光电开关在热轧钢坯长度在线检测中的应用
日期：2008-4-6 14:38:38 来源：本站整理
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在马钢初轧厂钢坯轧制生产线上，在热轧钢坯长度在线检测中，成功应用了红外主动式光电开关。在此，光电开关主要起两个作用：(1)作为测量钢坯长度时的触发信号，控制计算机通过线阵CCD摄像机对钢坯尾部进行采样；(2)用来减小测量视场，提高测量精度。
1 测量原理
在热轧钢坯的生产线上，轧制后的钢坯在辊道上非匀速地向前传送。设钢坯的长度分布在L1和L2之间，其最大差值ΔL=L2－L1，因而摄像机的测量范围必须大于或等于ΔL。利用图1所示的测量方法，在被测钢坯的头部触发光电开关k时，只要能够精确地测出钢坯尾部的长度(尾长)x，就可以得到热轧钢坯的长度。
在图1中，光电开关安装在辊道的两旁，钢坯在辊道上向前运动，当钢坯的头部挡住光电开关发送的信号时，就产生外部中断请求信号，计算机响应后，通过线阵CCD摄像机对钢坯尾部进行数据采集，进而测量和计算出钢坯的尾部长度x。则，钢坯的长度L可由下式求出：
L=L1＋x（1）
可见，测量精度主要由尾长x决定，因而精确测量尾长x是技术的关键。
2 测量装置及测量方法
根据上述原理，结合马钢初轧厂热轧现场的实际情况，我们采用图2所示的测量方法来测量1000℃左右热轧钢坯的长度。
在实际测量中，往往被测钢坯长度的变化范围很大，像马钢初轧厂的最大变化范围ΔL=14m，因而要求摄像机成像透镜的视场很大。对于大视场透镜的像差校正较为困难，而且也会影响线阵CCD摄像机的测量精度。为此，我们采用图2的测量结构，利用两组光电开关k1和k2来减小测量视场。设k1和k2之间的距离为L0，那么钢坯的尾长x一定在0到ΔL－L0之间。所以，线阵CCD摄像机只需在较小的视场ΔL－L0内测出钢坯的尾长x，利用(1)式即可求得钢坯的长度。钢坯长度的测量过程是这样的：被测钢坯在辊道上向前运动时，当钢坯的头部挡住光电开关k1发射的信号时，计算机即通过线阵CCD摄像机对热轧钢坯进行采样，计算出其尾长x。如果x<ΔL－L0时，则被测钢坯的长度为L=L1＋x。如果测得的尾长x=ΔL－L0，即线阵CCD摄像机的每个感光象素均被感光，热轧钢坯满视场，此时有可能钢坯的尾部还未进入测量视场之内，故本次测出尾长的数据无效，需通过第2个光电开关k2辅助测量。当钢坯继续向前运动又挡住光电开关k2时，计算机又通过线阵CCD摄像机对钢坯进行采样，再次计算出尾长x。此时钢坯的尾部一定落在测量视场中，因而钢坯的长度应为L=L1＋L0＋x。设光电开关未被钢坯挡住时，计算机对相应端口的读数为1，则实现上述思想的流程如图3所示。
图3中，k1和k2分别代表光电开关k1和k2的输出值。
由于在马钢初轧现场存在多种杂散光，所以，为了有效地避免其干扰，我们选用k1和k2均为主动常开式红外光电开关。当光电开关的发射信号被挡住时，其输出为0，为了避免灰尘或其它杂物挡住光电开关的发射信号而引起误触发，我们在安置光电开关位置的竖直线上，安装两对相邻很近的光电开关，如图4所示。
为了更有效地防止误触发光电开关，我们将k1和k2均按图4那样安装两对在竖直方向相邻很近的光电开关，并且规定：只有当两对光电开关均被截面为130mm×130mm的方坯挡住，即k11=k12=0时，才认为是有效触发信号。实现上述思想的硬件接口电路由延迟比较器、跟随器和一系列逻辑电路组成，以避免光电开关输出信号在比较电平附近，由于零点漂移和干扰的存在，输出电压将不断地由一种状态转换成另一种状态，造成检测结果的不稳定。光电开关的两路输出信号k11和k12分别作为接口电路的输入信号，经接口电路处理后的输出作为计算机的中断请求信号。接口电路的输入、输出特性如表1所示。
注：和是另一组光电开关与的输出值。
可见，其输入、输出特性可以满足设计要求，即只有当光电开关k11和k12均被挡住时输出才为零。此时，才产生外部中断请求，计算机响应后，通过线阵CCD摄像机对数据进行采样和处理后，测出热轧钢坯的长度。
3 系统特点
与过去的测量方法相比，该系统具有如下特点：
(1)测量准确，随机误差小。过去测量采用目测，即将钢坯同设在轨道上的标尺目测比较。测量精度主要取决于操作者的熟练水平和判断能力。采用该测量系统后，实现测量的自动化，测量精度可达0.2％以上。
(2)配尺合理，成材率高。过去配尺通过操作者目测，人工配尺，造成目测不准，配尺不合理等问题。采用该系统后，由于测量准确，计算机控制最优配尺，因而配尺合理，成材率可大大提高。
