激光测速仪在轧机的应用

激光测速仪在轧机的应用
电装分公司马焱
【摘要】本文阐述了新型号的激光测速仪TSI Model 3000的系统构成、测量原理；对系统安装、调试、维护、精度分析等方面进行了说明，并结合冷轧轧机激光测速仪的使用情况提出了改进设想。

【关键词】激光多普勒效应传感器环境盒品质因素
1 激光测速仪概述
激光测速仪是一种以激光为测量手段的非接触式测量系统，广泛应用于各种工业场合，它可测速度的范围广、测量精度高、重复性好。

可以用来测量移动物体的速度和长度。

1800轧机共安装五台激光测速仪，测量带钢速度。

激光测速仪的系统布置如图1。

图1：激光测速仪系统布置
五台激光测速仪分别布置在5个机架后，每台激光测速仪有一个阀台；系统有3台冷却器，1#激光测速仪单独使用一号冷却器，2#、3#激光测速仪共用二号冷却器，4#、5#激光测速仪共用三号冷却器。

激光测速仪的传感器可以安装在被测材料的上部，下部和侧面。

1800轧机上使用的激光测速仪安装在被测材料（带钢）的上部。

为了使传感器能够在恶劣的工业环境下正常工作，系统装备有一个环境盒将传感器保护起来。

该装置还向传感器提供冷却水和空气吹扫，以保证传感器光学器件的冷却和清洁。

传感器将采集到的信号通过电缆传送到信号处理器。

信号处理器将传感器发送来的信号转换为速度或长度值，显示在前部面板上。

激光测速仪具备内部诊断功能。

在信号处理器前部面板上有几个LED显示状态信息。

后面板上有一个系统状态口，可以将前部面板上的状态信号和其他信息传送到外部控制器，以确认系统正常工作与否以及在何处排除故障。

2 激光测速仪系统构成
激光测速仪的主要部件有：电源、传感器、信号处理器和电缆。

此外还包括一些辅助设备，如空气过滤装置和冷却器等。

其核心部件是传感器，图2是激光测速仪的系统硬件构成。

图2：激光测速仪的系统硬件
传感器采用内装式镜头快门，简化了安装并改善了测量性能；传感器仅使用0.03瓦的低
功率光学设计；在 0.5到 2.0 米 之间的多种安装距离和大的测量景深，使传感器具有多重优点。

传感器的光学系统有六个主要组成部分：激光二极管、凹透镜、快门、光速分离器、光束导向装置、光接收透镜和光探测器，如图3所示。

图3：传感器内部光学系统组成
激光二极管产生一束红外激光（波长为780纳米）。

椭圆且高度发散的光束通过一个凹透
镜使全部光线平行。

平行光通过光束分离器，分成两束等强度、等频率的激光，进入光束导向装置，两束激光经光束导向装置后相交。

数据处理器采用BETA LaserMike 的数字信号处理DSP 专利技术"2048 Coefficient Autocorrelation"，在轧机的整个速度段（甚至在低于轧制速度时）保持高精度的测量，在受控条件下精度可达+/-0.006% ，同时保证了能高速处理大量的数据，所以信号的偏差可以
被有效的减少，大大提高了测量的可靠性。

另外，这种DSP 技术可在1 x 106 m/s 2加速度的情
况下跟踪测量。

这样，特别适合轧机的自动控制和延长率控制时的精确速度测量跟踪，如加减速时或恒速时。

3 激光测速仪工作原理
3.1 激光测速仪测量原理
两束一定宽度（0.5*8mm ）的激光通过光束导向装置后，在距传感器为投射距离（standoff ）
处相交，交汇的区域称为测量体，测量体的形状为椭圆体，由明暗相间的条纹组成，条纹是冷却器 信号处理器 空气过滤装置
传感器 电源
电缆 环境盒
两束激光干涉的结果，图4是多普勒测速原理图。

多普勒原理简单地表述为声波、电磁波或其他形式的波信号与移动物体接触时频率会发生变化；频率变化量取决于物体的移动方向、速度，发射和接手信号的现场位置等。

条纹的间距在厂家标定时已经精确地确定了，在标定时每一个传感器具有一个唯一的“转换数”，这个数写在传感器的后部法兰上，在信号处理器的前面板上有按键开关，可以设定传感器的转换数。

当被测材料通过测量体时，会对测量体中的亮条纹产生微量不规则的散射光。

传感器上的接收透镜接收该散射光，并将散射光聚焦到光探测器上。

光探测器上的光电二极管将被检测到的散射光与发射光之间的变化转换成多普勒信号，传输给信号处理器。

多普勒信号有两个成分，一个是DC，它由反射光产生，用于标记在测量区域内是否有材料存在；另一个是AC，它由散射光产生，用于信号处理器计算材料速度。

图4：多普勒测速原理图
从图4可以看出干涉条纹之间的距离 (d ) 、激光的波长 (λ) 和两束激光之间的夹角(2κ)有关, 其关系式为：
几乎所有的材料都具有光散射场——材料的粒子和粒面组成了物体的表面微晶结构。

