KΩ、C3＝160pF、R1＝8.1KΩ、C1＝62pF，则低通滤波电路304截止频率为8kHz，此时1％电压稳定时间约为80us，纹波的峰峰值约为1.5mV。带干扰的直流信号U₁和U₂经过四阶的Sallen—Key拓扑的贝塞尔低通滤波电路304，变成没有高频干扰且波纹很小的直流信号U₁和U₂。直流信号U₁和U₂经过信号调理电路305变成0～10V的标准直流信号送入纠偏控制系统的控制器进行处理。

实施例1

以某钢厂950mm冷轧厂带钢连续退火线的退火炉出口段所设计的CPC纠偏控制为例，该生产线的产品规格为：

带钢宽度：600mm～850mm

带钢厚度：0.3mm～1.0mm

机组速度：max 80m/min

电感检测装置固定在距离退火炉出口为200mm的两个辊道中间，且电感检测装置安装在辊道中心上，带钢7从电感式检测装置中间穿过。电感检测装置框架4长度为900mm，高度为600mm。无芯PCB平面矩形线圈2长度设计为225mm，宽度为180mm，这样保证即使带材偏移很大(这里设计为±50mm)，也能保证带钢置于发射线圈A203和接收线圈A201之间，和发射线圈B204和接收线圈B202之间。在生产线运行时，接收线圈A201和接收线圈B202根据带钢的不同位置，感应不同的电动势ε₁和ε₂，电动势ε₁和ε₂经过信号处理电路变成0～10V的标准直流信号送入纠偏控制系统的控制器进行处理。