一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊

1.本发明涉及冶金装备自动化技术领域，尤其涉及一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊。


背景技术：

2.冷轧带材板形检测始终是行业的共性难题，在生产过程中，受温度、包角的影响非常大，这在很大程度上影响板形检测精度，从而影响冷轧带材的板形控制效果。为了解决上述因素对板形检测带来的误差信号，有必要根据板形检测的物理机制和工况特点，设计一种高可靠性、高精度的板形检测装置，经常称之为板形检测辊(板形辊)或板形仪。
3.传统的板形检测主要分为接触式和非接触式两种类型，其中接触式板形检测辊以其精度高、稳定性好的特点，在生产中广泛应用。通常情况下，接触式板形检测辊多数采用压磁式、压电式传感器作为敏感元件。相对而言，压磁式板形检测辊内部结构复杂，容易受现场磁场、振动影响，且需要稳定供电；而压电式板形检测辊以其高精度、结构简单且无须单独供电的优点成为当前主流的检测方式。截止目前，压电式传感都是采用的压电晶体(陶瓷)作为敏感元件，受敏感元件结构特点的影响，压电晶体(陶瓷)多数为平面薄片，这使得压电式板形检测辊在工作过程中，一方面会受到包角变化的影响，一方面对板形辊内部元器件的安装精度要求极高，并且长期使用会因为预应力变化影响板形检测精度，需要定期标定或维护。
4.除此以外，无论哪种结构的板形辊，都会受到在线带材瞬态温度变化引起板形辊内部敏感元件的预应力变化，从而导致标定数据随之发生变化，导致板形检测结果不符合实际情况。板形辊在工作时，在线温度波动不可避免，并且没有很好的温度检测手段，无法实施有效的在线补偿，因此这种固有顽疾始终影响板形检测辊的工业应用效果，亟待改进或彻底解决。显然，为了使板形辊更好地服务于工程实际，既需要设计新型的板形检测结构，减少这种因温度波动带来的预应力变化，又需要对这种在线温度变化进行实时检测，以获得高精度的同步在线补偿参数。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，既利用压电薄膜的高柔性、高敏感动态应力、高耐用性、高线性度压电效应、高响应速度的优异特点，又使其以弧形的方式紧密贴近辊体表面，快速感应辊体不同位置的压力变化；同时，在压电薄膜上下分别包裹高强度的隔热陶瓷片，起到隔热和均布应力的双重作用。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本发明所提出的一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，包括辊身、弹性骨架、弧形压电薄膜组合件、热电偶、传动侧轴头、传动侧堵头、操作侧内孔挡板、操作侧挡片和操作侧轴头；所述辊身的轴心线外侧圆周均布有若干轴向内孔；所述弹性骨架
对应设置在内孔中；所述弧形压电薄膜组合件分别对应安装在弹性骨架的上端，且与辊身内孔弧度贴合；所述热电偶固定在弹性骨架的一侧，且其尖端与内孔表面紧密接触；所述传动侧轴头和操作侧轴头分别同轴焊接固定在辊身的左右两端；所述热电偶的导线由操作侧轴头中心通孔引出；所述操作侧内孔挡板内嵌并焊接在辊体操作侧的一端；所述传动侧堵头内嵌焊接在辊体各内孔位于传动侧的一端；所述操作侧挡片内嵌焊接在辊体各内孔位于操作侧的一端。
8.进一步的，所述弧形压电薄膜组合件包括耐高温屏蔽导线、弧形隔热陶瓷片、弧形绝缘层和弧形压电薄膜；所述弧形绝缘层对应固连在弧形压电薄膜的上下两侧；所述耐高温屏蔽导线连接在弧形压电薄膜的一侧；所述弧形隔热陶瓷片分别对应固定在弧形绝缘层上下两侧；所述弧形绝缘层上侧的弧形隔热陶瓷片与内孔的孔壁对应贴合；所述弧形绝缘层下侧的弧形隔热陶瓷片对应粘贴固定在弹性骨架的上端。
