基于激光自混合干涉的轧辊磨损在线检测方法

张玉燕， 闫美素， 周 航， 吕坤坤

（1.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004；2.燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室，河北秦皇岛066004）

基于激光自混合干涉的轧辊磨损在线检测方法

张玉燕1，2， 闫美素1，2， 周 航1，2， 吕坤坤1，2

（1.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004；2.燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室，河北秦皇岛066004）

提出了一种非接触式轧辊磨损在线检测的方法。研究了轧辊磨损量在线检测的原理及方案，利用激光自混合干涉位移传感器进行多点测量，将轧辊磨损量转化为微位移量进行检测，从而得到磨损量。信号处理中基于相位展开原理进行自混合干涉相位提取，重建外腔物体运动信息，并利用插值法降低了辊身振动和随机噪声的影响，提高了系统测量分辨率与精度。实验结果表明，该方法的测量分辨力可达到几十微米。

计量学；轧辊磨损检测；自混合干涉；在线检测；位移重构

1 引 言

近年来，国内外的许多学者对轧辊磨损在线检测技术进行了大量研究工作［1～3］。国内研究主要包括传感器的设计、模型建立及数据处理［4～6］方面，并取得了很多研究成果。目前，在国内适用于轧辊磨损程度在线检测的产品尚未见报道。

轧辊磨损量的在线测试方法主要分为测力式和测距传感式［7］。测力式辊型在线检测方法属于接触式的检测方法，检测精度依赖于磨辊机机械系统的精度。测距传感器式轧辊磨损测试方法是目前国内外重点研究的方法。根据测距传感器使用的不同，可分为超声波测距传感式、电涡流测距传感式、光纤测距传感式、电荷耦合器件CCD测距传感式和接触式位移传感器式。其中最具有代表性的如：日本的三菱重工研制超声波轧辊磨损检测系统，属于非接触测量，其精度达到了±10μm，应用较广泛。德国赫施钢铁公司研制了电涡流测距式传感器组成的检测系统，测量热连轧机精轧辊的磨损度，其精度达到±20μm［8］。该方法优点是对恶劣环境适应能力强、非接触式测量，主要缺点为受周围电磁场、环境温度干扰较大，氧化铁皮等介质对其精度有影响，工作间隙小。而电荷耦合器件测距、光纤测距等测量方法目前处于研究阶段，尚未见实际应用。

激光自混合干涉测量技术作为一种非接触式测量方法越来越受到国内外学者的关注，被应用于几何量传感测量，如形貌测量、振动测量、探伤研究等［9～12］。本文提出一种基于激光自混合干涉测量技术的轧辊磨损在线检测的方法。

2 自混合干涉测量原理

2.1 自混合干涉模型

激光自混合干涉［13］是指激光器输出光被外部反射体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔，此时反馈光与腔内光发生混合，从而调制激光器的输出特性的现象，又被称为光反馈自混合干涉（Optical feedback selfmixing interference，OFSMI）。

当目标反射体与激光二极管光输出端面的距离小于激光相干长度的一半时，自混合干涉系统可等效为三镜法布里-珀罗（F-P）腔模型，如图1所示。

图1 激光自混合干涉系统的三镜F-P腔模型图

图1中M1、M2为激光器的前后端面，M1、M2之间构成内腔。M为外部反射面，M2、M之间构成外腔。D为内腔长，L为外腔长。自混合干涉数学模型可表示为：

式中：φf（t）和φ0分别代表有外腔光反馈和无外腔光反馈时的输出光相位；Pf（t）和P0分别为有外腔光反馈和无外腔光反馈时半导体激光器的输出功率；m为激光器调制系数，其典型值m≈10-3；α为半导体激光器线宽展宽因数；C为光反馈水平因子，是影响激光器动态特性和输出功率的重要参数。

