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基于激光技術的鑄造速度和板坯長度的測量 這篇文章發(fā)表于多普勒激光技術多普勒激光測速儀是一種非接觸式鑄造速度傳感器，它采用國際最先進的激光技術。由兩個激光束交叉的表面板，光的邊緣產生的現象就是稱為“多普勒效應”。(Figure 1) 這些光的邊緣移動的速度是與穿過交點的對象的速度成正比例。記錄這些通過光學接受裝置的光的邊緣速度，測量對象的精確速度可以是確定的。附錄是用來解釋操作的原理。經評價發(fā)現激光的準確度是0.02%或者在40英寸/分鐘的鑄造速度下0.001英寸/分鐘。安裝的要素許多多普勒激光測速計可在鋼鐵廠應用。然而，很少是專門為連鑄機設備設計的，這是，因為設備必須位于子線的90角度范圍內，這樣可以直接地在上面被完成，或者在子線旁邊之下。在子線之上，從子線的背面放出的熱是很強烈的，而安裝一套適當的冷卻裝置是極端昂貴的。一旦控制結構被修建了，它很可能是阻礙并干涉每日的鑄工操作。在子線之下，放熱再次成為問題，并且落下的殘骸，將導致在透鏡清潔之間的產品縮短使用期限。面對窄面的子線的邊是一個好的選擇，但是這不可能成功的，因為多譜勒儀系統(tǒng)利用一個焦點是不可能獲得可以改變的平板寬度。一個以激光為基礎，準確控制平板長度和鑄件速度測量系統(tǒng)在美國克利夫蘭市的aittaI 鋼鐵廠的No.1鑄造車間開發(fā)了并且被測試了二個月。本文介紹了在測量方面的顯著改善。美國傳感器公司，開發(fā)了包含激光多譜勒儀速度計的一個由飛行時間激光測距計控制的一臺可移動的作動器。這個多譜勒激光儀系統(tǒng)有自動聚焦的特點，使它有利于對準子午線的邊，并且里里外外移動與寬度變動。通過在側面安裝一個裝置，并聚焦與窄面，酷熱被避免，可以減少控制費用和熱的干涉。激光多普勒速度計的原則多譜勒激光儀被安裝了在控制的結尾，并且，在火炬切割機器之前。設備的地點有幾個因素應該在確定應用系統(tǒng)安置的合適地點前考慮。第一是極端的熱量，在機器的控制出口是多塵而且潮濕的。系統(tǒng)將必須完全地被保護，免受這個惡劣環(huán)境。第二個問題是移動的設備的活動(吊車、在修理期間的部分移動和火炬切割機器)。因為系統(tǒng)必須安置在一定的程度以防止它干涉每日鑄工活動，激光系統(tǒng)被安裝在子午線的機器控制部分的結尾，且在火炬切割機器之前。系統(tǒng)的實施 在電腦的幫助下，電氣和機械安裝人員，在幾個小時內就可以順利地完成安裝。必要的軟件和計算機硬件連接完成后，數據收集就開始了。每秒一次，子線速度在第2級系統(tǒng)被記錄下。由激光系統(tǒng)收集的數據大是每秒40個數據。圖5-6是典型的由激光和數據收集系統(tǒng)收集的測量。結論：子線長度 板坯長度-在一個典型的15小時期間，當前測量系統(tǒng)(測量的卷)的子線長度位置(英寸計數)在每塊平板的長度的實際英寸計數之后下跌180英寸。卷動力傳遞滑移的主要結果是導致不接觸和軸承“粘著”。 這意味著每塊平板被生產時產生大約1.5英寸長的畸形伸長。這意味著平均每天可以節(jié)約一塊板坯（每年總共生產板坯730塊）。為了證明激光系統(tǒng)輸出的英寸是有效的，在那條子線的火炬切割機器被連接到它，并且根據激光計算的英寸在每兩個半星期內被切割開。在核實了每塊平板在壓模的長度以后，激光系統(tǒng)很自然地產生了板坯的精確長度，0.2英寸。使用當前系統(tǒng)，有時候會產生高達2.5英寸比較錯誤。缺陷跟蹤-用一個更加可靠的計數英寸，當飛行噴管穿過機器時的速度變化，這樣寬度的變化能夠被更準確地跟蹤，精度的增加將減少降落的鋼坯的量。Figure 3: 在子線一邊有兩個可看見的激光小點。