光反射式輥型檢測方法的研究與實現*

郭 媛,魏連鎖,孫 明

(齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

光反射式輥型檢測方法的研究與實現*

郭 媛,魏連鎖,孫 明

(齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

根據輥型檢測過程的特點及精度要求，提出了用反射式光纖傳感器對輥型進行非接觸式光電檢測的方法。通過對軋輥表面反射光位置變化的精確測量，將軋輥半徑的微小變化放大，并轉化為與之有一定放大倍數關系的直線位移量，可實現輥型的高精度非接觸式檢測。根據檢測原理對系統進行了軟件仿真，結果表明，該方法可及時獲得檢測系統輥型的輸出信號，并將檢測數據以曲線形式自動描繪出輥型曲線。這是一種放大倍數高、成本低、易實現的高精度非接觸式輥型檢測方法。

輥型；光反射；檢測；仿真

1 引言

軋輥是軋鋼廠的重要軋制工具，長時間工作后，表面受到不同程度的磨損，使其形狀也就是輥型發生變化，從而導致所軋制的鋼材的板形和板厚產生誤差，直接影響軋制產品質量。因此，及時、準確地檢測出輥型的改變是目前軋制生產的迫切要求，具有重要的意義[1,2]。為解決這一問題，先前的研究者們試用了著色探傷、磁粉探傷、電渦流檢測、超聲波檢測等輥型檢測手段，并取得了一些研究成果[3～6]。但是，由于軋輥工作環境較復雜，電磁干擾較大，以上各種方法均存在不同程度的局限性[7,8]。本文提出一種以反射式光纖位移傳感器實現輥型的非接觸檢測方法，此方法可使檢測系統結構簡單緊湊、靈敏度及檢測精度高、穩定可靠、抗電磁干擾性好，并具有易與計算機連接，可實現智能化檢測及輥型曲線自動繪制等優點。

2 檢測原理

當一束光傾斜照射軋輥表面時，軋輥的表面會發生光反射現象。如果使入射光線和軋輥反射面形成一定的夾角，那么反射光線的方向由這個夾角決定。在保證入射光位置和方向不變的情況下，反射光線在CCD(Charge-Coupled Device)上位置的變化就可以直接反映軋輥半徑的變化，即軋輥的輥型，基本檢測原理如圖1所示。

Figure 1 Measurement principle of the detecting system for roller shape圖1 輥型檢測工作原理

利用這一原理，通過探測反射光線在CCD上的位移變化值Δh，就可以計算出軋輥半徑變化值Δr，從而得到軋輥輥型曲線。

根據軋輥半徑變化與CCD成像位移變化的數學關系(具體原理由公式(6)和公式(7)表述)，可知反射光線在CCD上的位移變化率要大于軋輥半徑的變化。因此，光反射式輥型檢測法可將微小的輥型變化轉化為較大的直線位移來檢測，是一種高精度、高分辨率的檢測方法，具有抗電磁干擾、設計靈活、性能穩定等特點，為輥型的檢測提供了一種新的手段。

3 檢測算法分析及系統整體設計

圖2為檢測系統橫截面示意圖。光源發射的光以入射角α照射到軋輥表面，軋輥表面反射的光線用CCD陣列記錄其位置，軋輥半徑為r，入射光線距軋輥中心軸線垂直橫切面的距離設為S，入射光線和反射光線在CCD上的距離記為h，檢測平面(CCD陣列所在平面)與中心軋輥軸線之間的距離為L。

通過求得CCD陣列上的偏移距離h就可以求得軋輥各位置的實際半徑。當檢測系統沿軸向掃描整個軋輥時，在CCD陣列上記錄的一系列反射光線與入射光線偏移位置h將組成一條曲線。分析這條曲線，就可以獲取軋輥表面各點半徑構成的曲線，即得到輥型曲線。檢測平面與軋輥軸線間的距離L可由公式(1)求得:

(1)

其中2α為反射光線與入射光纖間的夾角。根據三角公式有:

(2)

由圖2可知：

(3)

Figure 2 Analysis of the reflective detecting method for roller shape圖2 反射式輥型檢測方法分析

則可求得：

(4)

代入式(1)，可得：

(5)

從而可以求出軋輥表面反射光線與入射光線偏移位置h和軋輥半徑r的關系為：

(6)

由于軋輥表面受到磨損，軋輥不同位置的半徑會發生變化。保持光纖傳感器與軋輥中心軸線之間的距離不變，軋輥半徑r的不同會引起反射光線位置變化，求出其在CCD陣列上的偏移距離h，就可以得到軋輥輥型狀況。

為進一步分析光反射式輥型檢測方法的規律，取CCD陣列上的偏移距離h對L求導數，可得式(7)：

(7)

Figure 3 Detecting location of the reflective system for roller shape圖3 光反射法檢測位置分析

