一种用于冷轧板厚度测量的液压式测量设备及方法

本发明属于冷轧板测厚，具体涉及一种用于冷轧板厚度测量的液压式测量设备及方法。

背景技术：

1、冷轧板是普通碳素结构钢冷轧板的简称，冷轧板由于在生产过程中不进行加热，所以不存在热轧常出现的麻点和氧化铁皮等缺陷，质量好、光洁度高，而且冷轧产品尺寸精度高，因而多用于汽车制造、电器产品等行业，同时冷轧板又因为具备涂装性能好，价格低廉的特点，在家电、建筑、包装行业也得到广泛应用。

2、冷轧板带厚度是冷轧板规格划分的一个重要指标，厚度控制精度以及均匀性直接关系到薄板的性能和市场销售情况，而在生产过程中，轧机的设计制造水平、自动化控制水平和工艺制造水平都会对最终的冷轧板厚度有所影响，因而冷轧板在经过轧制后需要通过检测装置对其厚度进行检测。

3、用于板带轧机板厚检测的测厚仪按照测量方式的不同，一般分两类，即接触式和非接触式。接触式的如最基本的“千分尺”，是用于离线测量厚度，不能与控制系统实现厚度闭环控制。非接触式测厚仪可用于在线连接厚度测量，可进行数据处理、存储、输出，能够很方便地与控制系统实现厚度闭环控制，达到厚度自动控制的目的。非接触式测厚仪一般分为三大类，即：光学测厚仪；同位素测厚仪；x-ray测厚仪。

4、光学测厚仪采用低相干光干涉测量方法来精确测量厚度，以宽谱光源作为相干光源，其相干长度短，只有在测量光和参考光的光程相等时才能产生干涉峰值，因此具有很好的空间定位特性。但存在光学测厚过程中被测物运行速度受限，设备对生产现场环境要求较高的缺点。同位素测厚仪采用物质厚度不同对辐射的吸收与散射不同的原理来测量厚度，放射性同位素放射出的射线,在通过被测物质时,局部被物质吸收,或被物质散射,用探头测量透射射线或散射射线的强度,就能计算出物料的厚度。但由于采用放射性物质进行测量对人体存在潜在伤害，且放射性伴随检测物质，不利于后期存储与使用。x-ray测厚仪利用x射线穿透被测材料时，x射线的强度的变化与材料的厚度相关的特性，从而测定材料的厚度，是一种非接触式的动态计量仪器。但在检测过程中需对介质进行补偿，且在生产过程中进行检测对相关操作人员人体有害需加防护。液压式冷轧板厚度测量方法采用流体静力学与射流动力学原理，电容式传感器采集射流运动参数，并分别经过软、硬件对射流运动参数进行处理实现测厚，可以避免检测介质放射性大、设备成本高、设备工作条件苛刻的缺点，具有液压介质选择范围广、液压介质可循环利用、设备成本低、设备工作适应生产现场且实现智能控制的优势。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题提供了一种用于冷轧板厚度测量的液压式测量设备及方法。

2、为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

3、一种用于冷轧板厚度测量的液压式测量设备，包含液压回路系统、电容信号处理系统和上位机；

4、所述液压回路系统包括定量泵、变量泵、二位四通换向阀、一号电压力表、二号电压力表、三号电压力表、一号先导式溢流阀、一号调速阀、二号调速阀、上喷液口、下喷液口、流量传感器、一号电容式传感器和二号电容式传感器，所述定量泵和变量泵的进液口均通过管路与液压介质箱连接，所述定量泵和变量泵的出液口分别与二位四通换向阀的两个进液口连接，所述二位四通换向阀的其中一个工作液口与液压介质箱连接，所述二位四通换向阀的另一个工作液口与一号先导式溢流阀的进液口连接，在所述二位四通换向阀与一号先导式溢流阀之间设置有一号电压力表，所述二位四通换向阀、一号电压力表以及一号先导式溢流阀构成液压回路系统的主回路，所述一号调速阀和二号调速阀的进液口均与一号先导式溢流阀的出液口连接，所述一号调速阀依次连接二号电压力表和上喷液口构成液压回路系统的上支路，所述二号调速阀依次连接三号电压力表和下喷液口构成液压回路系统的下支路，所述上喷液口和下喷液口的几何轴线重合，所述流量传感器安装在上喷液口内，用于测量上喷液口喷出液压介质的初始速度，所述一号电容式传感器和二号电容式传感器对称安装在上喷液口的两侧，且一号电容式传感器位于上喷液口的左侧，二号电容式传感器位于上喷液口的右侧；

5、所述电容信号处理系统包括前置放大器、有源滤波器、ocl式功率放大器、同向加法电路和同向减法电路；在所述同向加法电路和同向减法电路之前均依次连接有ocl式功率放大器、有源滤波器和前置放大器，两个所述前置放大器分别连接一号电容式传感器和二号电容式传感器，两组所述前置放大器、有源滤波器和ocl式功率放大器分别用于对一号电容式传感器和二号电容式传感器的低频电压信号进行处理，所述同向加法电路用于对一号电容式传感器和二号电容式传感器的低频电压信号进行相加处理，所述同向减法电路用于对一号电容式传感器和二号电容式传感器的低频电压信号进行相减处理，所述同向加法电路和同向减法电路的输出端均与上位机连接；

