激光多普勒测速在小方坯连铸定尺中的应用

何英春

摘 要：文章介绍了激光多普勒测速仪LS9000的原理及相关技术指标，并分析了其在小方坯连铸定尺中的现场应用。

关键词：多普勒测速；连铸；应用

1 概述

激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空航天、机械、能源等领域获得了广泛的应用和快速发展。

在一个完整的激光多普勒测速系统中，主要分为三个部分：激光发射器、光学光路系统、信号处理部分。其广泛应用于板材、管材在線切割监控，电缆或砂纸长度速度测量等；也适用于绒布、毛皮等纺织品、涂层或粘胶表面、泡沫橡胶表面物体的测速测长。

如图1所示，两束同源激光在测量区域相交后，干涉产生一个条纹立体空间；取板带经过的截面如上小图，在该区域内，形成明暗交错的条纹带。条纹间隔为d，该值由激光波长λ及两束激光间的半角k决定。

被测量钢带经过该区域的条纹带时，板带表面的微小结构颗粒结构将产生明暗交错的漫反射光信号，该信号被仪表的光子探测器转化为频率的电信号，该频率与板带速度相关。

所以，经过测量区域的被测量物体的长度可以同时输出。

2 连铸机

连铸坯定尺定重剪切控制的基本原理如图2所示，现场需要对高温板坯进行长度测量及控制。综合情况选择BETA LaserMIKE公司的LS9000-310E，专用电缆（50米）85277，85324信号端子。

该系统具有以下特点：LS9000系统，速度测量范围从-12000米/分钟到+12000米/分钟，消除传统测速系统小速度，零速度无法测量带来的误差。系统可测量板带运动方向，可自动对长度进行实时计算，无需PLC提供任何控制信号。系统为集成一体化系统，与传统测速系统比较，具有系统简单，可靠性高，免维护等特点。LS9000-310E测量景深为100毫米，可完全覆盖被测量板带的厚度变化范围；LS9000-310E接口信号丰富，可同时输出速度信号及长度信号到PLC进行控制。信号处理模块采用了10层FPGA数字电路，采用增强自相关算（enhanced autocorrelation algorithm）对多普勒信号进行处理，测量速度快，结果稳定可靠。LS9000-X系列仪表是针对工业现场环境的特点，特别设计其防护推出的一个仪表型号。LS9000-X仪表外部为不锈钢防护外壳，内置了水冷却系统，吹扫空气增强管路，方便维护的快速更换光学窗，仪表镜头除尘系统，可以应用在工业现场，提供稳定可靠高精度的速度测量。

3 LS9000-310X系统技术指标

安装距离：1000毫米，测量景深：100毫米，速度测量范围：-12000m/min—+12000m/min，线性精度：优于0.05%，重复性精度：优于0.02%，测量加速度范围：>500米/秒平方，测量刷新速率：>100000/秒，边缘长度误差纠正：可启用。

LS9000系统输出：（1）模拟量输出：一路，输出速度信号时，0-2V，输出QF信号时，0-1V；（2）脉冲信号输出：二路，光电隔离输出，脉冲信号幅值5V-24V可设置，最高脉冲频率250K，每米脉冲分辨率可调，脉冲信号幅值固定为5V，RS422驱动，最高脉冲频率5M，每米脉冲分辨率可调。（3）串行数据输出：RS-232信号一路；数据内容：速度；长度；QF；激光二极管温度监控；仪表快门位置；有钢信号；有效测量；系统准备状态信号；RS-422信号一路数据内容：速度；长度；QF；激光二极管温度监控；仪表快门位置；有钢信号；有效测量；系统准备状态信号。（4）以太网接口。系统内置工业以太网接口；数据内容：速度；长度；QF；激光二极管温度监控；仪表快门位置；有钢信号；有效测量；系统准备状态信号。（5）LS9000系统工辅要求：电源：220VAC，1kW；仪表尺寸：305X229X153毫米仪表重量：25kG，环境温度要求：-10-150度冷却水流量：1.0-3.8升/分钟。光路吹扫空气。ISO-8573-1，颗粒要求3级。空气吹扫压力：5-7Bar。空气流量约1300升/分钟；相对湿度要求：无冷凝；防护等级：IP67。（6）专用电缆：LS9000专用电缆的防护要求通过美国军用标准测试。其连接LS9000核心仪表与I/O模块的接头如下：左边圆形接头连接LS9000核心仪表；右侧DB-37连接I/O模块。

4 现场设计分工

系统的现场安装，配线由乙方提出具体要求，甲方负责安装配线，乙方提供安装指导调试。

5 结束语

激光多普勒测速系统全套装置安装一般仅用几小时就可以完成。在对接所需软件及计算机硬件后开始采集数据。由于系统反应快捷、精确，二级系统每秒钟可根据采集的40多个数据记录一次铸流速度。这样在很短时间里就充分验证了激光测速的适用性和可靠性。系统效果好，并显示出多功能性。

参考文献

[1]沈雄.激光多普勒测速技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]任吉堂.连铸连轧理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[3]孙渝生，赵建新.激光多普勒测速技术最新发展[J].技术综述，1991.