在馬鋼初軋廠鋼坯軋制生產(chǎn)線上，在熱軋鋼坯長(zhǎng)度在線檢測(cè)中，成功應(yīng)用了紅外主動(dòng)式光電開(kāi)關(guān)。在此，光電開(kāi)關(guān)主要起兩個(gè)作用：(1)作為測(cè)量鋼坯長(zhǎng)度時(shí)的觸發(fā)信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)線陣CCD攝像機(jī)對(duì)鋼坯尾部進(jìn)行采樣；(2)用來(lái)減小測(cè)量視場(chǎng)，提高測(cè)量精度。

      1、測(cè)量原理

      在熱軋鋼坯的生產(chǎn)線上，軋制后的鋼坯在輥道上非勻速地向前傳送。設(shè)鋼坯的長(zhǎng)度分布在L1和L2之間，其最大差值ΔL=L2－L1，因而攝像機(jī)的測(cè)量范圍必須大于或等于ΔL。利用圖1所示的測(cè)量方法，在被測(cè)鋼坯的頭部觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)k時(shí)，只要能夠精確地測(cè)出鋼坯尾部的長(zhǎng)度(尾長(zhǎng))x，就可以得到熱軋鋼坯的長(zhǎng)度。

圖1 鋼坯長(zhǎng)度測(cè)量原理示意圖
  S－光電開(kāi)頭發(fā)送端；R－光電開(kāi)頭接收端；L1－熱軋鋼坯的最小長(zhǎng)度

      在圖1中，光電開(kāi)關(guān)安裝在輥道的兩旁，鋼坯在輥道上向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鋼坯的頭部擋住光電開(kāi)關(guān)發(fā)送的信號(hào)時(shí)，就產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求信號(hào)，計(jì)算機(jī)響應(yīng)后，通過(guò)線陣CCD攝像機(jī)對(duì)鋼坯尾部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而測(cè)量和計(jì)算出鋼坯的尾部長(zhǎng)度x。則，鋼坯的長(zhǎng)度L可由下式求出：

      L=L1＋x        （1）

      可見(jiàn)，測(cè)量精度主要由尾長(zhǎng)x決定，因而精確測(cè)量尾長(zhǎng)x是技術(shù)的關(guān)鍵。

      2、測(cè)量裝置及測(cè)量方法

      根據(jù)上述原理，結(jié)合馬鋼初軋廠熱軋現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，我們采用圖2所示的測(cè)量方法來(lái)測(cè)量1000℃左右熱軋鋼坯的長(zhǎng)度。

圖2 鋼坯長(zhǎng)度測(cè)量裝置示意圖

      在實(shí)際測(cè)量中，往往被測(cè)鋼坯長(zhǎng)度的變化范圍很大，像馬鋼初軋廠的最大變化范圍ΔL=14m，因而要求攝像機(jī)成像透鏡的視場(chǎng)很大。對(duì)于大視場(chǎng)透鏡的像差校正較為困難，而且也會(huì)影響線陣CCD攝像機(jī)的測(cè)量精度。為此，我們采用圖2的測(cè)量結(jié)構(gòu)，利用兩組光電開(kāi)關(guān)k1和k2來(lái)減小測(cè)量視場(chǎng)。設(shè)k1和k2之間的距離為L(zhǎng)0，那么鋼坯的尾長(zhǎng)x一定在0到ΔL－L0之間。所以，線陣CCD攝像機(jī)只需在較小的視場(chǎng)ΔL－L0內(nèi)測(cè)出鋼坯的尾長(zhǎng)x，利用(1)式即可求得鋼坯的長(zhǎng)度。鋼坯長(zhǎng)度的測(cè)量過(guò)程是這樣的：被測(cè)鋼坯在輥道上向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)鋼坯的頭部擋住光電開(kāi)關(guān)k1發(fā)射的信號(hào)時(shí)，計(jì)算機(jī)即通過(guò)線陣CCD攝像機(jī)對(duì)熱軋鋼坯進(jìn)行采樣，計(jì)算出其尾長(zhǎng)x。如果x<ΔL－L0時(shí)，則被測(cè)鋼坯的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=L1＋x。如果測(cè)得的尾長(zhǎng)x=ΔL－L0，即線陣CCD攝像機(jī)的每個(gè)感光象素均被感光，熱軋鋼坯滿視場(chǎng)，此時(shí)有可能鋼坯的尾部還未進(jìn)入測(cè)量視場(chǎng)之內(nèi)，故本次測(cè)出尾長(zhǎng)的數(shù)據(jù)無(wú)效，需通過(guò)第2個(gè)光電開(kāi)關(guān)k2輔助測(cè)量。當(dāng)鋼坯繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)又擋住光電開(kāi)關(guān)k2時(shí)，計(jì)算機(jī)又通過(guò)線陣CCD攝像機(jī)對(duì)鋼坯進(jìn)行采樣，再次計(jì)算出尾長(zhǎng)x。此時(shí)鋼坯的尾部一定落在測(cè)量視場(chǎng)中，因而鋼坯的長(zhǎng)度應(yīng)為L(zhǎng)=L1＋L0＋x。設(shè)光電開(kāi)關(guān)未被鋼坯擋住時(shí)，計(jì)算機(jī)對(duì)相應(yīng)端口的讀數(shù)為1，則實(shí)現(xiàn)上述思想的流程如圖3所示。

