激光測(cè)速儀在軋機(jī)的應(yīng)用

1、激光測(cè)速儀在軋機(jī)的應(yīng)用 電裝分公司 馬焱 【摘 要】本文闡述了新型號(hào)的激光測(cè)速儀TSI Model 3000的系統(tǒng)構(gòu)成、測(cè)量原理；對(duì)系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維護(hù)、精度分析等方面進(jìn)行了說(shuō)明，并結(jié)合冷軋軋機(jī)激光測(cè)速儀的使用情況提出了改進(jìn)設(shè)想?！娟P(guān)鍵詞】激光 多普勒效應(yīng) 傳感器 環(huán)境盒 品質(zhì)因素1 激光測(cè)速儀概述激光測(cè)速儀是一種以激光為測(cè)量手段的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合，它可測(cè)速度的范圍廣、測(cè)量精度高、重復(fù)性好。可以用來(lái)測(cè)量移動(dòng)物體的速度和長(zhǎng)度。1800軋機(jī)共安裝五臺(tái)激光測(cè)速儀，測(cè)量帶鋼速度。激光測(cè)速儀的系統(tǒng)布置如圖1。圖1：激光測(cè)速儀系統(tǒng)布置五臺(tái)激光測(cè)速儀分別布置在5個(gè)機(jī)架后，每臺(tái)激光測(cè)速

2、儀有一個(gè)閥臺(tái)；系統(tǒng)有3臺(tái)冷卻器，1#激光測(cè)速儀單獨(dú)使用一號(hào)冷卻器，2#、3#激光測(cè)速儀共用二號(hào)冷卻器，4#、5#激光測(cè)速儀共用三號(hào)冷卻器。激光測(cè)速儀的傳感器可以安裝在被測(cè)材料的上部，下部和側(cè)面。1800軋機(jī)上使用的激光測(cè)速儀安裝在被測(cè)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(gè)環(huán)境盒將傳感器保護(hù)起來(lái)。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(xué)器件的冷卻和清潔。傳感器將采集到的信號(hào)通過(guò)電纜傳送到信號(hào)處理器。信號(hào)處理器將傳感器發(fā)送來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度或長(zhǎng)度值，顯示在前部面板上。激光測(cè)速儀具備內(nèi)部診斷功能。在信號(hào)處理器前部面板上有幾個(gè)LED顯示狀態(tài)信息。后

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

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

5、大提高了測(cè)量的可靠性。另外，這種DSP技術(shù)可在1 x 106 m/s2加速度的情況下跟蹤測(cè)量。這樣，特別適合軋機(jī)的自動(dòng)控制和延長(zhǎng)率控制時(shí)的精確速度測(cè)量跟蹤，如加減速時(shí)或恒速時(shí)。3 激光測(cè)速儀工作原理3.1 激光測(cè)速儀測(cè)量原理兩束一定寬度（0.5*8mm）的激光通過(guò)光束導(dǎo)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(chēng)為測(cè)量體，測(cè)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(jié)果，圖4是多普勒測(cè)速原理圖。多普勒原理簡(jiǎn)單地表述為聲波、電磁波或其他形式的波信號(hào)與移動(dòng)物體接觸時(shí)頻率會(huì)發(fā)生變化；頻率變化量取決于物體的移動(dòng)方向、速度，發(fā)射和接手信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)位置等。條紋的

6、間距在廠家標(biāo)定時(shí)已經(jīng)精確地確定了，在標(biāo)定時(shí)每一個(gè)傳感器具有一個(gè)唯一的“轉(zhuǎn)換數(shù)”，這個(gè)數(shù)寫(xiě)在傳感器的后部法蘭上，在信號(hào)處理器的前面板上有按鍵開(kāi)關(guān)，可以設(shè)定傳感器的轉(zhuǎn)換數(shù)。當(dāng)被測(cè)材料通過(guò)測(cè)量體時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)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(cè)器上。光探測(cè)器上的光電二極管將被檢測(cè)到的散射光與發(fā)射光之間的變化轉(zhuǎn)換成多普勒信號(hào)，傳輸給信號(hào)處理器。多普勒信號(hào)有兩個(gè)成分，一個(gè)是DC，它由反射光產(chǎn)生，用于標(biāo)記在測(cè)量區(qū)域內(nèi)是否有材料存在；另一個(gè)是AC，它由散射光產(chǎn)生，用于信號(hào)處理器計(jì)算材料速度。d測(cè)量區(qū)域圖4：多普勒測(cè)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(zhǎng) () 和兩束激光之間的夾角 (2)有關(guān), 其關(guān)系式為：幾乎所有的材料都具有光散射場(chǎng)材料的粒子和粒面組成了物體的表面微晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)物體表面的光散射場(chǎng)通過(guò)兩束激光相交的測(cè)量區(qū)域時(shí)，干涉條紋中的亮條紋每次都會(huì)產(chǎn)生光散射。通過(guò)收集散射光，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電信號(hào)的頻率 (f ) 與物體運(yùn)動(dòng)的速度 (v ) 成正比。物體的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)從一個(gè)干涉條紋移動(dòng)到下一個(gè)干涉條紋所需的時(shí)間 ( t )，其關(guān)系式為：如圖4所示：由于時(shí)間 ( t ) 與電信號(hào)的頻率成 ( f )反比： 所以，物體的運(yùn)動(dòng)速度 ( v ) 就等于距離 ( d )