6、所述上位机与一号电压力表、二号电压力表、三号电压力表、流量传感器、ocl式功率放大器、同向加法电路和同向减法电路连接，用于接收信号并进行信号处理；所述上位机还与定量泵、变量泵、二位四通换向阀、一号先导式溢流阀、一号调速阀和二号调速阀连接，用于根据设定值及接收到的信号控制其工作的参数。

7、一种用于冷轧板厚度测量的液压式测量方法，包括以下步骤：

8、步骤1，安装液压喷口，上喷液口安装于待测板材的上方，下喷液口安装于待测板材的下方，且上喷液口和下喷液口的几何轴线重合，以便于上喷液口和下喷液口喷出的液压介质能冲击在待测板材的同一点上；

9、步骤2，旋转上喷液口，使得上喷液口、一号电容式传感器和二号电容式传感器三者的连线与待测板材的运动方向平行；

10、步骤3，利用一号电压力表控制主回路的压强；设定主回路的初始液压介质压强为，主回路的液压介质压强恒定时，二位四通换向阀阀芯位于右位，此时仅定量泵工作，变量泵不工作；如若主回路的液压介质压强降低，一号电压力表中的数值小于初始液压介质压强，则上位机在接收到一号电压力表的信号后控制二位四通换向阀中的阀芯由最初的右位移至左位工作，此时变量泵与定量泵同时工作以维持主回路液压介质压强恒定；

11、步骤4，设定上支路的液压介质压力为，下支路的液压介质压力为，并利用一号调速阀和二号调速阀分别对上支路和下支路的液压介质压力进行调定，由于下回路中液压介质向上喷出，存在“上喷”的情况，为平衡上喷液口和下喷液口对板材的冲击，设定上支路的液压介质压力小于下支路的液压介质压力；

12、步骤5，利用流量传感器直接获取上喷液口喷出的液压介质的速度；

13、步骤6，通过前置放大器对一号电容式传感器和二号电容式传感器的低频电压信号进行放大；

14、步骤7，通过有源滤波器对放大后的低频电压信号进行滤波处理；

15、步骤8，利用ocl式功率放大器对滤波处理后的低频电压信号进行功率放大处理；

16、步骤9，测量液压介质撞击一号电容式传感器和二号电容式传感器的速度，具体步骤如下：

17、步骤9.1 利用公式(1)计算液压介质从板材反弹后撞击一号电容式传感器时的速度：

18、                       (1)

19、上式中，为一号电容式传感器的电容板间介质介电常数，为一号电容式传感器的电容极板间正对面积，为一号电容式传感器的静电力常量，为一号电容式传感器的电荷量，为一号电容式传感器电压经滤波、放大、功放处理后的电压时域函数，为液压介质撞击一号电容式传感器时的速度；

20、考虑板材从左往右移动的过程中，板材水平方向的移动速度将影响液压介质撞击一号电容式传感器的速度，故将液压介质撞击一号电容式传感器时的速度考虑为：

21、                             (2)

22、其中上式均考虑为矢量关系，为液压介质在板材静止状态下冲击板材表面后反弹到达一号电容式传感器和二号电容式传感器时的速度，为由于板材水平运动引起的液压介质在竖直方向上的速度波动；

23、步骤9.2 利用公式(3)计算液压介质从板材反弹后撞击二号电容式传感器时的速度：

24、                       (3)

25、上式中，为二号电容式传感器的电容板间介质介电常数，为二号电容式传感器的电容极板板间正对面积，为二号电容式传感器的静电力常量，为二号电容式传感器的电荷量，为二号电容式传感器电压经滤波、放大、功放处理后的电压时域函数，为液压介质撞击二号电容式传感器时的速度；

26、考虑板材从左往右移动的过程中，板材水平方向的移动速度将影响液压介质撞击二号电容式传感器的速度，故将液压介质撞击二号电容式传感器时的速度考虑为：

27、                           (4)

28、其中上式均考虑为矢量关系；

29、步骤10，利用同向减法电路对功率放大后的两组低频电压信号作相减处理：

30、                      (5)

31、上式中，表示板带静止时的液压介质速度电压差，表示液压介质撞击一号电容式传感器得到的电压，表示液压介质撞击二号电容式传感器得到的电压；

32、步骤11，利用同向加法电路对功率放大后的两组低频电压信号作相加处理：

33、                      (6)

34、上式中，表示板带运动时的液压介质速度电压差；

35、则由于板材水平运动引起的液压介质在竖直方向上的速度波动：

36、                      (7)

37、则液压介质在板材静止状态下冲击板材表面后反弹到达一号电容式传感器和二号电容式传感器时的速度：

38、                       (8)

39、利用公式(9)，求取上喷液口距离板材上表面之间的高度差：

40、(9)

41、上式中，为环境大气压，为上支路的液压介质压力，为重力加速度，为液压介质密度；

42、步骤12，设置基准位置：将已知厚度为的板材放置于待检测处进行检测，利用公式(9)得到上喷液口距离板材上表面之间的高度差为，结合板材厚度和上喷液口距离板材上表面之间的高度差为可得出上喷液口到待检测板材下表面的距离：

43、                         (10)

44、步骤13，此后所检测的板材厚度可由式(11)得到：

45、                       (11)。

46、与现有技术相比本发明具有以下优点：

47、1、本专利提出的设备所用器件均为标准件，采购成本低，器件结构简单，易于安装调试，维护、更换便捷；

48、2、设备采用流体动力学基本原理，且液压介质选择范围广，抗环境干扰能力强，工况适应性好；

49、3、设备灵敏度较高，且设备内置硬件信号处理模块，能够显著提升测量精度与测量稳定性。