振动信号采集装置 【技术领域】
本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种大包下渣的振动信号采集装置。
背景技术
连铸工艺的生产过程中，钢水从大包流入中间包，再经中间包出水口进入结晶器，冷却后凝固成各种截面的铸坯。渣层对大包及中间包钢水有保温防氧化作用，然而当中间包渣层过厚则会导致钢水污染、增加中间包耐火材料侵蚀、以及增加中间包残余渣层厚度。因此控制大包中的钢渣量对提高铸坯质量、增加连铸批次有着非常重要的意义。
目前已有多种下渣检测方法，如红外技术、电磁感应、钢包称重法、超声波等。基于红外技术的钢渣检测系统，其原理是利用钢水和钢渣不同的辐射特性，使得通过许多红外线波长范围内释放的辐射密度来区别钢水和钢渣。该技术可保证从出钢过程开始实现精确、可靠的钢渣检测，其缺点是在检测中钢流不能被遮挡，如果用于大包到中间包的下渣检测，则必须除去长水口，而这样就会引起钢水的二次氧化，所以目前一般不用于大包的下渣检测，主要应用于转炉出钢口到钢包的下渣检测。
电磁感应式下渣检测系统，其原理是利用钢水与钢渣的磁导率不同来进行检测，国外已有多家炼钢厂采用该系统，并获得较好的冶金效果和经济效益。但由于这类系统要对大包进行改造，在大包底部埋入线圈，改造费用昂贵，而且由于工作环境较高，线圈很容易损坏，平均每个月就要对所用大包底部的线圈、传感器进行更换，因此使用成本较高。
钢包称重自动检测方法在理论上是可行的，其依据是：钢水浇铸后期钢包与钢水的总重量随时间的变化率基本恒定，由于钢渣的比重只有钢水的1/3，一旦有钢渣出现，单位时间内的总重量随时间的变化率将明显减小。该方法由于受称量精度等实际条件的制约，检测准确性很低，目前只作为一种辅助检测手段。
此外，利用超声波进行钢水下渣检测也是一种常用的方法。超声波检测法的原理是利用大包注流中有钢渣和无钢渣时超声波发出信号和反射信号之间的差别来实现对钢渣的检测。虽然这种方法对浇铸过程没有影响，但是由于超声波探头的工作环境温度高达1500度左右，工作环境比较恶劣，制造和使用的费用较高，离工业应用还有较长的一段距离。
振动监测方法的最初实践来源于钢水浇铸现场。在连铸过程中，经验丰富的操作工可以通过浇铸末期所感受到的大包长水口操作臂振动的变化而先于视觉观察判断出由大包进入中间包的钢渣量。大量的现场经验也证明了大包操作臂的振动与保护套内流动的钢水中含渣量密切相关。
事实上，在钢水从大包流入到中间包的过程中，保护套管和与之相连的操作臂会产生较强的振动，水口开度越大，钢水流量越大，振动就越剧烈，而钢渣比重大约是钢水的三分之一，因此由钢渣流动与钢水流动引起的振动必然有差异。因此，理论上通过监测操作臂的振动应能间接监测保护套管内钢水流动状态的变化情况。
但是，连铸浇注过程中的振动情况是比较复杂的。影响操作臂振动的几个主要因素有：
在浇注过程中，要求中间包的钢水量基本稳定，钢水液面不能太高，也不能太低。这就要求操作工要根据中间包内的钢水量来调节钢包滑动水口的开度，当中间包液面高时，就要将滑动水口的开度调小；而当中间包液面降低时，就要将开度调大。这就使保护套管内的钢流的状态随之变化，这种变化也反映到操作臂的振动上，振动随着滑动水口开度的增大而增大。
在大包浇注的末期，大包回转台上会放置另一包冶炼好的钢水，前一包钢水浇注完后，这一包钢水就会接着浇注。而这个放大包的过程，就对整个大包回转台带来了冲击。这个冲击同时也造成了操作臂的振动冲击。
大包下渣检测过程中，操作工对滑板的动作很频繁，每次动作都将影响操作臂的振动且维持一段时间，如果此时正值下渣，有用信号将被掩埋，影响下渣判断。
现场操作手臂刚度大、重量重，固定于中间包车上，长水口钢流引起地振动传递到操作手臂上的传感器时，会发生一定的衰减。
在连铸车间还有一些环境振动、人为振动和噪声，如电弧炉冶炼时的噪声、连铸车间钢架的振动、中包台上人的行走振动等，这些振动或噪声都会对有用信号的提取造成影响。