(3)生产效率高，劳动强度低。过去操作者精力必须高度集中，才能完成测长和配尺这一工序。采用该系统后，操作者只需根据测量系统的提示做些简单的操作，因而生产节奏加快，劳动强度降低。
4 系统存在的问题和解决的方法
(1)现场安装困难。光电开关必须安装在剪口附近的轨道旁，这里环境最恶劣，必须采用坚硬的保护措施。
(2)高温对信号、电源线路的破坏。由于光电开关安装在高温的轨道旁，信号和电源传输的导线因高温老化快，甚至被烫坏，即使用钢管套也不能满足要求，必须采用特殊的保护措施。
(3)远线传输中干扰信号造成信号失真。由于现场的各种电磁干扰，直接传送信号极易失真，必须对信号进行适当的调理后再用屏蔽导线将信号远传至工作室。
5 运行情况
目前，该系统已在马钢初轧现场投入使用，系统运行稳定可靠，光电开关的灵敏度高，故障率低。与其它相关装置配合使用，已实现了自动测长和实时配尺[3]。
参考文献
1 武汉大学电子线路教材编写组.电子线路(下册).北京：高等教育出版社，1995.
2 蔡文贵，李永远，许振华.CCD技术及应用.北京：电子工业出版社，1992.
3 邵德奇.线阵CCD技术及其在几何尺寸测量中的应用.马钢科技，1998，(1)：34～37.
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在马钢初轧厂钢坯轧制生产线上，在热轧钢坯长度在线检测中，成功应用了红外主动式光电开关。在此，光电开关主要起两个作用：(1)作为测量钢坯长度时的触发信号，控制计算机通过线阵CCD摄像机对钢坯尾部进行采样；(2)用来减小测量视场，提高测量精度。
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1 测量原理
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在热轧钢坯的生产线上，轧制后的钢坯在辊道上非匀速地向前传送。设钢坯的长度分布在L1和L2之间，其最大差值ΔL=L2－L1，因而摄像机的测量范围必须大于或等于ΔL。利用图1所示的测量方法，在被测钢坯的头部触发光电开关k时，只要能够精确地测出钢坯尾部的长度(尾长)x，就可以得到热轧钢坯的长度。
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在图1中，光电开关安装在辊道的两旁，钢坯在辊道上向前运动，当钢坯的头部挡住光电开关发送的信号时，就产生外部中断请求信号，计算机响应后，通过线阵CCD摄像机对钢坯尾部进行数据采集，进而测量和计算出钢坯的尾部长度x。则，钢坯的长度L可由下式求出：
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L=L1＋x（1）
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可见，测量精度主要由尾长x决定，因而精确测量尾长x是技术的关键。
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2 测量装置及测量方法
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根据上述原理，结合马钢初轧厂热轧现场的实际情况，我们采用图2所示的测量方法来测量1000℃左右热轧钢坯的长度。
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在实际测量中，往往被测钢坯长度的变化范围很大，像马钢初轧厂的最大变化范围ΔL=14m，因而要求摄像机成像透镜的视场很大。对于大视场透镜的像差校正较为困难，而且也会影响线阵CCD摄像机的测量精度。为此，我们采用图2的测量结构，利用两组光电开关k1和k2来减小测量视场。设k1和k2之间的距离为L0，那么钢坯的尾长x一定在0到ΔL－L0之间。所以，线阵CCD摄像机只需在较小的视场ΔL－L0内测出钢坯的尾长x，利用(1)式即可求得钢坯的长度。钢坯长度的测量过程是这样的：被测钢坯在辊道上向前运动时，当钢坯的头部挡住光电开关k1发射的信号时，计算机即通过线阵CCD摄像机对热轧钢坯进行采样，计算出其尾长x。如果x<ΔL－L0时，则被测钢坯的长度为L=L1＋x。如果测得的尾长x=ΔL－L0，即线阵CCD摄像机的每个感光象素均被感光，热轧钢坯满视场，此时有可能钢坯的尾部还未进入测量视场之内，故本次测出尾长的数据无效，需通过第2个光电开关k2辅助测量。当钢坯继续向前运动又挡住光电开关k2时，计算机又通过线阵CCD摄像机对钢坯进行采样，再次计算出尾长x。此时钢坯的尾部一定落在测量视场中，因而钢坯的长度应为L=L1＋L0＋x。设光电开关未被钢坯挡住时，计算机对相应端口的读数为1，则实现上述思想的流程如图3所示。
