激光測速儀在軋機的應用

1、激光測速儀在軋機的應用 電裝分公司 馬焱 【摘 要】本文闡述了新型號的激光測速儀TSI Model 3000的系統(tǒng)構成、測量原理；對系統(tǒng)安裝、調試、維護、精度分析等方面進行了說明，并結合冷軋軋機激光測速儀的使用情況提出了改進設想?！娟P鍵詞】激光 多普勒效應 傳感器 環(huán)境盒 品質因素1 激光測速儀概述激光測速儀是一種以激光為測量手段的非接觸式測量系統(tǒng)，廣泛應用于各種工業(yè)場合，它可測速度的范圍廣、測量精度高、重復性好?？梢杂脕頊y量移動物體的速度和長度。1800軋機共安裝五臺激光測速儀，測量帶鋼速度。激光測速儀的系統(tǒng)布置如圖1。圖1：激光測速儀系統(tǒng)布置五臺激光測速儀分別布置在5個機架后，每臺激光測速

2、儀有一個閥臺；系統(tǒng)有3臺冷卻器，1#激光測速儀單獨使用一號冷卻器，2#、3#激光測速儀共用二號冷卻器，4#、5#激光測速儀共用三號冷卻器。激光測速儀的傳感器可以安裝在被測材料的上部，下部和側面。1800軋機上使用的激光測速儀安裝在被測材料（帶鋼）的上部。為了使傳感器能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下正常工作，系統(tǒng)裝備有一個環(huán)境盒將傳感器保護起來。該裝置還向傳感器提供冷卻水和空氣吹掃，以保證傳感器光學器件的冷卻和清潔。傳感器將采集到的信號通過電纜傳送到信號處理器。信號處理器將傳感器發(fā)送來的信號轉換為速度或長度值，顯示在前部面板上。激光測速儀具備內(nèi)部診斷功能。在信號處理器前部面板上有幾個LED顯示狀態(tài)信息。后

3、面板上有一個系統(tǒng)狀態(tài)口，可以將前部面板上的狀態(tài)信號和其他信息傳送到外部控制器，以確認系統(tǒng)正常工作與否以及在何處排除故障。2 激光測速儀系統(tǒng)構成激光測速儀的主要部件有：電源、傳感器、信號處理器和電纜。此外還包括一些輔助設備，如空氣過濾裝置和冷卻器等。其核心部件是傳感器，圖2是激光測速儀的系統(tǒng)硬件構成。電纜電源傳感器空氣過濾裝置信號處理器冷卻器環(huán)境盒圖2：激光測速儀的系統(tǒng)硬件傳感器采用內(nèi)裝式鏡頭快門，簡化了安裝并改善了測量性能；傳感器僅使用0.03瓦的低功率光學設計；在 0.5到2.0 米 之間的多種安裝距離和大的測量景深，使傳感器具有多重優(yōu)點。傳感器的光學系統(tǒng)有六個主要組成部分：激光二極管、凹透

4、鏡、快門、光速分離器、光束導向裝置、光接收透鏡和光探測器，如圖3所示。圖3：傳感器內(nèi)部光學系統(tǒng)組成激光二極管產(chǎn)生一束紅外激光（波長為780納米）。橢圓且高度發(fā)散的光束通過一個凹透鏡使全部光線平行。平行光通過光束分離器，分成兩束等強度、等頻率的激光，進入光束導向裝置，兩束激光經(jīng)光束導向裝置后相交。數(shù)據(jù)處理器采用BETA LaserMike的數(shù)字信號處理DSP專利技術2048 Coefficient Autocorrelation，在軋機的整個速度段（甚至在低于軋制速度時）保持高精度的測量，在受控條件下精度可達+/-0.006% ，同時保證了能高速處理大量的數(shù)據(jù)，所以信號的偏差可以被有效的減少，大

5、大提高了測量的可靠性。另外，這種DSP技術可在1 x 106 m/s2加速度的情況下跟蹤測量。這樣，特別適合軋機的自動控制和延長率控制時的精確速度測量跟蹤，如加減速時或恒速時。3 激光測速儀工作原理3.1 激光測速儀測量原理兩束一定寬度（0.5*8mm）的激光通過光束導向裝置后，在距傳感器為投射距離（standoff）處相交，交匯的區(qū)域稱為測量體，測量體的形狀為橢圓體，由明暗相間的條紋組成，條紋是兩束激光干涉的結果，圖4是多普勒測速原理圖。多普勒原理簡單地表述為聲波、電磁波或其他形式的波信號與移動物體接觸時頻率會發(fā)生變化；頻率變化量取決于物體的移動方向、速度，發(fā)射和接手信號的現(xiàn)場位置等。條紋的

6、間距在廠家標定時已經(jīng)精確地確定了，在標定時每一個傳感器具有一個唯一的“轉換數(shù)”，這個數(shù)寫在傳感器的后部法蘭上，在信號處理器的前面板上有按鍵開關，可以設定傳感器的轉換數(shù)。當被測材料通過測量體時，會對測量體中的亮條紋產(chǎn)生微量不規(guī)則的散射光。傳感器上的接收透鏡接收該散射光，并將散射光聚焦到光探測器上。光探測器上的光電二極管將被檢測到的散射光與發(fā)射光之間的變化轉換成多普勒信號，傳輸給信號處理器。多普勒信號有兩個成分，一個是DC，它由反射光產(chǎn)生，用于標記在測量區(qū)域內(nèi)是否有材料存在；另一個是AC，它由散射光產(chǎn)生，用于信號處理器計算材料速度。d測量區(qū)域圖4：多普勒測速原理圖從圖4可以看出干涉條紋之間的距離