9.进一步的，所述弹性骨架内部通过螺钉安装有楔形块，利用楔形块和螺钉能够对弧形压电薄膜组合件施加不同程度的预应力，保证各弧形压电薄膜处于最佳工作区间并保持一致。
10.进一步的，所述弹性骨架的底部侧边均焊接固定有间隔环，用于保证相邻弹性骨架或弧形压电薄膜组合件不发生接触，避免相邻信号干扰。
11.进一步的，所述内孔中均灌满有隔热绝缘胶，用于固定导线同时起到绝热、隔热和保温的作用。
12.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
13.本发明采用高柔性的弧形压电薄膜作为敏感元件，替代传统的平面压电晶体(或陶瓷)，提高敏感元件的受力条件、响应速度、化学稳定性、高耐冲击耐疲劳性和高电容性，平坦响应较宽，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；在此基础上，利用耐高温绝缘陶瓷作为弧形敏感元件的保护壳体，既提高整体刚度使敏感元件均匀受载，又起到绝热或隔热的效果；安装并调整好所有敏感元件后，在所有内孔灌满绝缘耐高温胶，起到隔热、保温和固定敏感元件及其导线的作用。通过以上手段，可以最大限度提高敏感元件的板形检测条件，并且还可以利用内置的热电偶实施检测各个敏感元件附件的瞬态温度，从而可以精细补偿温度变化带来的信号偏差，避免包角、温度变化带来的板形误差信号，因此可以更真实地反映实际的在线板形状态。
附图说明
14.图1为本发明高隔热高性能板形检测辊的横截面结构示意图；
15.图2为本发明高隔热高性能板形检测辊的纵截面结构示意图；
16.图3为本发明高隔热高性能板形检测辊的操作侧端部的横截面结构示意图；
17.图4为本发明在板形检测辊内孔内的弹性骨架序列示意图；
18.图5为本发明内嵌弧形压电薄膜组合件的弹性骨架结构示意图；
19.图6为本发明弧形压电薄膜组合件的结构示意图。
20.其中，附图标记：1-耐高温屏蔽导线；2-弧形隔热陶瓷片；3-弧形绝缘层；4-弧形压电薄膜；5-热电偶；6-板形检测辊辊身；7-弹性骨架；8-楔形块；9-紧固螺钉；10-间隔环；11-隔热绝缘胶；12-传动侧轴头；13-传动侧堵头；14-内孔挡板；15-操作侧挡片；16-操作侧轴
头。
具体实施方式
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
23.参见附图1至6，给出了本发明所提出的一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊一个实施例的具体结构。所述检测辊包括热电偶5、辊身6、弹性骨架7、弧形压电薄膜组合件、传动侧轴头12、传动侧堵头13、操作侧内孔挡板14、操作侧挡片15和操作侧轴头16；所述辊身6内部位于轴心线外侧的区域圆周均布有若干轴向内孔17；所述弹性骨架7分别径向安装在其中的1-4个内孔17中，每个内孔17中均布若干个弹性骨架7，且弹性骨架7的下部钻通孔，在安装过程中，用于相邻弹性骨架7的准确定位，确保所有弹性骨架7对正对齐；本实施例中，所述弹性骨架7分别对应安装在上下两个对称的内孔17中；所述弧形压电薄膜组合件分别对应安装在弹性骨架7的外端，且与辊身内孔17的弧度贴合；所述热电偶5分别固定在弹性骨架7的一侧，且其尖端与内孔17的表面紧密接触，工作时实时检测弧形压电薄膜组合件附近的温度变化；所述传动侧轴头12和操作侧轴头16分别同轴焊接固定在辊身6的左右两端；所述操作侧内孔挡板14内嵌并焊接在辊体6位于操作侧一端的内部；所述传动侧堵头13固定安装在各内孔17位于传动侧的一端；所述操作侧挡片15固定安装的各内孔17位于操作侧的一端。
