激光多普勒測速在小方坯連鑄定尺中的應(yīng)用

何英春

摘 要：文章介紹了激光多普勒測速儀LS9000的原理及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，并分析了其在小方坯連鑄定尺中的現(xiàn)場應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多普勒測速；連鑄；應(yīng)用

1 概述

激光多普勒測速技術(shù)是伴隨著激光器的誕生而產(chǎn)生的一種新的測量技術(shù)，它以其測速精度高、測速范圍廣、空間分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、機(jī)械、能源等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用和快速發(fā)展。

在一個(gè)完整的激光多普勒測速系統(tǒng)中，主要分為三個(gè)部分：激光發(fā)射器、光學(xué)光路系統(tǒng)、信號處理部分。其廣泛應(yīng)用于板材、管材在線切割監(jiān)控，電纜或砂紙長度速度測量等；也適用于絨布、毛皮等紡織品、涂層或粘膠表面、泡沫橡膠表面物體的測速測長。

如圖1所示，兩束同源激光在測量區(qū)域相交后，干涉產(chǎn)生一個(gè)條紋立體空間；取板帶經(jīng)過的截面如上小圖，在該區(qū)域內(nèi)，形成明暗交錯(cuò)的條紋帶。條紋間隔為d，該值由激光波長λ及兩束激光間的半角k決定。

被測量鋼帶經(jīng)過該區(qū)域的條紋帶時(shí)，板帶表面的微小結(jié)構(gòu)顆粒結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生明暗交錯(cuò)的漫反射光信號，該信號被儀表的光子探測器轉(zhuǎn)化為頻率的電信號，該頻率與板帶速度相關(guān)。

所以，經(jīng)過測量區(qū)域的被測量物體的長度可以同時(shí)輸出。

2 連鑄機(jī)

連鑄坯定尺定重剪切控制的基本原理如圖2所示，現(xiàn)場需要對高溫板坯進(jìn)行長度測量及控制。綜合情況選擇BETA LaserMIKE公司的LS9000-310E，專用電纜（50米）85277，85324信號端子。

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：LS9000系統(tǒng)，速度測量范圍從-12000米/分鐘到+12000米/分鐘，消除傳統(tǒng)測速系統(tǒng)小速度，零速度無法測量帶來的誤差。系統(tǒng)可測量板帶運(yùn)動(dòng)方向，可自動(dòng)對長度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，無需PLC提供任何控制信號。系統(tǒng)為集成一體化系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測速系統(tǒng)比較，具有系統(tǒng)簡單，可靠性高，免維護(hù)等特點(diǎn)。LS9000-310E測量景深為100毫米，可完全覆蓋被測量板帶的厚度變化范圍；LS9000-310E接口信號豐富，可同時(shí)輸出速度信號及長度信號到PLC進(jìn)行控制。信號處理模塊采用了10層FPGA數(shù)字電路，采用增強(qiáng)自相關(guān)算（enhanced autocorrelation algorithm）對多普勒信號進(jìn)行處理，測量速度快，結(jié)果穩(wěn)定可靠。LS9000-X系列儀表是針對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的特點(diǎn)，特別設(shè)計(jì)其防護(hù)推出的一個(gè)儀表型號。LS9000-X儀表外部為不銹鋼防護(hù)外殼，內(nèi)置了水冷卻系統(tǒng)，吹掃空氣增強(qiáng)管路，方便維護(hù)的快速更換光學(xué)窗，儀表鏡頭除塵系統(tǒng)，可以應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場，提供穩(wěn)定可靠高精度的速度測量。

3 LS9000-310X系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

安裝距離：1000毫米，測量景深：100毫米，速度測量范圍：-12000m/min—+12000m/min，線性精度：優(yōu)于0.05%，重復(fù)性精度：優(yōu)于0.02%，測量加速度范圍：>500米/秒平方，測量刷新速率：>100000/秒，邊緣長度誤差糾正：可啟用。

LS9000系統(tǒng)輸出：（1）模擬量輸出：一路，輸出速度信號時(shí)，0-2V，輸出QF信號時(shí)，0-1V；（2）脈沖信號輸出：二路，光電隔離輸出，脈沖信號幅值5V-24V可設(shè)置，最高脈沖頻率250K，每米脈沖分辨率可調(diào)，脈沖信號幅值固定為5V，RS422驅(qū)動(dòng)，最高脈沖頻率5M，每米脈沖分辨率可調(diào)。（3）串行數(shù)據(jù)輸出：RS-232信號一路；數(shù)據(jù)內(nèi)容：速度；長度；QF；激光二極管溫度監(jiān)控；儀表快門位置；有鋼信號；有效測量；系統(tǒng)準(zhǔn)備狀態(tài)信號；RS-422信號一路數(shù)據(jù)內(nèi)容：速度；長度；QF；激光二極管溫度監(jiān)控；儀表快門位置；有鋼信號；有效測量；系統(tǒng)準(zhǔn)備狀態(tài)信號。（4）以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)內(nèi)置工業(yè)以太網(wǎng)接口；數(shù)據(jù)內(nèi)容：速度；長度；QF；激光二極管溫度監(jiān)控；儀表快門位置；有鋼信號；有效測量；系統(tǒng)準(zhǔn)備狀態(tài)信號。（5）LS9000系統(tǒng)工輔要求：電源：220VAC，1kW；儀表尺寸：305X229X153毫米儀表重量：25kG，環(huán)境溫度要求：-10-150度冷卻水流量：1.0-3.8升/分鐘。光路吹掃空氣。ISO-8573-1，顆粒要求3級?？諝獯祾邏毫Γ?-7Bar。空氣流量約1300升/分鐘；相對濕度要求：無冷凝；防護(hù)等級：IP67。（6）專用電纜：LS9000專用電纜的防護(hù)要求通過美國軍用標(biāo)準(zhǔn)測試。其連接LS9000核心儀表與I/O模塊的接頭如下：左邊圓形接頭連接LS9000核心儀表；右側(cè)DB-37連接I/O模塊。

4 現(xiàn)場設(shè)計(jì)分工

系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝，配線由乙方提出具體要求，甲方負(fù)責(zé)安裝配線，乙方提供安裝指導(dǎo)調(diào)試。

5 結(jié)束語

激光多普勒測速系統(tǒng)全套裝置安裝一般僅用幾小時(shí)就可以完成。在對接所需軟件及計(jì)算機(jī)硬件后開始采集數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)反應(yīng)快捷、精確，二級系統(tǒng)每秒鐘可根據(jù)采集的40多個(gè)數(shù)據(jù)記錄一次鑄流速度。這樣在很短時(shí)間里就充分驗(yàn)證了激光測速的適用性和可靠性。系統(tǒng)效果好，并顯示出多功能性。

參考文獻(xiàn)

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