一种弧形压电薄膜板形仪

1.本发明涉及冶金装备自动化技术领域，尤其涉及一种弧形压电薄膜板形仪。


背景技术：

2.带材越薄，板形问题越突出，且肉眼难以观察和评价。截至目前，隐藏的板形缺陷已经成为影响各类极薄带材的共性问题，因此如何准确检测并识别出这类隐性板形缺陷将成为提升带材质量的核心技术研究方向。传统板形检测仪器以接触式为主，精度高、稳定性好、抗干扰能力强。然而，接触式板形检测仪器普遍存在结构复杂、安装困难等问题，易受现场动态因素(如振动、温度、安装误差、包角变化)的影响。考虑以上因素，在设计新型板形检测仪器时，既需要考虑结构刚度、稳定性、易安装、信号漂移小的因素，同时也要考虑局部预应力、瞬态热应力、通道耦合的影响。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种弧形压电薄膜板形仪，能够有效解决检测单元结构刚度、安装精度、瞬态温度变化以及局部预应力带来的信号偏差问题。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.本发明所提出的一种弧形压电薄膜板形仪，包括传动侧轴承座、传动侧轴头、辊筒、检测单元、预应力调节组件、堵头、操作侧轴承座、操作侧轴头、信号放大器、接插件和芯片板卡；所述传动侧轴头和操作侧轴头分别同轴安装在辊筒的两端；所述传动侧轴头外侧与传动侧轴承座连接；所述操作侧轴头外侧与操作侧轴承座连接；所述辊筒的侧壁内部圆周均布有若干轴向通孔；所述操作侧轴头与辊筒连接一侧的圆周边缘设置有与通孔对应的轴向通槽，且轴心处设置有中心通孔；所述检测单元分别均布在辊筒侧壁内部的轴向通孔中，且内端分别通过预应力调节组件与辊筒内壁之间进行固定；所述堵头对应固定在轴向通槽内；所述检测单元输出端经操作侧轴头中心通孔穿出后通过接插件与与信号放大器的输入端连接；所述信号放大器的输出端与芯片板卡连接。
6.进一步的，所述检测单元包括压电薄膜传感器、基座和支撑条；所述基座径向设置在通孔内部并与辊筒侧壁垂直；所述压电薄膜传感器和支撑条分别设置在基座的外侧和内侧，且分别与辊筒壁贴合；所述支撑条中部设置有螺纹孔，所述预应力调节组件通过螺纹孔对基座贴紧。
7.进一步的，所述压电薄膜传感器包括线缆、弧形压电薄膜、弧形绝热陶瓷片、pi绝缘薄膜和高导电率介质电极片；所述高导电率介质电极片分别贴附在弧形压电薄膜的内表面和外表面上；所述pi绝缘薄膜分别覆盖在高导电率介质电极片的外侧；所述弧形绝热陶瓷片对应贴附在位于外侧的pi绝缘薄膜的外表面，并与辊筒壁接触；所述线缆一端与高导电率介质电极片连接，另一端通过接插件与信号放大器连接。
8.进一步的，所述弧形压电薄膜为pvdf压电薄膜。
9.进一步的，所述预应力调节组件包括高强螺栓、弧形垫和弹性垫；所述高强螺栓由
辊筒内壁经支撑条中部螺纹孔向基座底部拧紧，并通过螺帽锁紧；所述弧形垫设置在螺帽与辊筒内壁之间；所述弹性垫设置在弧形垫和辊筒内壁之间。
10.进一步的，所述高强螺栓外端与基座底部之间设置有碟形弹簧。
11.进一步的，位于辊筒侧壁内部同一轴向通孔内的各检测单元的基座之间均设置有间隔片。
12.进一步的，所述信号放大器、接插件和芯片板卡的外侧设置有保护外壳。
13.进一步的，所述辊筒内部以及轴向通孔内部均灌注有绝热绝缘耐高温胶。
14.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
15.1、本发明采用弧形压电薄膜作为检测单元的敏感元件，其具有频响宽、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，比石英、绝热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；
16.2、弧形压电薄膜可以最大限度整体变形，提高信号的工况适应能力，并采用整体加工的支撑条固定检测单元，定位精度高，减少安装误差带来的信号偏差，且便于装配在辊筒内，通过带支撑的蝶形弹性、弹性垫、弧形垫和高强度螺钉调整预应力。在装配前后分别进行时效处理，消除加工预应力，时效后用厌氧密封胶或者焊接固定螺钉，稳定预应力或内部受力状态；