24.其中，所述弧形压电薄膜组合件包括耐高温屏蔽导线1、弧形隔热陶瓷片2、弧形绝缘层3和弧形压电薄膜4；所述弧形绝缘层3对应固连在弧形压电薄膜4的上下两侧；所述耐高温屏蔽导线1连接在弧形压电薄膜4的一侧；所述弧形隔热陶瓷片2分别对应固定在弧形绝缘层3的上下两侧；所述弧形绝缘层3上侧的弧形隔热陶瓷片2与内孔17的孔壁对应贴合；所述弧形绝缘层3下侧的弧形隔热陶瓷片2对应粘贴固定在弹性骨架7的上端。所述弧形压电薄膜4具有高柔性、高灵敏度、高频响、高强度的特点，在上下表面分别覆盖高导电率金属或石墨烯后，最后用弧形隔热陶瓷片2进行形状固定，形成弧形压电薄膜组合件，所述隔热陶瓷片2将绝缘层和压电薄膜固定成与内孔17一致的弧度，有利于利用陶瓷的高刚度获得良好的均载受力条件，从而减小带钢对板形检测辊的包角变化对板形检测信号的影响，耐高温屏蔽导线1实时导出弧形压电薄膜4产生的电荷。
25.本实施例中，所述弹性骨架7的内部通过螺钉9安装有楔形块8，利用楔形块8和螺钉9能够对弧形压电薄膜组合件施加不同程度的预应力，保证各弧形压电薄膜4处于最佳工作区间并保持一致。
26.所述弹性骨架7的底部侧边均焊接固定有间隔环10，将装配好的弹性骨架7依次固定于板形检测的内孔17内，利用间隔环获得5～20mm范围内的间隙，在安装过程中，用于保
证相邻弹性骨架或弧形压电薄膜组合件不发生接触，避免相邻信号干扰。
27.所有零部件安装完毕且调试好后，固定并焊接传动侧轴头12、传动侧堵头13、操作侧内孔挡板14、操作侧挡片15和操作侧轴头16，形成一体化板形检测辊结构，其中所有敏感元件及热电偶5的导线均穿过操作侧轴头16中心通孔引出，固定在接插件或采集卡上。本实施例中，所述内孔17中均灌满有隔热绝缘胶11，一方面用于固定弹性骨架7及敏感元件、热电偶5的导线，另一方面用于板形检测辊的隔热和保温，保证稳定的工作温度。
28.在敏感元件的新材料方面，压电薄膜与传统的压电材料相比，具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的敏感元件，化学稳定性比陶瓷高10倍，在80℃以下可长期使用，比石英、陶瓷等具有压电常数大，频响宽，机械强度好，耐冲击，质轻，柔韧，声阻抗易匹配，易加工成大面积，不易受水和一般化学品的污染、价格便宜等特点。另外，在隔热效果上，利用隔热绝缘胶11进行检测辊的在线隔热和保温，尽量使板形辊始终处于稳定的温度工作区间，最大限度减少因温度带来的预应力变化。以上新材料的应用，结合重新设计的板形辊结构，可以大幅改善温度、包角对板形检测信号的影响。
29.本发明利用弧形的耐高温绝缘陶瓷，形成弧形的压电薄膜敏感元件，使其更好地满足均载受力条件，同时避免温度的快速传递给敏感元件带来的温度偏差；其次，在弹性骨架7上固定热电偶5，热电偶5的尖端紧密接触板形辊内孔17表面，实施检测温度变化，方便进行温度误差补偿；安装完毕后，在所有内孔17内灌注隔热绝缘胶11，使压扁薄膜敏感元件始终处于最佳的温度工作区间，同时固定各导线和热电偶5。
30.本发明的工作原理在于：在轧制过程中，带钢覆盖检测辊表面，带钢张力转为检测辊的径向压力，当沿横向的带钢单位张力或张应力不一致时，给检测辊施加的径向压力也各不相同，从而可以实时检测带钢的单位张力分布情况。由于在轧制过程中，带钢摩擦热和变形热导致其温度远高于室温，当其长时间覆盖检测辊时，会传递热量给检测辊而导致辊温升高，尤其是当不同道次带钢温度变化明显时，辊面温度也会随时快速升高，而检测辊内部温度却来不及升温，这会导致辊面附近的弹性体预应力发生变化，进而引起板形信号出现偏差，与原有室温标定值不一致，最终影响带钢的单位张力检测精度。此外，检测辊在旋转过程中，如果传感器不均匀受力，也将会影响检测精度。考虑以上原因，本发明一方面在辊体内部设计隔热陶瓷进行隔热处理，同时在辊体各内孔中灌注隔热绝缘胶，既起到隔热绝缘的作用，同时又起到保温恒温的作用，减少内外热应力的快速变化引起的检测偏差；另外一方面，采用弧形陶瓷和弧形压电薄膜，既利用弧形陶瓷提高整体的受力均匀性，又充分利用压电薄膜的优异特性，这是传统压磁传感器或压电晶体无法比拟的。因此，本发明的优势在于辊体的内部绝缘隔热和弧形压电薄膜的优异特性，能够在极大程度上提升板形检测辊的受力条件和检测精度。