2.2 位移测量原理

令νf（t）和ν0分别代表有外腔光反馈和无外腔光反馈时的输出光频率，τ（t）＝2L（t）／c为光在外腔往返一次的时间，c是光速，则存在如下关系：

所以公式（2）可写为：

由式（5）可知，光反馈存在时，输出光功率不仅随着注入电流的变化而变化，而且随外部腔长和反馈强度的变化而变化，最终表现为自混合干涉信号相位的变化。

当注入电流恒定时，输出光功率随外腔长的变化周期是半个波长λ／2；当注入电流被线性调制时，激光器的输出光频率也被调制，若频率调制系数为ξ，则有［14］：

当外腔不存在偏移时，将式（6）代入式（5）得到被调制的自混合信号：

其中：fm＝（2ξL0）／c，φ0（t）＝2πν0τ（t）。

当外腔长度由初始腔长偏移到L（t）＝L0＋d时，结合式（5）和式（6）可得此时被调制的自混合信号：

由于L0远大于d，所以（2πξtd）／c项可以忽略。因为由外腔运动引起的相移为φ＝（2πν0d）／c，外腔的偏移可表示为：

其中d值为待测值，如果是微位移量测量，则d是时变量d（t）。

通过求解外腔运动引起的相位变化，可获得相应外腔目标体的位移信息。由激光自混合干涉微位移测量理论［15］可知，通过改变外腔长度L，可以得到Pf（t）和t之间的关系曲线。当C和α已知时，采集激光自混合信号即Pf（t），从中提取相位信息φ，依据相位展开原理，通过相位与自混合信号的关系，用反余弦函数计算相位，得到一个呈现锯齿状分布的包裹相位，然后对此包裹相位进行展开，以得到正确的相位，最终由式（7）即得到d。

3 轧辊测量方案

轧辊磨损在线检测的方式有多种，例如多点固定式、单点移动式、多点移动式、固定移动组合式、三点式移动式等［16，17］。其中，本文使用的是如图2所示的固定移动组合式测量装置。

根据钢材轧制的间歇时间短的实际情况，为在此时间内完成整个辊面的检测，故采用多个传感探头同步横向扫描的方法，以减小每台传感探头横向检测距离，从而提高检测效率。

将N个激光自混合干涉位移测量传感探头Mi（i＝1，2，3，…，N）等间隔地安装在导轨上，传感探头可在导轨上沿着与轧辊轴向平行的方向移动，每个传感器可连续地检测轧辊的一部分，多个传感器共同工作可测全辊身。其中，传感探头安放个数为：

图2 传感器分布示意图

式中：L为轧辊长度，Vs为传感器移动速度，T为钢材轧制的间歇时间。

设在某一时刻t，Mi的检测值为Yi（t），由激光自混合干涉位移测量原理可知：

激光自混合干涉位移测量实验系统原理框图如图3所示，其中虚线框部分为激光自混合干涉位移测量传感探头的结构示意图。

图3 激光自混合干涉测量实验系统原理框图

在轧辊磨损检测过程中有很多影响检测精度的因素，如高温、强电磁干扰、振动、氧化铁磷、冷却水、汽雾、存在轧辊周围的强电磁场、轧辊表面粗糙度不均等。其中，辊身振动是对检测结果影响较大的因素，为了减小它的影响，在导轨的左右两端对称的位置上同时各固定安装一个相同的传感探头（Ma和Mb），用来检测测量过程中测量台架存在的振动干扰信号，后续采用插值法［17］可在一定程度上去除此噪声，以提高测量精度。

令t时刻，Ma、Mb的检测值分别为Ya（t）、Yb（t）。采用插值法去除振动干扰噪声，则每个传感器测量的辊面真实位移信号ΔYi（t）可由如下关系式得到：

由于Vr是轧辊转动速度，为恒定值，令x＝Vr× t，则辊面位移函数Fi（ x）为：

将从这N个传感器中采集的信号Fi（x）组合起来，即得到了被测轧辊的磨损信息F（x）。由于平移导轨存在制造与安装误差，因此，F（x）不能完全代表轧辊的磨损。由于轧辊在安装之前，都已被轧辊磨床加工成理想形状。所以，在轧辊安装完之后，使用前应当首先对其辊型进行检测，并将此结果作为标准轧辊磨损量数据F0（x）保存。在之后的检测中，将测得的磨损辊面位移函数F（x）与F0（x）进行比较，两者之间的差值为辊面磨损形状函数ΔF（x）。