左小點實際上是二條多譜勒激光儀射線的交叉點。多譜勒儀系統(tǒng)從那個小點接受被折射的光并且解釋它作為速度。正確的小點從時間飛行激光測距計用于 自動聚焦 激光多譜勒儀。Figure 4: 多譜勒激光儀速度計的背面圖在SPE鑄工No.1。多譜勒激光儀放在桌子的左邊。激光測距計在桌子的右邊。在桌之下的箱子是具有自動聚焦特點的PLC控制部分。這個設置容易實現初始配置和監(jiān)控多普勒系統(tǒng)。在右邊的信息chuliqi 閱讀所有來自激光多普勒單元的未加工的數據，并且可以平均為日期，通過兩種模式輸出日期，兩數字RS-232輸出。這使得連接水平的兩臺計算機非常容易，包括系統(tǒng)的計算機程序，能容易地接觸（進入）所有簡單配置參數。一旦系統(tǒng)被配置，重新配置系統(tǒng)是不需要的。結論：鑄造速度用激光多普勒測量的鑄造速度被證實精確度在0.02%誤差之內，因此，激光多普勒測量的速度的準確性是在當前系統(tǒng)測量的準確度之上的。目前，四個轉速計被安裝在四個不同的開車卷的背面上測量鑄造速度，由于轉速計測量測速卷的速度，有時它們不準確，這與卷的滑動和材料有關（figures 7-10）。鑄造速度測量系統(tǒng)和卷的速度是完全獨立的，這個避免了轉速計測量的不準確問題。這個系統(tǒng)是如此的精密和敏捷，因此它被用于分析鑄造速度的結果。這種結果是直接連接的機器中的模具振蕩器，這是由不平的卷、損壞的發(fā)動機、錯誤的方向和其他活動部分導致的。盡管這些敏捷的測量能把正常的鑄造速度讀出來，并過濾下來加以控制，但是這些沒被過濾的數據作為一個預防性維護和分析機器不同的組成部分的故障分析工具是非常重要的。包含多普勒系統(tǒng)的測量是調整和監(jiān)控設備的軟件。來自多普勒傳感器的信號質量、英寸計數和鑄造速度有自動中斷能力。Figure 7:取樣比較轉速計輸出的電流功率和激光的鑄造速度的功率，顯然，激光的輸出比轉速計的更多，這是因為激光的精確度高.該連鑄機根據轉速計的測速不是運行在一個恒定速度，相反，它有一個不斷變化的速度的小增量 ，在此，鑄造速度計表明模具振蕩是非常明顯的。然而，二者都是用來分析機器不同部分的故障的儀器。Figure 8: 多譜勒激光儀和在加速的變動期間的車頭表測量的比較說明車頭表測量的動力傳遞和損耗不一致.Figure 9: 突然鑄件的速度從20英寸/分鐘變?yōu)?5英寸/分鐘。一次不精確的車頭表測量在速度上的變化之前是很明顯的速度等級限制-堅持用精確的鑄造速度測量來控制鑄造速度的質量是比較好的。沒有確切的鑄造速度，這些限制參數偏離實際速度1-2英寸每分鐘是允許的。通過了解了精確的機器速度，這些值可以重新調整，以幫助優(yōu)化生產和鋼的質量。比較多普勒激光測速和轉速計測速，表明二者的測速結果是不一致的。結論： 考慮到當前鑄造速度測量系統(tǒng)的誤差，用一個基于激光的鑄造速度測量系統(tǒng)試驗。下面是這次試驗的結果：當前基于測量輪子的鑄造速度和板坯長度的測量，不但不準確（誤差在1-2%），而且需要頻繁的調整和維護。激光多普勒系統(tǒng)是一個無接觸、少維護、無人操作的鑄造速度和板坯長度測量設備。激光單元檢測系統(tǒng)是一種大有前途的設備，與當前30英寸/板坯而誤差相比，使用激光多普勒系統(tǒng)控制板坯長度僅僅導致0.2英寸/板坯的絕對誤差。這樣更準確，超過當前系統(tǒng)的10倍。因此，這將可以解決現在板坯長度測量不準確的問題。在15小時內，當前的測量卷能夠下落18英寸長，這意味著生產的每一塊板坯必要球的0.5-1.5英寸的誤差稍微長一些。避免這些尺寸的損失，將可以使得 每天的每一條板坯都相等。隨著增加條塊位置上的精度，條塊上的缺陷位置更能準確地被跟蹤，進而優(yōu)化板坯長度。