7、(d ) 、激光的波長 () 和兩束激光之間的夾角 (2)有關, 其關系式為：幾乎所有的材料都具有光散射場材料的粒子和粒面組成了物體的表面微晶結構。當物體表面的光散射場通過兩束激光相交的測量區(qū)域時，干涉條紋中的亮條紋每次都會產(chǎn)生光散射。通過收集散射光，并將其轉換成電信號。電信號的頻率 (f ) 與物體運動的速度 (v ) 成正比。物體的運動速度等于兩條干涉條紋之間的距離 (d ) 除以物體的光散射場從一個干涉條紋移動到下一個干涉條紋所需的時間 ( t )，其關系式為：如圖4所示：由于時間 ( t ) 與電信號的頻率成 ( f )反比： 所以，物體的運動速度 ( v ) 就等于距離 ( d )

8、乘以頻率 ( f ): v = d * f(*f)/2sink通過對物體的運動速度（v）求積分，就可求得被測物體的長度 ( L )： 由于激光良好的方向性和非接觸測量方法，因此采用LaserSpeed激光測速系統(tǒng)可得到精確的物體運動速度測量。3.2 激光測速儀系統(tǒng)精度分析3.2.1影響系統(tǒng)精度的主要因素系統(tǒng)的精度是設備元器件精度、被測材料特性和環(huán)境條件等因素相互作用的結果。這些因素具體有：多普勒頻率測量、干涉條紋的間距、傳感器定位、測量的景深和冷卻水溫度等。景深對測量精度的影響見圖5。對傳感器進行冷卻的冷卻水溫度對激光測速儀測量精度有重要影響，隨著冷卻水溫度的上升和下降，傳感器盒也隨之膨脹和收

9、縮，這種膨脹和收縮將導致激光束角度上的變化，冷卻水溫度對測量精度的影響見圖6。激光測速儀的速度測量精度一般在0.05以上，這一精度取決于良好的信噪比(SN)。影響信噪比的因素有：帶鋼對激光的散射程度、光學窗的清潔度、傳感器和帶鋼之間的空氣質量、帶鋼和激光束之間的入射角及材料的吸收特性。圖5：景深對測量精度的影響圖6：冷卻水溫度對測量精度的影響3.2.2系統(tǒng)的幾個技術參數(shù)說明用戶更新率(user update rate)。信號處理器根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，計算得出速度平均值，速度計算所用的平均時間又稱為用戶更新率。用戶更新率可以在2128ms的范圍內(nèi)以2ms的增量進行選擇，選擇的依據(jù)是應用場合的需要以

10、及計算機采集、處理數(shù)據(jù)的能力。品質因素QF（quality factor）是0到15之間的數(shù)，它表示激光測速儀在一個用戶更新率范圍內(nèi)有效測量數(shù)目與總測量數(shù)目的比例，15表示100，0表示0。如果QF大于一個預定的標準品質因素，測量就有效。當激光測速儀在一個用戶更新率范圍內(nèi)有效測量數(shù)目小于4,就認為測量值無效，QF就是0，這時速度值保持上一個有效的速度值。QF以4位的狀態(tài)字在多路復用輸出口上輸出，并以模擬信號值在串行口A、串行口B上輸出。3.2.3系統(tǒng)精度的標定每一個傳感器都有唯一的“轉換數(shù)”，標注在傳感器后部法蘭上，這是廠家標定時確定的，廠家采用美國NIST標定基準進行激光測速儀的標定，通過反

11、復測量一個已知標準長度的鋼帶來確定轉換數(shù)，處理器使用這個轉換數(shù)將多普勒頻率轉化為速度和長度。在現(xiàn)場標定時，可以使用一個已知長度的標準件來標定轉換數(shù)。具體操作為：使標準件通過激光測速儀的測量體，檢查處理器前面板的長度顯示值。如果顯示值與被測試件的真實長度不致，可以修改處理器前面板上的轉換數(shù)設定值，直到前面板上的長度顯示值與測試件的真實長度一致。傳感器安裝位置誤差將導致速度測量誤差，這些誤差可以在系統(tǒng)安裝時消除，也可以通過標定傳感器轉換數(shù)加以修正。4 激光測速儀應用前景隨著全世界范圍內(nèi)鋼鐵及其他金屬制品的競爭越來越激烈，工程師和管理者們必須不斷地尋找各種方法提高產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量。其中，對產(chǎn)品的速度

12、和長度的測量及控制就是相當重要的環(huán)節(jié)。激光測速儀為大型金屬制造廠提供了一種高效的質量和產(chǎn)量的控制手段。在冷軋機組采用的體積流量自動測量和控制（MF AGC）的一個關鍵點就是精確測量帶鋼的速度。在理想的延長率計算應用中，如果被測物的速度發(fā)生變化，這時的關鍵是要保證輸入端和輸出端的速度測量是同步的用于體積流量自動測量和控制的速度測量。此外，激光測速儀在鋼鐵企業(yè)還用于優(yōu)化成品剪切的長度和速度測量、用于管材制造的長度測量、用于棒材制造的長度和速度的測量、用于連鑄連軋控制的長度和速度測量，在所有這些生產(chǎn)過程中，激光測速儀為提高鋼廠的生產(chǎn)率和收益提供了保證。激光測速儀可以在各種惡劣環(huán)境中工作，這些裝置可運行在溫度超過1250C和有冷卻液（霧狀和噴射狀）等非常惡劣的工作環(huán)境下。另外由于激光測速儀是一種非接觸式測量系統(tǒng)，所以不干擾和不破壞流場，適合于易變流場、空間狹小流場、流體為有毒或有腐蝕性物質的流質以及超高溫、火焰流場的研究。不受流體的成分密度的