17.3、信号校验准确后，在辊筒内灌注隔热绝缘耐高温胶，有利于固定线缆和绝热绝缘。该高稳定性弧形压电薄膜板形仪将信号放大器和芯片板卡固定在操作侧轴头上，快速将压力电信号转换为数字信号，通过5g或wifi无线的方式传送至工控机或轧机控制系统，进行板形信号的进一步处理、识别和控制。
附图说明
18.图1为本发明的整体结构示意图；
19.图2为本发明板形检测过程示意图；
20.图3为本发明滚筒的横截面结构示意图；
21.图4为本发明操作侧轴头的结构示意图；
22.图5为本发明检测单元和预应力调节组件的结构示意图；
23.图6为本发明检测单元的侧视图；
24.图7为本发明支撑条的结构示意图；
25.图8为本发明压电薄膜传感器的结构示意图。
26.其中，附图标记：1-传动侧轴承座；2-传动侧轴头；3-辊筒；4-基座；5-高强螺栓；6-弧形垫片；7-弹性垫；8-线缆；9-堵头；10-操作侧轴头；11-操作侧轴承座；12-保护外壳；13-接插件；14-信号放大器；15-芯片板卡；16-无线天线；17-带材；18-弧形压电薄膜；19-间隔片；20-蝶形弹簧；21-弧形绝热陶瓷片；22-pi绝缘薄膜；23-高导电率介质电极片；24-支撑条。
具体实施方式
27.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。
28.需要说明的是，在本发明的描述中，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。
29.参见附图1至8，给出了本发明所提出的一种弧形压电薄膜板形仪一个实施例的具体结构。所述板形仪包括传动侧轴承座1、传动侧轴头2、辊筒3、检测单元、预应力调节组件、堵头9、操作侧轴头10、操作侧轴承座11、接插件13信号放大器14和芯片板卡15。
30.其中，所述传动侧轴头2和操作侧轴头10分别同轴安装在辊筒3的左右两端；所述传动侧轴头1外侧与传动侧轴承座转动副连接；所述操作侧轴头10外侧与操作侧轴承座11转动副连接；所述辊筒3的侧壁内部圆周均布有若干轴向通孔，本实施例中，轴向通孔的数量为四个；所述传动侧轴头2和操作侧轴头10与辊筒3连接的一侧圆周边缘均设置有与轴向通孔对应的轴向通槽；且所述操作侧轴头10轴心处设置有中心通孔，与辊筒3的端部之间还设置有圆柱形空腔；所述检测单元分别轴向均布在辊筒3侧壁内部的轴向通孔中，且检测单元的内端分别通过预应力调节组件与辊筒3内壁之间进行固定；所述堵头9分别对应固定在轴向通槽内；所述检测单元的输出端经操作侧轴头10中心通孔穿出后通过接插件13与与信号放大器14的输入端连接；所述信号放大器14的输出端与芯片板卡15连接，信号放大器14和芯片板卡15连接至接插件13上，与辊筒3同步旋转，信号则可通过无线天线16传输至工控机或轧机控制系统上，进行下一步的信号处理、补偿、识别和控制。所述辊筒3内部以及轴向通孔内部均灌注有绝热绝缘耐高温胶，用于固定导线集束，同时用于隔热、防潮、防震、绝缘和保温，提高检测信号的稳定性。
31.所述检测单元包括压电薄膜传感器、基座4和支撑条24；所述基座4径向设置在辊筒3内部的轴向通孔内并与辊筒壁垂直；所述压电薄膜传感器和支撑条24分别设置在基座4的外端和内端，且压电薄膜传感器和支撑条24分别与辊筒壁贴合；所述支撑条24中部设置有螺纹孔，所述预应力调节组件通过该螺纹孔与基座4贴紧。