8、乘以頻率 ( f ): v = d * f(*f)/2sink通過(guò)對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)速度（v）求積分，就可求得被測(cè)物體的長(zhǎng)度 ( L )： 由于激光良好的方向性和非接觸測(cè)量方法，因此采用LaserSpeed激光測(cè)速系統(tǒng)可得到精確的物體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量。3.2 激光測(cè)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(shè)備元器件精度、被測(cè)材料特性和環(huán)境條件等因素相互作用的結(jié)果。這些因素具體有：多普勒頻率測(cè)量、干涉條紋的間距、傳感器定位、測(cè)量的景深和冷卻水溫度等。景深對(duì)測(cè)量精度的影響見(jiàn)圖5。對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻的冷卻水溫度對(duì)激光測(cè)速儀測(cè)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(dǎo)致激光束角度上的變化，冷卻水溫度對(duì)測(cè)量精度的影響見(jiàn)圖6。激光測(cè)速儀的速度測(cè)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(duì)激光的散射程度、光學(xué)窗的清潔度、傳感器和帶鋼之間的空氣質(zhì)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(duì)測(cè)量精度的影響圖6：冷卻水溫度對(duì)測(cè)量精度的影響3.2.2系統(tǒng)的幾個(gè)技術(shù)參數(shù)說(shuō)明用戶更新率(user update rate)。信號(hào)處理器根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出速度平均值，速度計(jì)算所用的平均時(shí)間又稱(chēng)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(jìn)行選擇，選擇的依據(jù)是應(yīng)用場(chǎng)合的需要以

10、及計(jì)算機(jī)采集、處理數(shù)據(jù)的能力。品質(zhì)因素QF（quality factor）是0到15之間的數(shù)，它表示激光測(cè)速儀在一個(gè)用戶更新率范圍內(nèi)有效測(cè)量數(shù)目與總測(cè)量數(shù)目的比例，15表示100，0表示0。如果QF大于一個(gè)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)因素，測(cè)量就有效。當(dāng)激光測(cè)速儀在一個(gè)用戶更新率范圍內(nèi)有效測(cè)量數(shù)目小于4,就認(rèn)為測(cè)量值無(wú)效，QF就是0，這時(shí)速度值保持上一個(gè)有效的速度值。QF以4位的狀態(tài)字在多路復(fù)用輸出口上輸出，并以模擬信號(hào)值在串行口A、串行口B上輸出。3.2.3系統(tǒng)精度的標(biāo)定每一個(gè)傳感器都有唯一的“轉(zhuǎn)換數(shù)”，標(biāo)注在傳感器后部法蘭上，這是廠家標(biāo)定時(shí)確定的，廠家采用美國(guó)NIST標(biāo)定基準(zhǔn)進(jìn)行激光測(cè)速儀的標(biāo)定，通過(guò)反

11、復(fù)測(cè)量一個(gè)已知標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼帶來(lái)確定轉(zhuǎn)換數(shù)，處理器使用這個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)將多普勒頻率轉(zhuǎn)化為速度和長(zhǎng)度。在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定時(shí)，可以使用一個(gè)已知長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)標(biāo)定轉(zhuǎn)換數(shù)。具體操作為：使標(biāo)準(zhǔn)件通過(guò)激光測(cè)速儀的測(cè)量體，檢查處理器前面板的長(zhǎng)度顯示值。如果顯示值與被測(cè)試件的真實(shí)長(zhǎng)度不致，可以修改處理器前面板上的轉(zhuǎn)換數(shù)設(shè)定值，直到前面板上的長(zhǎng)度顯示值與測(cè)試件的真實(shí)長(zhǎng)度一致。傳感器安裝位置誤差將導(dǎo)致速度測(cè)量誤差，這些誤差可以在系統(tǒng)安裝時(shí)消除，也可以通過(guò)標(biāo)定傳感器轉(zhuǎn)換數(shù)加以修正。4 激光測(cè)速儀應(yīng)用前景隨著全世界范圍內(nèi)鋼鐵及其他金屬制品的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)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(zhì)量和產(chǎn)量。其中，對(duì)產(chǎn)品的速度

12、和長(zhǎng)度的測(cè)量及控制就是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。激光測(cè)速儀為大型金屬制造廠提供了一種高效的質(zhì)量和產(chǎn)量的控制手段。在冷軋機(jī)組采用的體積流量自動(dòng)測(cè)量和控制（MF AGC）的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是精確測(cè)量帶鋼的速度。在理想的延長(zhǎng)率計(jì)算應(yīng)用中，如果被測(cè)物的速度發(fā)生變化，這時(shí)的關(guān)鍵是要保證輸入端和輸出端的速度測(cè)量是同步的用于體積流量自動(dòng)測(cè)量和控制的速度測(cè)量。此外，激光測(cè)速儀在鋼鐵企業(yè)還用于優(yōu)化成品剪切的長(zhǎng)度和速度測(cè)量、用于管材制造的長(zhǎng)度測(cè)量、用于棒材制造的長(zhǎng)度和速度的測(cè)量、用于連鑄連軋控制的長(zhǎng)度和速度測(cè)量，在所有這些生產(chǎn)過(guò)程中，激光測(cè)速儀為提高鋼廠的生產(chǎn)率和收益提供了保證。激光測(cè)速儀可以在各種惡劣環(huán)境中工作，這些裝置可運(yùn)行在溫度超過(guò)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(cè)速儀是一種非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，所以不干擾和不破壞流場(chǎng)，適合于易變流場(chǎng)、空間狹小流場(chǎng)、流體為有毒或有腐蝕性物質(zhì)的流質(zhì)以及超高溫、火焰流場(chǎng)的研究。不受流體的成分密度的