因此，将传感器直接安装在机械手臂上的传统的振动检测方法，使得传感器采集的信号中包含了大量与钢流振动特征无关的信息，信号的信噪比非常低，有用信号掩埋在大量无用信号中，振动幅度非常小。对这样的信号进行时域分析、频域分析、倒频域分析、统计分析、小波分析等，并经神经网络判断，误报漏报率很高，传统的检测方式有待改进。
【发明内容】
本发明旨在提供一种振动信号采集装置，以使振动信号的采集真实可靠。
为此，本发明提供了一种振动信号采集装置，用于在冶金过程中检测由大包通过长水口保护套管流到中间包的钢液所导致的长水口保护套管的振动，其包括：增敏机构，固定至机械臂，包括传递并放大长水口保护套管的振动信号的弹片；传感器，用于检测经由簧片放大的振动信号；屏蔽罩，罩在传感器上，用于保护传感器。
优选地，上述增敏机构为安装有弹片的操作手轮。
优选地，弹片的两端焊接在操作手轮的两对称的轮辐上，操作手轮焊接在操作臂的末端。
在一实施例中，上述增敏机构包括：内抱环，用于固定至操作臂；外环，通过环形排列的至少一簧片与内抱环连接，其中，传感器与所述簧片或外环固定连接。
优选地，上述外环呈圆环形或多边形。
优选地，上述内抱环和外环之间以120°夹角环形均布有三个簧片，外环呈开环状态。
在另一实施例中，上述增敏机构包括：内环，其底部设置有用于固定至操作臂的抱环，外环，通过环形排列的至少一弹片固定连接至内环，其中，传感器与簧片或外环固定连接。
在又一实施例中，上述增敏机构包括：外环，用于固定至操作臂；内环，通过环形排列的至少一簧片与外环连接，其中，传感器与簧片或内环固定连接。
优选地，上述屏蔽罩具有通冷空气的夹层。
在本发明中，增敏机构根据原有机械臂进行设计，通过焊接和抱杆等方式固定在机械臂上，传感器安装在增敏机构的弹片上，并使用屏蔽罩对传感器进行保护。这种安装方式使检测到的信号能量大大增加，信噪比提高，经软件分析处理后能准确提取下渣特征，提高下渣报警率。其优点是：
1、本发明根据客户现场实际情况特别设计，安装维护简单，操作工使用方便，在空间狭小的恶劣工况下使用更具优势，非常符合钢厂需要。
2、本发明在操作臂固定一增敏机构，增敏机构上再焊接一个弹片，起到了放大信号的作用。传统检测方式直接将传感器安装在操作臂上，检测到的振动信号非常微弱，甚至包含了大量的无用信号，本发明将传感器安装在振动弹片上，只要检测到微弱的振动信号，弹片就会产生剧烈的振动，从而对信号起到放大作用，使传感器采集到幅度更强的信号。
3、对增敏机构的形状不限，适应性强。
4、屏蔽罩能有效隔离中间包的高温影响，在屏蔽罩内还通有压缩空气进行冷却，传感器的工作温度可控制在几十度左右，保证了传感器的使用寿命和性能稳定。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明的其它的目的、特征和效果作进一步详细的说明。
【附图说明】
构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的振动信号采集装置用于检测长水口保护套管振动的示意图；
图2示出了图1所示振动信号采集装置的放大示意图；
图3示出了图2所示振动信号采集装置的A-A视图；以及
图4示出了根据本发明第二实施例的振动信号采集装置的示意图。
图5示出了根据本发明第三实施例的振动信号采集装置用于检测长水口保护套管振动的示意图；
图6示出了图5所示振动信号采集装置的俯视示意图；
图7示出了图5所示振动信号采集装置的正视图；以及
图8示出了图5所示振动信号采集装置的A-A视图。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1示出了根据本发明第一实施例的振动信号采集装置170用于检测长水口保护套管130的振动的示意图。如图1所示，钢水由大包110通过长水口保护套管130流到中间包190，长水口保护套管130上设有操作臂150，在操作臂150的末端设置有振动信号采集装置170。本发明的振动信号采集装置170包括安装于操作臂末端的用于放大振动信号的增敏机构和用于检测放大了的振动信号的传感器。