32.本实施例中，所述压电薄膜传感器包括线缆8、弧形压电薄膜18、弧形绝热陶瓷片21、pi绝缘薄膜22和高导电率介质电极片23；其中，所述弧形压电薄膜18为pvdf压电薄膜；所述高导电率介质电极片23分别对应贴附在弧形压电薄膜18的内表面和外表面上；所述pi绝缘薄膜22分别覆盖在高导电率介质电极片23的外侧；所述弧形绝热陶瓷片21对应贴附在位于外侧的pi绝缘薄膜22的外表面，并与辊筒壁接触；所述线缆8的一端与高导电率介质电极片23连接，另一端穿过操作侧轴头10的中心孔后通过接插件13与信号放大器14的输入端连接。所述弧形压电薄膜18和弧形绝热陶瓷片21贴合为一体，利用蝶形弹簧20和支撑条24固定在辊筒3的轴向通孔内。弧形结构的益处是当辊筒旋转时，如果是平面且敏感元件为压电晶体时，径向压力会发生变化或瞬间偏载情况，这会导致检测单元的预应力发生显著变化，而弧形压电薄膜18和弧形绝热陶瓷片21的这种结构，一方面会因为高强度的弧形绝热陶瓷片21提高整体变形的刚度，另一方面因为高柔性的压电薄膜减弱局部偏载带来的信号误差。另外，采用带支撑蝶形弹簧20和高强螺栓5这种结构，便于依次调整检测单元的信号
初始值或零位，获得各检测单元信号范围的一致性，提高板形仪的检测精度和检测过程的稳定性。
33.在工作过程中，所述弧形绝热陶瓷片21与辊筒3接触，当辊筒3通孔对应位置受力后，弧形绝热陶瓷片21传递径向压力，引起弧形压电薄膜18的变形，从而产生电荷。这种弧形结构可以最大限度满足均匀受力的条件，当辊筒3旋转时，弧形绝热陶瓷片21或弧形压电薄膜18一侧局部受力过渡到全部受力，再到另一侧局部受力时，压电薄膜的受力条件相对平滑，可以减小因包角动态变化引起的信号偏差，从而提高板形仪的检测精度和稳定性。
34.所述预应力调节组件包括高强螺栓5、弧形垫6和弹性垫7；所述高强螺栓5由辊筒3内壁方向经支撑条24中部的螺纹孔后向基座4的底部拧紧，并通过螺帽锁紧；所述弧形垫6设置在螺帽与辊筒3的内壁之间；所述弹性垫7设置在弧形垫6和辊筒3的内壁之间；本实施例中，所述高强螺栓5的外端与基座4底部之间还设置有带支撑碟形弹簧20。所述预应力调节组件对检测单元施加一定的预应力，精准调整每个检测单元，使其处于最佳初始值或信号范围。
35.位于辊筒3侧壁内部同一轴向通孔内的各检测单元的基座4之间均设置有间隔片19，所述支撑条24用于保证各检测单元的间隔距离，并用间隔片19进行定位，定位后将检测单元整体送至辊筒3的轴向通孔内，从而保证各检测单元的精准位置，避免因各检测单元的安装误差带来的信号偏差。
36.所述接插件13、信号放大器14和芯片板卡5的外侧设置有保护外壳12。
37.在安装过程时，利用高强螺栓5、弧形垫片6和弹性垫7，将检测单元固定在辊筒3内，并依次调整好预应力，获得一致的灵敏度和信号范围；装配完毕后，在辊筒3内部灌注绝热绝缘耐高温胶，用于固定线缆8，并将传动侧轴头2、操作侧轴头10和堵头9焊接在辊筒3上，起到密封和提高强度的作用。在工作过程中，板形仪装配在传动侧轴承座1和操作侧轴承座11上，检测单元接收辊筒3表面的径向压力，通过线缆8经操作侧轴头10，利用接插件13连接信号放大器14和芯片板卡15，将电信号转换为数字信号后，经无线天线16以5g或wifi无线信号的方式，传送至工控机或轧机控制系统中。
38.如图2所示，板形检测过程如下，当带材17绕过板形仪或辊筒3时，张力以一定比例转换为径向压力，从而对辊筒3内部的检测单元产生不同程度的电荷信号。板形仪在装配前，必须校对各检测单元的预应力或零点位置，利用高强螺栓5、弧形垫片6和弹性垫7，以位移微调高强螺栓5来预应力或零点位置，根据检测单元的示波器信号大小判断是否调整到位。在辊筒3圆周上通常布置1、2或4个小通孔，以获得更快的检测速度或更平滑稳定的信号值。
39.如图3所示，所述辊筒3加工前后必须做时效处理，短辊筒可以采用线切割的方式加工，长辊体可以采用先对称钻深孔和铣的方式加工。
40.如图4所示，所述操作侧轴头10端面铣通槽，便于检测单元的线缆8集束，通过中心孔连接至接插件13上。
41.本发明未详尽事宜皆为公知技术。
42.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：
