激光测速仪在轧机的应用.doc

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1、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TSIModel3000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

2、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

3、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。电缆电源传感器空气过滤装置信号处理器冷却器环境盒图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

4、.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BETALaserMike的数字信号处理DSP专利技术"2048CoefficientAutocorrelation"，在轧机的

5、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1x106m/s2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，条纹是两束

6、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

7、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。d测量区域图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

8、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