天津市兆瑞测控技术有限公司

邢中柱

 

摘要：本文从测径仪用户的视角来解释测径仪的工作原理，并结合天津兆瑞的测径仪产品对关键技术指标做了简洁的解释。

关键词：测径仪，轮廓法，凸图形截面，带肋钢筋参数测量，曝光时间，客制化加固。

 

对轮廓（如对线、棒材的直径）进行非接触式的在线、实时检测是（冶金、塑料）管、棒、线材，线缆制造和机械轴类加工等领域必不可少的技术手段。

线棒材轮廓测量大体分断层法和轮廓法两种。后一种方法目前为国内外广泛采用。

本文将对轮廓法测量的可行性，以线阵CCD为传感器的多测头测径仪性能评估和测径仪合理配置等问题进行评述。

测径仪的核心部件是以线阵CCD为传感器的光学测头（下简称测头）。被测物在一束平行光的照射下，在线阵CCD上的投影，经光电转换，并通过适当的算法实施算出相应的轮廓线度（直径）。细节请参见【1】。

2.1 正确地对被测物轮廓进行测量的前提

● 被测物的外轮廓为“凸图形”

一束平行光射向以某点为圆心进行旋转的被测物时，该束平行光可以与被测物的轮廓上任何一点“实交”，即可以扫描到一个“凸（横截）面”的整个轮廓，但对一“凹（横截）面”，某些部分是不可能与投来的平行光“实交”，所以测不到轮廓。

● 测头与具有“凸图形”轮廓的被测物截面有相对的“位置”移动。

第一种测量方式是，若被测物静止（即无径向的旋转），测头以被测物为中心进行径向旋转；第二种测量方式是，被测物静止，测头以被测物为中心进行径向摆动；第三种测量方式是，测头静止，被测物在其轴心有所旋转或摆动。第一种情况和第二种情况时，旋转测头或摆动测头均可得到被测物的完整轮廓。第三种情况是，采用多个测头，安装在被测物的适当的径向部位，同样可以得到被测物的轮廓。

2.2 当被测物顺测心方向作轴向移动时的测量轨迹。

为了便于说明问题，不妨作一简化假设，即被测物沿轴向的移动是匀速的。那么，按第一种测量方式，其测量轨迹是一有均匀螺距的圆柱形螺旋线；按第二种测量方式，其测量轨迹是“之”字形的螺旋线，且在摆动转向点附近因其摆动角速度的数值和方向的突变，其采样数据难以保持均匀时段；按第三种测量方式，其测量轨迹是间隔均匀的横截面上的轮廓数据。

 

2.3 轮廓数据的获得方式大体有三种，它们分别是，直接，映射，（动态）筛选。

对于光圆线、棒材的测量数据一般均为直接测量所得。

采用旋转测头对像方钢等“凸图形”外轮廓进行测量，得到的数据，按圆周分布的规律如图所示的四叶草型。可见要对其边长、对角长和脱方度的测量必须用极坐标映射反演方式进行。

对于国标GB1499.2-2007规定的带肋钢筋，如果它的内径轮廓没有被两侧横肋“遮盖”，换言之内径轮廓与测量的平行光束有机会“实交”，那么测头就可实测到内径直径，通过对纵、横肋的定位，进而算出相应的横肋高和纵肋高。带肋钢筋的参数可以通过（动态）筛选得到。要做到这点，测头的曝光时间，实际数据的计算速度与带肋钢筋的轴向移动速度应有相应的匹配。动态筛选的频率在目前设备的性能条件下，要低于测头的数据记录频率，当测头的数据采样率低于100╳8次/秒的话，进行参数的正常筛选似乎是困难的。天津兆瑞2008版的C系列测径仪，较好地解决了带肋钢筋参数测量的准确性问题。

以往测径仪用户对设备测量技术指标的要求似乎仅仅是测量范围和测量精度两项，关于采用＂测量精度＂这个概念的不妥之处，我们已经在2007年的高速线材技术研讨会上作了详细的论述（请参见［１］）。

 

其实，用户最关注的设备技术指标是如下几条：测量范围，测量的允许偏差，CCD成像的（电子）曝光时间，测量数据的记录频率，数据后处理，故障诊断和信息整合能力，特定使用环境的设备加固等．天津兆瑞的测径仪产品已经系列化，设备整体（的光学、光电子、电子、结构、通信和PC化后处理等环节）均按照多功能模块化原则来整合。