Figure 10: 以低鑄件速度例如在釀酒形容器飛行期間，車頭表準確地測量是有困難的。擁有一個高精度的鑄造速度測量系統(tǒng)，能夠允許在激光機的質量限制范圍內最大化地生產。系統(tǒng)對鑄造速度的高度敏感地讀出，在發(fā)動機、軸承和測量卷卷的方面，能夠潛在地幫助維護人員。這個系統(tǒng)也排除了測量卷的高度維護的必要性，當前測量卷被用來監(jiān)控英寸計數并且控制火炬切割機器。激光系統(tǒng)就對維護的要求很低。感謝：作者感謝B.Segulin,R.C.Crowley和J.Singleton在這個工程的所有階段的全力支持，作者也很想感謝國際鋼鐵組織（現在的Mittal鋼鐵）能夠發(fā)表這篇文章。參考文獻1. 1981年，Durst.F,等人.在學院壓力上發(fā)表的激光多普勒風速測定的原則和準則。2. 2001年，Assar.M等人在第84次鋼鐵公司會議 記錄第84卷第23-32頁的準確的板長測量和使用激光技術控制。3. 1997年，KoCutulum B.等人在鐵和鋼會議記錄第80卷第209-213頁的以燃燒口Casters控制班的寬和長。 附錄：操作的理論激光速度計：利用多普勒變頻的證明技術與一個活動的目標速度沒有聯(lián)系。非多差法（非變頻轉變）速度計：選擇激光作為來源，歸功于它的獨特特點，產生一致的穩(wěn)定波長和階段。在傳感器頭之間，一種單一的激光電波被分裂成為相等的波長和頻率的兩種電波，然后電波被重新定向在相交或平行道路上，這些道路離傳感器有一定距離。這個距離被叫做僵持狀態(tài)的距離。由于兩種電波相交他們也創(chuàng)造了一個測量容量或者僵持狀態(tài)距離周圍的領域深度。兩種相交的電波的建設性和破壞性的干擾產生光和黑暗邊緣的一種干擾模式，類似于一種雙切口的衍射模式，被測容量的任何表面將要被測量。邊緣的穩(wěn)定和平行的性質對于系統(tǒng)的表現是至關重要的，因為邊緣模式的變化將在測量中造成錯誤。從高峰到高峰的邊緣間距被激光的波長和發(fā)生的角度在理論上確定，作為表面垂直的參考。這個差值是按微米計量的，肉眼是看不見的。實際上，真正的邊緣間距在制造與校準期間被確定，并且它在確定測量的穩(wěn)定和可靠性時是一個關鍵的因素。當兩種激光電波沖擊表面時，光被分散到傳感器頭上。被分散的光通過透鏡系統(tǒng)被聚集并且集中在一個照片檢測器上，檢測器的輸出測量分散光的強度。假設邊緣模式對于肉眼是可見的，當目標的速度為零時，它將出現靜止或靜態(tài)（圖12）。在檢測器上強度方面的檢測結果將是零。然而，當目標開始移動從每種電波分散出的光將要被改變，這種改變就是多普勒效應。前方指的是電波頻率減少的改變，而后面保護指的是電波經歷等值而頻率增加的的轉變。光頻率的改變，本質上是波長的改變。因此，分散的光是不同波長波的結合。兩種不同波長的電波發(fā)生干涉或。邊緣經過一點。這樣，目標的速度與頻率成正比時檢測器中在擺動時做FFT強度分析、自相關、零點穿越或者其他方式的信號可能被用于分析這個被調整的或者被沖擊的頻率，這個頻率直接與被測量材料的速度有關。外差法的速度計或頻率改變的速度計，多普勒變頻技術被引入新的發(fā)展領域。一個Bragg細胞的產生兩種電波，這兩種電波是與單一激光電波稍微不同的頻率。結果邊緣模式產生了一個干擾相關波或當目標表面為零速度時產生40HZ的沖擊波。表面在一個方向的移動將引起沖擊波的增加，而表面在不同方向的移動將引起沖擊波數目的減少。這個技術使傳感器在內部決定移動的方向，同時也能及其準確的測量接近零的速度。作者：Mohammad B.Assar(左)，產品冶金師-質量系統(tǒng)，M.F.Battaglia (左數第二個)，自動化工