图2和图3示出了图1所示振动信号采集装置。如图2和图3所示，振动信号采集装置170包括：内抱环174，由两个半环构成，用于通过螺钉紧固至操作臂150的末端；外环172，通过环形均布的三个簧片176与内抱环174连接；传感器180，通过连接板178固定至弹片176上，用于接收弹片的振动信号；以及屏蔽罩182，用于对传感器180进行保护，并隔离外界干扰，例如中间包的高温影响。在本实施例中，内抱环、三个弹片以及外环构成增敏机构。
三个簧片176呈120°环形均布，外环172呈开环状态，两端分别止于簧片176。传感器180可以安装于三个簧片176中的一个上，也可以安装至三个簧片176中的两个或三个上。
簧片176的一端固定连接至内抱环174，另一端悬空连接在外环172上，使得簧片176仅在垂直于外环172所形成的平面上振动，排除了其它方向振动干扰。由于簧片对振动信号具有放大作用，使得传感器感测到的振动信号比直接在操作臂上感测到的信号增强了，即灵敏度增加了。
内抱环174也可以是整体机构，直接焊接至操作臂的末端，如此可避免安装松懈导致的信号失灵现象。
屏蔽罩182中设有夹层182a，该夹层可通冷却气体，以对屏蔽罩182内的传感器180进行冷却。该屏蔽罩182的一端通过连接部182b连接至外环172，另一端通过连接部182c连接至内抱环174。容易想到，可在屏蔽罩182形成的内部空间内通冷却气体以代替在夹层通冷却气体。
在本实施例中，外环172呈开环状态，大半圆环形。在其它实施例中，外环172也可以呈矩形或圆环形等多种形状。另外，簧片不仅可以呈矩形，也可以呈圆盘形或半圆盘性等各种形状。
在其它可选实施例中，外环可以固定至操作臂的末端，内抱环呈悬空状态，外环和内环之间通过环形均布的弹片连接，如此，外环形成的平面则与操作臂的延伸方向水平。
图4示出了根据本发明第二实施例的振动信号采集装置的示意图。如图4所示，振动信号采集装置170包括操作手轮171和焊接固定至对称的轮辐上的弹片173，该弹片173上设置有传感器175。在实际操作过程中，操作臂150的振动信号经过操作手轮171上的弹片放大后，便于传感器175的检测。在本实施例中，增敏机构包括操作手轮171和簧片173。
图5至图8示出了根据本发明第三实施例的振动信号采集装置。如图5所示，振动信号采集装置170水平地固定至操作臂150上，该操作臂用于在冶金过程中操作长水口保护套管130，同时在钢液由大包110流到中间包190时起到传递长水口保护套管130振动的作用。
结合参照图6至图8，本实施例与第一实施例不同之处在于，内环174的底部设置有抱环184，传感器180直接固定在弹片176上，当然，传感器180也可以固定至外环172上。
本领域技术人员容易想到，根据本发明第一、第二、第三实施例的增敏机构的教导，可以设计出弹簧一端固定或两端固定的多种增敏机构。
在本发明中，增敏机构根据原有机械臂进行设计，通过焊接等方式固定在机械臂的末端，传感器安装在增敏机构的弹片上。这种安装方式使检测到的信号能量大大增加，信噪比提高，经软件分析处理后能准确提取下渣特征，提高下渣报警率。其优点是：
1、本发明根据客户现场实际情况特别设计，安装维护简单，操作工使用方便，在空间狭小的恶劣工况下使用更具优势，非常符合钢厂需要。
2、本发明在操作臂的末端焊接一个增敏机构，增敏机构上再焊接一个弹片，起到了放大信号的作用。传统检测方式直接将传感器安装在操作臂上，检测到的振动信号非常微弱，甚至包含了大量的无用信号，本发明将传感器安装在振动弹片上，只要检测到微弱的振动信号，弹片就会产生剧烈的振动，从而对信号起到放大作用，使传感器采集到幅度更强的信号。
3、对增敏机构的形状不限，适应性强。
4、屏蔽罩能有效隔离中间包的高温影响，在屏蔽罩内还通有压缩空气进行冷却，传感器的工作温度可控制在几十度左右，保证了传感器的使用寿命和性能稳定。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。