轧制力测试系统的设计

3.2电阻应变式传感器的设计
在轧钢中，测力传感器也叫做测压头，简称压头。在轧钢 设备中，由于轧制力大，工作条件差，安装传感器的位置 也受到限制，因此不能应用出售的标准成品传感器，必须 根据每套轧机的具体条件自行设计和制造。
A外壳结构设计
a.外壳的作用 （1）传力和均力 通过球面垫、上盖和底盘把全部载荷 加到弹性元件上，为此要求上盖和底盘具有一定的机械 强度，以便起到穿离合均力板的作用。 （2）密封 防止异物介质侵入传感器内部，因此，密封 是设计的重点 （3）机械防护
σP =
σ max + σ min
2
σ min = σ p − σ N
图2-1轧机牌坊立柱应力分布及 测量点的选择 e、 f、 g—应变片
若四根立柱受力条件相同，则轧制力P为
P = 2 P1 = 4σ P A
或根据轧件在轧辊上的位置（轧制力作用点），由 杠杆原理求出总轧制力P：
l l P=P× = 2σ P A 1 l −a l −a
3.传感器测量法 传感器测量法
在轧机压力测量中，用测力传感器直接 测量轧制压力得到广泛应用。同应变测 量法相比，传感器的应力水平要高 10~20 10~20倍，精度及稳定性均优，不仅可 用于负荷显示，还可以控制系统提供信 号。当然，这种方法的投资较多，标定 过程也比较复杂，但在当前力测量法 应力测量法
2.1机架立柱应力分析
轧制时，轧机牌坊立拄产生弹性变形，其大小与 轧制力成正比.因此.只需测出牌坊立柱的应变就 可推算出轧制力。 对于闭口牌坊，轧制时，牌坊立柱同时承受拉应 力 σ p 和弯曲应力σ N ,其应力应力分布如图 2-1 所示，由图可见，最大应力发生在立柱内表面bb上,其值为
（a）传感器原理图
（b）不受外力作用 （c）受外力作用 图3-2压磁式传感器原理图 3-2 （a）传感器原理图（b）不受外力作用（b）受外力作用
在外力作用下，A、B区域承受很大的压应力σ，于是 导磁率µ人下降，磁阻增大；C、D区域基本上人处于 自由状态，起导磁率µ人不变。于是原有呈现轴对称 分布的磁力线被扭曲变形，合成磁场强度H不再与W3, 4 平面平行，磁力线与绕组 W3, 4交链，故在测量绕组 W3, 4 中感应出电势E值。
图3-1电容式传感器原理图 （a）电极（b）传感器构造图 1-绝缘物（无机材料）2-导体（钢材）3-电极4-钢件
优点：灵敏度高，结构简单，消耗能量小，误差 小，国外已用于测量轧制力。 缺点：泄露电容大，寄生电容和外电场的影响显 著，且测量电路复杂。
B压电式传感器 它的基本原理是利用“压磁效应”即某些铁磁材料 受到外力作用时，引起导磁率发生变化的物理现象。 利用压磁效应制成的传感器，叫做压磁式传感器 (在轧机测量中也常称为压磁式压头），有时也叫 磁弹性传感器或磁致伸缩传感器。 图3-2为压变器型磁式传感器的原理图。在两条对 角线上，开有四个孔1、2和3、4。在两个对角孔1、 2中，缠绕激磁（初级）绕组 W1, 2 ；在另两个对角 孔3、4中缠绕测量（次级）绕组 W3, 4 ； 1, 2 和 W3, 4 平 W 面相互垂直，并与外力作用方向成45º角。在不受 外力作用时，由于铁心的磁各向同性，磁力线呈轴 对称分布，故 W3, 4不会感应出电势。
σ max = σ p + σ N
最小应力发生在立柱外表面d-d上,其值为
σ min = σ p − σ N
在中性面c-c上，穹曲应力等于零， 只有轧制力引起的拉应力 σ max + σ min σP = 2 由此可见，为了测得拉应力，必 须把应变片粘贴在牌坊立柱的中 性面c-c上，以消除弯曲应力。因 此一扇牌坊所受到的拉力 P1 = 2 σ P A 式中A-牌坊一根立柱的横截面积
（a） （b） 图3-5 初轧机用传感器及其放转装置
（a）950初轧机用传感器装配图 1-压下螺丝 2-法兰盘 3-螺母 4垫环 5-钢垫 6-上盖板 7-弹簧元 件 8-下垫板 9-上辊轴承座 （b）1150初轧机用传感器装配图 1-压下螺丝 2-钢垫 3-上盖板 4-螺 栓 5-法兰盘 6-上轴承 7-底垫 8-键 块 9-弹簧元件 10-下垫板
C 电阻应变式传感器 它主要由弹性元件和应变片构成。外力作用在 弹性元件上，使其产生弹性元件变形（应变）， 由贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻 变化。再利用电桥将电阻变化转换成电压变化， 然后送入放大器放大，有记录器记录。最后利 用标定曲线将测的应变值推算出外力大小。这 种传感器已成为主流。他特别适合于现场条件 下得短期测量，故目前测试轧制力大多数采用 电阻应变式传感器。
图2-3 应变杆的结构和安 装示意图 1-支座 2-粗拉杆 3-细拉杆 4-立柱中性面
L σ =σP l 由上式可见，细小拉杆应力 σ 比立柱应力 σ P 大L/l倍 应变拉杆法的优点是：易于制造，便于维修，无 需改动设备，不占用窗口空间，不影响机架刚度， 工作条件好，使用寿命长，早讲低廉易于推广等。 其缺点是：若有立柱横截面形状不规则，中性面 不易找准。另外，由于各种因素的影响，四根立 柱受力情况不尽相同。所以引起较大误差。实验 表明，用应变拉杆法和传感器测量法测出的轧制 力误差，最大可达8%-10%。
(1)确定传感器的安装位置 测力传感器应安装在工作机 座两侧轧辊轴承垂直载荷的 传力线上，通过测量两侧的 轧制分力即可得到总轧制力。 根据不同情况，安装位置常 在三个部位中选择（见图34）：压下螺丝和上辊轴承座 之间（部位1）；下辊轴承座 和机架牌坊下横梁之间（部 位2）；压下螺母和机架牌坊 上横梁之间（部位3）。
3.1测力传感器的分类
测力传感器的种类很多，按其测量原理可分为三大 类：电容式、压磁式和电阻应变式。 A电容式传感器 电容式传感器把力转换成电容变化。它由两个相互 平行的绝缘金属板组成。由物理学可知它的电容量 为: ε ⋅S
C=
2 mm 式中 S -电容器的两个极板覆盖面积, 。 δ -电容器的两个极板间距，mm。 ε -电容器极板间介质的介电常数，空气ε =1。
（2）确定传感器的结构和外形尺寸（高度和宽度） 结构形式根据轧机类型、工作环境和工作时间而 定。 （3）传感器的防护 为了保证传感器正常、持久 地工作，传感器的结构设计还应考虑其防护装置， 轧机型式不同，防护侧重点也不同。例如，设计 初轧机用传感器是，重点是防转。目前国内常用 的防转有：键槽式和宝塔式（见图3-5）.
