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多普勒激光测量仪原理简析及应用

2008/12/5    来源:e-works    特约撰稿人:岳临萍      
关键字:多普勒激光  传感器  条纹间隔  偏移量  外差法  
为保证入炉钢坯的长度,避免轧制出现短尺,在钢坯运输辊道上增加钢坯速度、长度测量系统。多普勒激光测量仪采用多普勒激光外差技术对钢坯进行非接触式测量。该系统安装简单,检测精度高,有适合于工业环境的多种数据接口。本文从实际应用的角度出发,详细说明了LSV系列多普勒激光测量仪用于测速和长度测量的应用,着重介绍了多普勒光谱的工作原理,人机交互系统的组成和显示构架及测试过程中常见问题及解决方法,以及如何在现场选择合适的安装位置。
一、简 述

    LSV系列多普勒激光测量仪是德国POLYTEC公司的产品,在济钢中厚板厂得到较好的应用。该激光测量仪根据多普勒光谱的测量原理,具有测量精度高,维护简单的特点。根据现场的实际情况,安装在辊道的侧面,对在线钢坯进行速度和长度检测,避免短尺钢坯造成的改判率,提高了企业的效益。它属非接触测量,具动态响应快、空间分辨率高、测量范围大等优点,在测量领域有广阔的应用前景。

二、系统组成

    1、硬件组成

    多普勒激光测速和测长系统主要由以下部件组成:光学传感器组件一套,LSV系统控制器一套,传感器探头及移动架一套,数据传输线一根,上位机一台,电气控制柜一台,水冷及空气吹扫组件一套。

    2、软件架构

    2.1 软件构成

    本系统的上位机操作系统为WINDOWS 2000;编程软件是Visual C++.NET,C++语言的编程环境(IDE Integrated Development Environment),具有相同的基本数据库类型和用户定义类型以及类和接口,实现了不同语言的交互,大大简化应用程序开发,提高编程效率;数据库的设计采用SQL Server 2000,具有丰富的图形化管理工具,动态自动管理和优化功能,丰富的编程接口工具,具有很好的伸缩性,可靠性,管理方式简单。

    2.2 人机交互界面HMI

    启动PC机,进入WINDOWS 2000界面,在HMI的桌面是有两个快捷键,LSV6200用于设置激光测量仪的内置参数,监控测量数据的状态图;LSVSETUP用于运行HMI测量长度显示及报警信息画面,同时具有数据信息存储功能。

    (1)主画面:显示测量长度及钢坯模拟图示。右上角的报警信息:绿色为正常,红色为报警,说明此时激光探头的温度过高或激光器本身出现了问题(电压波动或电磁干扰等)。报警时激光器不再进行测量工作。
    (2)参数配置:可以输入钢板信息如班别,钢种,标准长度,批号等。
    (3)历史浏览:可查看历史数据。

三、测量原理分析

    多普勒激光测量仪是采用非接触传感器测量钢坯速度和长度的仪器,向板坯表面发射两束相交的激光,产生光干涉现象,形成多普勒效应。干涉条纹的移动速度与物体通过两束激光的交点的速度成正比, 大多数使用的装置并不含参考光,而是将两束等强度的光聚焦并相交在测量点处。通过接收光谱,记录干涉条纹的移动速度,就可以精确地确定钢坯的移动速度。激光测量的精确度达到±0.02%,在速度为0.1m/min时的测量精度达到±0.02mm/min。(图1)


图1 LSV激光器测量原理


    LSV激光传感器的工作运用了多普勒激光微分的基本理。多普勒激光二极管的光束被分成两个分开的光束打到被测的物体表面,形成了一个由等距为ΔS的黑亮条纹间隔的三维空间(测量体积)。  当一个粒子通过条纹图形时,对它返回来的亮度进行信号调制。

    1、条纹间隔

    条纹间隔ΔS是一个系统常数,它依赖于激光的波长λ和两条激光束的夹角2φ。

    --------(1)

    传感器上的光电检测器产生一个交流信号,多普勒频率fD与测量方向的速度分量VP的比例公式为:

    ----------(2)

    fD----多普勒频率; VP----测量方向上的速度分量;ΔS----测量体积内的条纹间隔

    条纹间隔ΔS表示了速度和长度测量的标准具(其上具有两面可以调节的平行反射镜)。它能准确的测量到每个传感器头并打印到识别标签上去。在配置LSV控制器时条纹间距存储到闪存中作为标准因数,因此它是一个计算测量值的基准,如果传感器头更换时,必须通过LSV软件重新设置新的条纹间距。

    2、偏移量的计算

    LSV运行在外差法的模式,即一条激光束被移动一个40MHZ的偏移量。因此测量体积中的条纹对应相应的速度移位到偏移频率fB。它这样可能检测到物体的运动方向并且从速度为零开始测量。在外差法中合力调制频率fmod如下式:

   

    LSV控制器中调制频率由傅立叶变换计算得出,换算成速度分量VP的测量值。控制器的另外功能是可以运用积分原理进行长度测量。LSV一般用于过程控制系统中,作为一个智能传感器用于速度和长度的测量,可以实现用户自定义接口。

    3、LSV传感器的光学配置


图2 LSV传感器组成


    如上图所示,从激光二极管发出的稳定波长的光束通过布拉格单元被分成强度相等的两个光束,其中的一条光学频率被移位到40MHZ。光束分离器将两条光束分隔成两个空间。用三个棱镜在一定的距离内将两束光调整通过。从测量物体散射回来的光通过接收光学装置和对焦距到光学检测器上,从这里检测信号被传送到控制器进行测量。

责任编辑:殷爽
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