檢測系統基本結構如圖4所示。在軋輥附近選定檢測位置后，安裝三個光學檢測系統。其中軋輥兩端的固定不動，用來檢測軋輥的振動狀況，以減小檢測產生的誤差。中間的可移動光學系統由步進電機以及機械傳動系統驅動。光學系統臺架上安裝螺母與絲杠配合，由步進電機通過減速機構驅動絲杠轉動，驅動光學系統在導軌上沿軋輥軸向移動。根據系統檢測精度需要，以步距5 mm對軋輥進行軸向數據采集，經上位機數據處理后繪制出輥型曲線。

Figure 4 Composing diagram of the detecting system圖4 檢測系統組成示意圖

4 系統實驗及軟件仿真

針對光反射式輥型檢測系統的工作原理，用VB 6.0編寫了該系統的軟件仿真程序。軟件具有與反射式輥型檢測系統的通信接口。通過軟件中的操作控制按鈕可以方便地控制檢測系統的開始、停止、暫停、返回前一組數據、檢測下一組數據等操作，并可以隨時對檢測探頭上各個檢測器件的位置角度進行手動或自動的調整。

實時檢測監控軟件的流程圖如圖5所示。仿真軟件的實時檢測監控過程和結果數據分別在圖6和圖7所示。

Figure 5 Flow chart of real-time-control圖5 實時檢測監控軟件流程圖

Figure 6 Working state of analyze-control software圖6 檢測監控軟件運行狀態

Figure 7 Simulation-software output of optical fiber detective system for roller shape圖7 輥型光反射檢測系統檢測結果

輥型檢測結束后，檢測結果分別以數據和曲線兩種形式顯示在軟件的主界面上，可以得到輥型檢測的完整數據，并可以將檢測獲得的數據保存到數據庫中，方便以后的分析研究和使用。通過實驗數據可知，光反射式輥型非接觸檢測法原理正確、性能穩定、檢測精度高，能達到檢測要求，是一種可靠的輥型檢測新方法。

5 結束語

本文提出了一種利用光反射原理進行輥型檢測的光電測量方法，對其基本原理進行了分析，進行了系統實驗并設計了軟件仿真程序，可實現對輥型的實時非接觸光電檢測與數據的監控分析。實驗結果表明，該系統檢測分辨率高，精確度可達到檢測要求，具有實現簡單、放大倍數高、實時輸出顯示及性能穩定可靠等優點。在成本較低的情況下，是一種有效的非接觸式輥型光電檢測方法。

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GUOYuan,born in 1974,PhD,associate professor,CCF member(E200025539M),her research interests include photoelectric detection and the technology of sensor, and computer control.

魏連鎖(1975-),男,黑龍江訥河人，碩士，講師，CCF會員(E200018851M)，研究方向為人工智能與模式識別。E-mail:jkxy173@126.com

WEILian-suo,born in 1975,MS,lecturer,CCF member(E200018851M)，his research interests include artificial intelligence, and pattern recognition.

孫明(1979-),男,山東海陽人，博士，講師，研究方向為混沌神經網絡及優化。E-mail:snogisunming@yahoo.com.cn

SUNMing,born in 1979,PhD,lecturer,his research interest includes chaotic neural networks and optimization.

Studyandrealizationoftherollershapedetectionmethodbasedonreflectiveopticalfibersensor

GUO Yuan,WEI Lian-suo,SUN Ming

(College of Computer and Control Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)

According to the requirements of the feature and the measurement accuracy in roller shape detection process, a roller shape detection method is proposed, which uses reflective optical fiber sensor to do non-touch photo electricity detection for roller shape. By detecting the changes of the reflective ray position on roller’s surface accurately, the tiny changes of the radius of the roller can be magnified and converted to some beeline displacement. And by measuring the beeline displacement, which is proportion to the radius of the roller, the roller shape can be measured in a non-touch distance detection method precisely. A simulation-software program is compiled with Microsoft Visual Basic 6.0 based on this principle. By using this simulation-software, the date of output signals of this system can be gained in time. And the curve of detection signals of the roller shape can be drawn automatically by this software. Our proposal is a non-touch high precision detection method for roller shape, providing high magnification, low cost and easy realization.

roller shape;light reflection;detection;simulation

2012-05-03;

：2012-12-10

國家自然科學基金資助項目(61100103)；黑龍江省自然科學基金資助項目(F201219)；黑龍江省教育廳科研面上資助項目(12521600 )；齊齊哈爾大學青年重點基金資助項目(2011K-02)

1007-130X(2014)02-0372-04

TP399

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.029

郭媛(1974-),女,黑龍江齊齊哈爾人，博士，副教授，CCF會員(E200025539M)，研究方向為光電檢測與傳感器技術及計算機控制。E-mail:guoyuan171@126.com

通信地址： 161006 黑龍江省齊齊哈爾市齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院Address:College of Computer and Control Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,Heilongjiang,P.R.China