燕山大学
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轧制力测试系统的设计
1.轧制压力的测试 2.应力测量法
2.1 机架立柱应力分析 2.2 测量方法 2.3 标定 2.4 应变拉杆法
3.传感器测量法
3.1 测力传感器的分类 3.2 电阻应变式传感器的设计
1.轧制压力的测试 轧制压力的测试
2.3标定
其标定方法基本上与一般应变（或应力）的测 量相同，最常见的办法是用等强度量进行标定。 在等强度梁上贴片，其性能、粘贴工艺、组桥 方式、仪器性能、工作状态和梁体材料等均与 牌坊立柱的情况相同，因而可将其等强度梁上 得出的结果应用到牌坊上去。然后给梁逐渐加 载，记录下各对应载荷的输出信号，于是得出 应力（或应变）与输出信号（例如光点高度） 之间的线性关系。
采用应力测量法测量轧制力时，其测量精度主 要取决于测点布置、被测立柱组合方案和标定 精度。在保证合理测量条件的前提下，其综合 测量误差一般在正负10%以内。这足以满足轧 制压力的一般检测和对负荷监控的要求。 方案优点：无需改动现有设备，不需使用造价 较高的专门测力传感器，且安装、维修以及换 辊操作等均不受影响。但不足之处是机架应力 水平较低输出信号较小。
式中l--压下螺栓的中心距，mm。 a--轧制P的作用点到所测牌坊压下螺栓的距离， mm。
2.2测量方法
当在机架立柱中性面粘贴电阻应变片时，首 先要正确确定立柱的位置，对于简单断面的 立柱，可用作图法找出中性面；对于复杂断 面，先测出立柱内外表面应力，再由公式求 出 σ P ，然后在立柱另外两表面的不同位置 上测量应力 σ ，当 σ = σ P时，即为中性面。 然后把测点安置在截面比较均匀的地方。应 变片按垂直和水平方向粘贴，可用半桥或全 桥连线如图2-2所示。
同时在上盖3和底盘11之间用两道O形橡胶密封 圈7和密封圈8.装配时，在期间填充液质密封剂。 波纹管6连接橡皮管将引线引出，并用密封剂将 管口封住。弹性元件的内外表面贴有应变片， 在其上涂以各种密封剂。在上盖3与弹性元件5 之间用两个销钉4 固定，以防止弹性元件转动 而扭断导线。为了装配方便，采用两个定位销 12 。球面垫1是标定传感器时用的，故称为标 定垫。 按照变形方式，电阻应变式传感器可分为：压 缩式、剪切式、和弯曲式三种，其中使用最多 的是前两种。
2.4应变拉杆法
为了克服上述缺点，提高测量精 度。可采用图2-3所示的应变拉 杆法作。在 牌坊立柱中性面4上 焊两个支座1，在二者之间固定 三段粗拉杆2，其间用一根细小 拉杆3 （有效长度为l，其上粘贴 应变片，组成电桥）相连。当粗 拉杆刚度远远大于细小拉杆吋， 可认为粗拉杆不发生变形，而牌 坊立柱长度为L内的变形主要集 中在细小拉杆上，拉杆应力σ 为
δ
当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容 的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅 改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为 单一电容量的变化。 图3-1为测量轧制力使用的电容式传感器。在 矩形的特殊钢块弹性元件上，加工有若干个贯 通的圆孔。.每个圆孔内固定两个端面平行的 . 丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成平板 电容器。几个电容器并联成测量回路。在轧制 力作用下，弹性元件产生变形，因而极板间距 发生变化。从而使电容发生变化，经变换后得 到轧制力。
为了防止应变片的机械损坏 以及油、水及蒸汽等有害介 质的侵蚀，应变片应妥善保 护。 采用应力测量法测量轧制力 时，最好在四个立柱上都布 置测点。实践表明，当采取 二立柱方案时，以对角立柱 图2-2应变片在机架立柱上的布 置及连线方式 布置测点较为有利。 因为这种方案不仅考虑了传动侧和换辊侧立柱受 力不均的影响，而且也考虑了入口侧与出口侧立 柱受力不均的影响。