4 实验研究

实验系统核心器件是内部封装光电二极管半导体激光器，其出射光波长为785 nm，功率为25 mW，阈值电流Lth＝45 mA。

选取一被测样件模拟轧辊，其表面情况与实际轧辊表面相似。此被测工件半径11.5 mm，径向长64 mm。采用单点自混合干涉传感系统测量其轮廓线。被测工件安装在一维可移动导轨上，由控制器驱动，使被测工件在导轨上按既定控制程序移动，直至工件上一确定直线上的点完全被采集。测量时起始点和终点分别定在离图4（a）中所示A、B端2mm处。为了模拟工件磨损情况，将被测工件一端进行螺纹加工，对同一扫描线位置进行了再次测量。螺纹起始在A端，宽度约为15 mm，螺纹牙距为1.5 mm，如图4（b）所示。

图4 被测工件

激光自混合干涉测量系统测得的位移信号经过初步的I／V转换、信号放大和滤波处理后通过数据采集卡（Date acquisition card，DAQ）被送入计算机进行数字信号处理。首先对信号进行滤波处理，然后运用相位展开算法对位移信号进行重构，最后将所有被测量点的测量数据组合形成被测工件表面上指定位置处的轮廓线，测量结果如图5所示，其中图5（a）为被测工件某条扫描线上的初始情况，图5（b）为螺纹加工后被测工件相同位置的轮廓线。对两次测量的数据进行相减，便得到了被测位置的磨损量，如图5（c）所示。

图5 被测工件轮廓线

实验中误差主要来源于测量原理误差、测量机构本身的误差、信号处理算法误差和测量平台的振动干扰等因素，从实验结果中可见工件磨损量的测量分辨力可以达到几十个微米。

理论分析的结果与实验结果较吻合，很好地验证了激光自混合干涉测量方法用于实现轧辊磨损测量的可行性。

5 结 论

激光自混合干涉检测技术具有检测精度高，工作可靠，结构简单紧凑，光路易准直，抗电磁和抗水雾性强及不受被测表面粗糙度不均等因素干扰等优点，适用于在较恶劣环境中对快速运动的物体进行检测。本文提出了将激光自混合干涉测量技术用于轧辊磨损的在线检测的方法，并通过理论分析和部分实验研究，探讨了该方法应用于轧辊磨损检测的可行性和有效性。得到了工件表面的磨损量信息，为今后轧辊磨损的在线检测提供一种新方法和新思路。考虑到恶劣的实际工况中尚存在许多问题，有待今后进一步研究和完善。

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The On-line Detection Method of RollWear Based on Laser Self-m ixing Interference

ZHANG Yu-yan1，2， YAN Mei-su1，2， ZHOU Hang1，2， LV Kun-kun1，2
（1.Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China；2.Key Lab of Measurement Technology and Instrumentation of Hebei Province，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

A method of non-contact on-linemeasurement for testing roller wears based on themeasuring principle of laser self-mixing interferencewas put forward.The principle and projectof rollerwear testing is investigated.A self-mixing interference displacement detector was used for multi-pointmeasurement and translating the roll wear quantity into micro displacement to get the wearing capacity of the roll.In signal processing，the phase unwrappingmethod is used to extract phase and the interpolation method is used to improve the test resolution and accuracy.The result of the experiment shows that the resolution of thismeasuringmethod is refined tomicron.

Metrology；Rollwear test；Self-mixing interference；On-line detection；Displacement reconstruction

TB921

：A

：1000-1158（2015）03-0234-04

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.03

2014-08-09；

：2014-12-17

高等学校博士学科点专项科研基金（20111333120009）；河北省自然科学基金（F2012203184）

张玉燕（1976-），女，天津人，燕山大学副教授，博士，主要从事光电检测、光纤传感等方面的研究。yyzhang＠ysu.edu.cn