1.一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述板形仪包括传动侧轴承座、传动侧轴头、辊筒、检测单元、预应力调节组件、堵头、操作侧轴承座、操作侧轴头、信号放大器、接插件和芯片板卡；所述传动侧轴头和操作侧轴头分别同轴安装在辊筒的两端；所述传动侧轴头外侧与传动侧轴承座连接；所述操作侧轴头外侧与操作侧轴承座连接；所述辊筒的侧壁内部圆周均布有若干轴向通孔；所述操作侧轴头与辊筒连接一侧的圆周边缘设置有与通孔对应的轴向通槽，且轴心处设置有中心通孔；所述检测单元分别均布在辊筒侧壁内部的轴向通孔中，且内端分别通过预应力调节组件与辊筒内壁之间进行固定；所述堵头对应固定在轴向通槽内；所述检测单元输出端经操作侧轴头中心通孔穿出后通过接插件与与信号放大器的输入端连接；所述信号放大器的输出端与芯片板卡连接。2.根据权利要求1所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述检测单元包括压电薄膜传感器、基座和支撑条；所述基座径向设置在通孔内部并与辊筒侧壁垂直；所述压电薄膜传感器和支撑条分别设置在基座的外侧和内侧，且分别与辊筒壁贴合；所述支撑条中部设置有螺纹孔，所述预应力调节组件通过螺纹孔对基座贴紧。3.根据权利要求2所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述压电薄膜传感器包括线缆、弧形压电薄膜、弧形绝热陶瓷片、pi绝缘薄膜和高导电率介质电极片；所述高导电率介质电极片分别贴附在弧形压电薄膜的内表面和外表面上；所述pi绝缘薄膜分别覆盖在高导电率介质电极片的外侧；所述弧形绝热陶瓷片对应贴附在位于外侧的pi绝缘薄膜的外表面，并与辊筒壁接触；所述线缆一端与高导电率介质电极片连接，另一端通过接插件与信号放大器连接。4.根据权利要求3所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述弧形压电薄膜为pvdf压电薄膜。5.根据权利要求3所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述预应力调节组件包括高强螺栓、弧形垫和弹性垫；所述高强螺栓由辊筒内壁经支撑条中部螺纹孔向基座底部拧紧，并通过螺帽锁紧；所述弧形垫设置在螺帽与辊筒内壁之间；所述弹性垫设置在弧形垫和辊筒内壁之间。6.根据权利要求5所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述高强螺栓外端与基座底部之间设置有碟形弹簧。7.根据权利要求2所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：位于辊筒侧壁内部同一轴向通孔内的各检测单元的基座之间均设置有间隔片。8.根据权利要求1所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述信号放大器、接插件和芯片板卡的外侧设置有保护外壳。9.根据权利要求1所述的一种弧形压电薄膜板形仪，其特征在于：所述辊筒内部以及轴向通孔内部均灌注有绝热绝缘耐高温胶。

技术总结
本发明涉及一种弧形压电薄膜板形仪，包括传动侧轴承座、传动侧轴头、辊筒、检测单元、预应力调节组件、堵头、操作侧轴承座、操作侧轴头、信号放大器、接插件和芯片板卡；传动侧轴头和操作侧轴头分别同轴安装在辊筒的两端且分别通过轴承座支撑；辊筒侧壁内部圆周均布若干轴向通孔；操作侧轴头与辊筒连接一侧边缘设置有与通孔对应的轴向通槽，且设置有中心通孔；检测单元分别均布在轴向通孔中，且内端分别通过预应力调节组件与辊筒内壁之间进行固定；堵头对应固定在轴向通槽内；检测单元通过接插件与与信号放大器连接；信号放大器与芯片板卡连接。本发明能够有效解决检测单元结构刚度、安装精度、瞬态温度变化以及局部预应力带来的信号偏差问题。号偏差问题。号偏差问题。


技术研发人员：杨利坡 杨佳轩 单天仁
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/22