31.本发明未详尽事宜皆为公知技术。
32.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，其特征在于：所述检测辊包括辊身、弹性骨架、弧形压电薄膜组合件、热电偶、传动侧轴头、传动侧堵头、操作侧内孔挡板、操作侧挡片和操作侧轴头；所述辊身的轴心线外侧圆周均布有若干轴向内孔；所述弹性骨架对应设置在内孔中；所述弧形压电薄膜组合件分别对应安装在弹性骨架的上端，且与辊身内孔弧度贴合；所述热电偶固定在弹性骨架的一侧，且其尖端与内孔表面紧密接触；所述传动侧轴头和操作侧轴头分别同轴焊接固定在辊身的左右两端；所述热电偶的导线由操作侧轴头中心通孔引出；所述操作侧内孔挡板内嵌并焊接在辊体操作侧的一端；所述传动侧堵头内嵌焊接在辊体各内孔位于传动侧的一端；所述操作侧挡片内嵌焊接在辊体各内孔位于操作侧的一端。2.根据权利要求1所述的一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，其特征在于：所述弧形压电薄膜组合件包括耐高温屏蔽导线、弧形隔热陶瓷片、弧形绝缘层和弧形压电薄膜；所述弧形绝缘层对应固连在弧形压电薄膜的上下两侧；所述耐高温屏蔽导线连接在弧形压电薄膜的一侧；所述弧形隔热陶瓷片分别对应固定在弧形绝缘层上下两侧；所述弧形绝缘层上侧的弧形隔热陶瓷片与内孔的孔壁对应贴合；所述弧形绝缘层下侧的弧形隔热陶瓷片对应粘贴固定在弹性骨架的上端。3.根据权利要求2所述的一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，其特征在于：所述弹性骨架内部通过螺钉安装有楔形块，利用楔形块和螺钉能够对弧形压电薄膜组合件施加不同程度的预应力，保证各弧形压电薄膜处于最佳工作区间并保持一致。4.根据权利要求2所述的一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，其特征在于：所述弹性骨架的底部侧边均焊接固定有间隔环，用于保证相邻弹性骨架或弧形压电薄膜组合件不发生接触，避免相邻信号干扰。5.根据权利要求1所述的一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，其特征在于：所述内孔中均灌满有隔热绝缘胶，用于固定导线同时起到绝热、隔热和保温的作用。

技术总结
本发明涉及一种内固定弧形压电薄膜的高隔热高性能板形检测辊，包括辊身、弹性骨架、弧形压电薄膜组合件、热电偶、传动侧轴头、传动侧堵头、操作侧内孔挡板、操作侧挡片和操作侧轴头；利用弧形陶瓷将高柔性的压电薄膜固定为一定弧度的敏感元件，使其更好地与板形检测辊的内孔弧度趋于一致，利用高刚度弧形陶瓷获得均匀的受力条件；其次，在弹性件上固定热电偶，实时检测弧形压电薄膜附近的温度变化，便于获得同步温度误差补偿，提高板形信号检测精度；本发明可有效改善板形检测辊内部检测元器件的受力状态和信号精度，最大限度减少温度、包角、振动对板形检测信号的影响，促使板形检测信号更真实地反映实际的带材板形状态。更真实地反映实际的带材板形状态。更真实地反映实际的带材板形状态。


技术研发人员：杨利坡
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/7/19