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图3中，k1和k2分别代表光电开关k1和k2的输出值。
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由于在马钢初轧现场存在多种杂散光，所以，为了有效地避免其干扰，我们选用k1和k2均为主动常开式红外光电开关。当光电开关的发射信号被挡住时，其输出为0，为了避免灰尘或其它杂物挡住光电开关的发射信号而引起误触发，我们在安置光电开关位置的竖直线上，安装两对相邻很近的光电开关，如图4所示。
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为了更有效地防止误触发光电开关，我们将k1和k2均按图4那样安装两对在竖直方向相邻很近的光电开关，并且规定：只有当两对光电开关均被截面为130mm×130mm的方坯挡住，即k11=k12=0时，才认为是有效触发信号。实现上述思想的硬件接口电路由延迟比较器、跟随器和一系列逻辑电路组成，以避免光电开关输出信号在比较电平附近，由于零点漂移和干扰的存在，输出电压将不断地由一种状态转换成另一种状态，造成检测结果的不稳定。光电开关的两路输出信号k11和k12分别作为接口电路的输入信号，经接口电路处理后的输出作为计算机的中断请求信号。接口电路的输入、输出特性如表1所示。
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3 系统特点
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与过去的测量方法相比，该系统具有如下特点：
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(1)测量准确，随机误差小。过去测量采用目测，即将钢坯同设在轨道上的标尺目测比较。测量精度主要取决于操作者的熟练水平和判断能力。采用该测量系统后，实现测量的自动化，测量精度可达0.2％以上。
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(2)配尺合理，成材率高。过去配尺通过操作者目测，人工配尺，造成目测不准，配尺不合理等问题。采用该系统后，由于测量准确，计算机控制最优配尺，因而配尺合理，成材率可大大提高。
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(3)生产效率高，劳动强度低。过去操作者精力必须高度集中，才能完成测长和配尺这一工序。采用该系统后，操作者只需根据测量系统的提示做些简单的操作，因而生产节奏加快，劳动强度降低。
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4 系统存在的问题和解决的方法
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5 运行情况
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目前，该系统已在马钢初轧现场投入使用，系统运行稳定可靠，光电开关的灵敏度高，故障率低。与其它相关装置配合使用，已实现了自动测长和实时配尺[3]。
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1 武汉大学电子线路教材编写组.电子线路(下册).北京：高等教育出版社，1995.
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2 蔡文贵，李永远，许振华.CCD技术及应用.北京：电子工业出版社，1992.
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3 邵德奇.线阵CCD技术及其在几何尺寸测量中的应用.马钢科技，1998，(1)：34～37.
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