我们的产品是以LED为光源，传感器采用线阵CCD的八组固定式测头的测径仪，其结构与旋转测头的或摆动测头的设备有所不同，但从测径角度看，它的技术指标应不失普遍性，现结合2009年C系列测径仪，对有关技术指标予以说明之。

● 测量范围(mm)；标准配置是5.00~26.00/5.00~50.00/40.00~100.00和(N-80)~N可选；

测量范围控制在级差80毫米左右，主要考虑与允许偏差的合理配合。客户有特殊需要，可以做客制化的配置。

● 测量的允许偏差(mm)；±0.08/±0.04/±0.02/±0.01/±0.005可选；

允许偏差的完整解释请参见【1】。对于轧钢企业，装在精轧或减定径仪后的线材测径仪选用允许偏差±0.02mm已经足够。装在预精轧处的选用允许偏差±0.04mm甚至±0.08mm也已可以。允许偏差越小，对光学和光电子系统要求越高，设备成本也越高。兆瑞因是专业从事非接触测量设备的ODM企业，所以具备相应的测量校正系统，以满足不同用户的需求。

● CCD成像的（电子）曝光时间(mSec):2/1/0.667/0.5可选；

CCD传感器有一重要指标是光积分时间，即其转储时间，我们可以将此理解为成像的（电子）曝光时间。曝光时间2mSec即曝光率为1/500，曝光时间0.5 mSec即曝光率为1/2000。曝光时间越短，设备动态性能越高。线、棒材在高速轧制过程中，本项指标决定了实际测量数据的准确性。

● 测量数据的记录频率（组／秒）；1/10/100/200/500/1000。

数据记录频率以组/秒为单位，其意即当测径仪有八个测头时，若记录频率为200组/秒，即表示在每秒钟有200个断面数据，每个断面有八个测量数值。这些数据均保存在工控机的硬盘内，供显示、查询、产品参数的统计分析、设备调试等使用。数据的记录频率越高，设备的性能越高。若线材轧制速度为100米/秒，测径仪的记录频率选用500组/秒，则两相邻的测量断面之间的间距为200mm。我们采用嵌入式控制系统作为硬件底层，并配以光纤通信，所以有强大的潜力保证数据的实时性。

● 数据后处理，故障诊断和信息整合能力；

数据多，未必信息多，但足够的数据量保证了数据后处理的需求。为此我们提供诸如参数的统计分析，设备远程诊断，信息网络化共享等软件包作为设备的可选件。

● 特定使用环境下设备的客制化加固。测径仪使用环境是因地而论的，如温度、湿度、及由此带来的冷热变化，镜筒的锈蚀与霉变等因素导致测量性能的变化，为此要从多方面考虑采取必要措施，譬如光学镜筒使用的材料选用。另外，如何选用光学粘合剂，结构粘合剂；密封结构；光机零件的加工、镀膜等等均是要根据实际的需要，通过技术和成本的综合权衡加以确定。

测径仪除了测量准确，性能稳定性，操作简便之外，设备的可维护性和维护成本用户也是关注的。兆瑞测径仪的测量车上、下线可以在几分钟内完成，测量车测心调整可以在测量车不下线情况下实现，镜头的擦拭也可在不下线情况下在几分钟内做完，这些特色给我们的客户留下深刻印象。

通过对轮廓式测径及相应设备的技术指标的评述可知，

● 三种不同结构的轮廓测径仪均遵从相同的可测原理。它们各自有不同的优点和不足之处，但都有其合理存在的理由和应用实践。

● 国家标准GB1499.2-2007对热轧带肋钢筋的规范，同样也对带肋钢筋的关键参量如何进行测量进行了规范、限定。天津兆瑞的D系列测径仪已经具备了对带肋钢筋参量的测量功能，并已在现场成功使用，测量结果符合国家标准对带肋钢筋的尺寸要求。

● 至今，测径仪生产没有国家标准，也没有国际标准可循。兆瑞公司通过近几年的研发和使用实践，制定了相应的企业标准修订稿。目的是提高测径仪品质，促进产品尽快进入国际先进水平。同时也介绍给我国轧钢界的朋友，以便在选购测径仪时心明眼亮。

【1】       邢中柱。 测径仪工作原理，测量技术指标和螺纹钢测量可行性探讨。 《全国高速线材生产技术交流会》论文集 pp.74~79。2007年9月。