当物体表面的光散射场通过两束激光相交的测量区域时，干涉条纹中的亮条纹每次都会产生光散射。

通过收集散射光，并将其转换成电信号。

电信号的频率 (f ) 与物体运动的速度 (v ) 成正比。

物体的运动速度等于两条干涉条纹之间的距离 (d ) 除以物体的光散射场从一个干涉条纹移动到下一个干涉条纹所需的时间 ( t )，其关系式为：
如图4所示：
由于时间 ( t ) 与电信号的频率成 ( f )反比：
所以，物体的运动速度 ( v ) 就等于距离 ( d ) 乘以频率 ( f ):
v = d * f＝(λ*f)/2sink
通过对物体的运动速度（v）求积分，就可求得被测物体的长度 ( L )：
由于激光良好的方向性和非接触测量方法，因此采用LaserSpeed激光测速系统可得到精确的物体运动速度测量。

3.2 激光测速仪系统精度分析
3.2.1影响系统精度的主要因素
系统的精度是设备元器件精度、被测材料特性和环境条件等因素相互作用的结果。

这些因素具体有：多普勒频率测量、干涉条纹的间距、传感器定位、测量的景深和冷却水温度等。

景深对测量精度的影响见图5。

对传感器进行冷却的冷却水温度对激光测速仪测量精度有重要影响，随着冷却水温度的上升和下降，传感器盒也随之膨胀和收缩，这种膨胀和收缩将导致激光束角度上的变化，冷却水温度对测量精度的影响见图6。

激光测速仪的速度测量精度一般在0.05％以上，这一精度取决于良好的信噪比(S／N)。

影响信噪比的因素有：带钢对激光的散射程度、光学窗的清洁度、传感器和带钢之间的空气质量、带钢和激光束之间的入射角及材料的吸收特性。

图5：景深对测量精度的影响
图6：冷却水温度对测量精度的影响
3.2.2系统的几个技术参数说明
用户更新率(user update rate)。

信号处理器根据收集到的数据，计算得出速度平均值，速度计算所用的平均时间又称为用户更新率。

用户更新率可以在2~128ms的范围内以2ms的增量进行选择，选择的依据是应用场合的需要以及计算机采集、处理数据的能力。

品质因素QF（quality factor）是0到15之间的数，它表示激光测速仪在一个用户更新率范围内有效测量数目与总测量数目的比例，15表示100％，0表示0％。

如果QF大于一个预定的标准品质因素，测量就有效。

当激光测速仪在一个用户更新率范围内有效测量数目小
于4,就认为测量值无效，QF就是0，这时速度值保持上一个有效的速度值。

QF以4位的状态字在多路复用输出口上输出，并以模拟信号值在串行口A、串行口B上输出。

3.2.3系统精度的标定
每一个传感器都有唯一的“转换数”，标注在传感器后部法兰上，这是厂家标定时确定的，厂家采用美国NIST标定基准进行激光测速仪的标定，通过反复测量一个已知标准长度的钢带来确定转换数，处理器使用这个转换数将多普勒频率转化为速度和长度。

在现场标定时，可以使用一个已知长度的标准件来标定转换数。

具体操作为：使标准件通过激光测速仪的测量体，检查处理器前面板的长度显示值。

如果显示值与被测试件的真实长度不—致，可以修改处理器前面板上的转换数设定值，直到前面板上的长度显示值与测试件的真实长度一致。

传感器安装位置误差将导致速度测量误差，这些误差可以在系统安装时消除，也可以通过标定传感器转换数加以修正。

4 激光测速仪应用前景
随着全世界范围内钢铁及其他金属制品的竞争越来越激烈，工程师和管理者们必须不断地寻找各种方法提高产品的质量和产量。

其中，对产品的速度和长度的测量及控制就是相当重要的环节。

激光测速仪为大型金属制造厂提供了一种高效的质量和产量的控制手段。

在冷轧机组采用的体积流量自动测量和控制（MF AGC）的一个关键点就是精确测量带钢的速度。

在理想的延长率计算应用中，如果被测物的速度发生变化，这时的关键是要保证输入端和输出端的速度测量是同步的用于体积流量自动测量和控制的速度测量。

此外，激光测速仪在钢铁企业还用于优化成品剪切的长度和速度测量、用于管材制造的长度测量、用于棒材制造的长度和速度的测量、用于连铸连轧控制的长度和速度测量，在所有这些生产过程中，激光测速仪为提高钢厂的生产率和收益提供了保证。

激光测速仪可以在各种恶劣环境中工作，这些装置可运行在温度超过1250 C和有冷却液（雾状和喷射状）等非常恶劣的工作环境下。

另外由于激光测速仪是一种非接触式测量系统，所以不干扰和不破坏流场，适合于易变流场、空间狭小流场、流体为有毒或有腐蚀性物质的流质以及超高温、火焰流场的研究。

不受流体的成分密度的影响，尤其在气体、液体中含有固体杂质微粒时也能获得良好的测量结果，能适应于多相流的研究。

利用频移技术能辨别流速的方向，能测量反向流、旋涡等复杂流动。

可测速度的范围广，从零速度一直到超音速都能测量。

测量精度高，重复性好，不受环境(气压、温度、湿度)的影响。

配上专门的部件，就能实现旋转流场的测量，也能对透平机、风扇、螺旋桨、水泵及其它周期性变化的流场研究。

总之，激光测速仪具有广阔的应用前景。

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