圖3 測(cè)量過(guò)過(guò)程流程圖

        圖3中，k1和k2分別代表光電開(kāi)關(guān)k1和k2的輸出值。

      由于在馬鋼初軋現(xiàn)場(chǎng)存在多種雜散光，所以，為了有效地避免其干擾，我們選用k1和k2均為主動(dòng)常開(kāi)式紅外光電開(kāi)關(guān)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射信號(hào)被擋住時(shí)，其輸出為0，為了避免灰塵或其它雜物擋住光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射信號(hào)而引起誤觸發(fā)，我們?cè)诎仓霉怆婇_(kāi)關(guān)位置的豎直線上，安裝兩對(duì)相鄰很近的光電開(kāi)關(guān)，如圖4所示。

圖4 每組光電開(kāi)關(guān)安裝剖面圖
     

      K11與K12為光電開(kāi)關(guān)；K11與K12分別為光電開(kāi)關(guān)K11和K12的輸出值。

      為了更有效地防止誤觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，我們將k1和k2均按圖4那樣安裝兩對(duì)在豎直方向相鄰很近的光電開(kāi)關(guān)，并且規(guī)定：只有當(dāng)兩對(duì)光電開(kāi)關(guān)均被截面為130mm×130mm的方坯擋住，即k11=k12=0時(shí)，才認(rèn)為是有效觸發(fā)信號(hào)。實(shí)現(xiàn)上述思想的硬件接口電路由延遲比較器、跟隨器和一系列邏輯電路組成，以避免光電開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)在比較電平附近，由于零點(diǎn)漂移和干擾的存在，輸出電壓將不斷地由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種狀態(tài)，造成檢測(cè)結(jié)果的不穩(wěn)定。光電開(kāi)關(guān)的兩路輸出信號(hào)k11和k12分別作為接口電路的輸入信號(hào)，經(jīng)接口電路處理后的輸出作為計(jì)算機(jī)的中斷請(qǐng)求信號(hào)。接口電路的輸入、輸出特性如表1所示。

表1 接口電路的輸入輸出特性表

注：和是另一組光電開(kāi)關(guān)與的輸出值。

      可見(jiàn)，其輸入、輸出特性可以滿足設(shè)計(jì)要求，即只有當(dāng)光電開(kāi)關(guān)k11和k12均被擋住時(shí)輸出才為零。此時(shí)，才產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求，計(jì)算機(jī)響應(yīng)后，通過(guò)線陣CCD攝像機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和處理后，測(cè)出熱軋鋼坯的長(zhǎng)度。

      3、系統(tǒng)特點(diǎn)

      與過(guò)去的測(cè)量方法相比，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

      (1) 測(cè)量準(zhǔn)確，隨機(jī)誤差小。過(guò)去測(cè)量采用目測(cè)，即將鋼坯同設(shè)在軌道上的標(biāo)尺目測(cè)比較。測(cè)量精度主要取決于操作者的熟練水平和判斷能力。采用該測(cè)量系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化，測(cè)量精度可達(dá)0.2％以上。

      (2) 配尺合理，成材率高。過(guò)去配尺通過(guò)操作者目測(cè)，人工配尺，造成目測(cè)不準(zhǔn)，配尺不合理等問(wèn)題。采用該系統(tǒng)后，由于測(cè)量準(zhǔn)確，計(jì)算機(jī)控制最優(yōu)配尺，因而配尺合理，成材率可大大提高。

      (3) 生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。過(guò)去操作者精力必須高度集中，才能完成測(cè)長(zhǎng)和配尺這一工序。采用該系統(tǒng)后，操作者只需根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的提示做些簡(jiǎn)單的操作，因而生產(chǎn)節(jié)奏加快，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

      4、系統(tǒng)存在的問(wèn)題和解決的方法

      (1) 現(xiàn)場(chǎng)安裝困難。光電開(kāi)關(guān)必須安裝在剪口附近的軌道旁，這里環(huán)境最?lèi)毫?，必須采用?jiān)硬的保護(hù)措施。

      (2) 高溫對(duì)信號(hào)、電源線路的破壞。由于光電開(kāi)關(guān)安裝在高溫的軌道旁，信號(hào)和電源傳輸?shù)膶?dǎo)線因高溫老化快，甚至被燙壞，即使用鋼管套也不能滿足要求，必須采用特殊的保護(hù)措施。

      (3) 遠(yuǎn)線傳輸中干擾信號(hào)造成信號(hào)失真。由于現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾，直接傳送信號(hào)極易失真，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理后再用屏蔽導(dǎo)線將信號(hào)遠(yuǎn)傳至工作室。

      5、運(yùn)行情況

      目前，該系統(tǒng)已在馬鋼初軋現(xiàn)場(chǎng)投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，光電開(kāi)關(guān)的靈敏度高，故障率低。與其它相關(guān)裝置配合使用，已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)和實(shí)時(shí)配尺[3]。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 武漢大學(xué)電子線路教材編寫(xiě)組.電子線路(下冊(cè)).北京：高等教育出版社，1995.
      [2] 蔡文貴，李永遠(yuǎn)，許振華.CCD技術(shù)及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，1992.
      [3] 邵德奇.線陣CCD技術(shù)及其在幾何尺寸測(cè)量中的應(yīng)用.馬鋼科技，1998，(1)：34～37.