激光多普勒测速测长系统 点击：678 | 回复：6
发表于：2008-04-12 07:36:29
楼主
激光多普勒测速测长系统，是利用激光多普勒原理实现多物体进行二维或三纬速度测量的仪表系统。自60年代提出系统原理，经过几十年的发展已经非常成熟，除了在流体研究等领域应用外，目前应用最成熟的行业就是在金属加工领域。
BETA LaserMike公司在2002年收购TSI公司激光多普勒系统表面速度测量产线后，在国内的推广应用更加深入，比较典型的应用比如在钢铁或有色金属的冷轧，冷连轧中参与AGC，秒流量控制，显著提高板材的厚度控制水平，在平整机中参与对延长率的控制，在优化剪切中配合测宽系统进行板形跟踪，无缝钢管行业中推孔后，管径测量等，以及更常规的定尺剪切等应用。目前，BETA LaserMike公司的LS8000及LS9000系列产品，已经做到了激光探头，处理器的全集成，进一步提高了系统的可靠性。
BETA LaserMike公司在2002年收购TSI公司激光多普勒系统表面速度测量产线后，在国内的推广应用更加深入，比较典型的应用比如在钢铁或有色金属的冷轧，冷连轧中参与AGC，秒流量控制，显著提高板材的厚度控制水平，在平整机中参与对延长率的控制，在优化剪切中配合测宽系统进行板形跟踪，无缝钢管行业中推孔后，管径测量等，以及更常规的定尺剪切等应用。目前，BETA LaserMike公司的LS8000及LS9000系列产品，已经做到了激光探头，处理器的全集成，进一步提高了系统的可靠性。
发表于：2008-04-12 08:26:34
1楼
BETA LaserMike 激光多普勒测速测长系统
如上图中，为集成一体化的测速测长系统。
1 为FPGA 信号处理部分。
2 为半导体激光二极管及半导体制冷器件
3 为棱镜分光系统
4 为测量区域。
测速测长原理如下：
由激光二极管辐射的激光，经棱镜分光后，在板带表面交叉，板带表面的金属晶粒结构运动时，散射的激光频率由于多普勒效应产生变化。该变化与运动速度相关。用多普勒效应解释比较繁杂。我们发现，可以用激光干涉解释这个过程，得出的结果一致，而且便于理解。
如上图，
两束激光相交，产生干涉，由于不同区域的激光幅值互相加强，或是互相抵消，形成一个明暗条纹间隔排列的空间区域。板带在该区域中运动。
想象板带表面的一个晶格结构，由右向左的通过该区域时，在明亮条纹内，该结构将散射一个光信号；在暗条纹内，该结构不产生散射。则全部通过该区域后，由系统的光子检测器可以得到一个如上图中的波动信号。
条纹区域中，两条明亮条纹或暗条纹的间隔距离 D 可以由公式：
D=l/(2sineK)
l为激光波长
K 为两束激光夹角的一半。
由此可见，当l已知，K已知时，间距D为已知。
晶粒运动的速度 V=D/T，
由上图中，可以知道 T=1/F，
F 即为该波动的频率。
所以，V=D*F， 即 运动速度与测量得出的频率直接相关。该频率，即是由多普勒效应产生的频率移动。
（用这个方法解释这个过程比用多普勒效应解释要比较容易理解，而且，得到的结果一致）
而频率量，在电子检测系统中属于比较容易得到的值。
同时，对速度V对时间进行积分，得到
即通过测量区域的板带长度。
如上图中，为集成一体化的测速测长系统。
1 为FPGA 信号处理部分。
2 为半导体激光二极管及半导体制冷器件
3 为棱镜分光系统
4 为测量区域。
测速测长原理如下：
由激光二极管辐射的激光，经棱镜分光后，在板带表面交叉，板带表面的金属晶粒结构运动时，散射的激光频率由于多普勒效应产生变化。该变化与运动速度相关。用多普勒效应解释比较繁杂。我们发现，可以用激光干涉解释这个过程，得出的结果一致，而且便于理解。
如上图，
两束激光相交，产生干涉，由于不同区域的激光幅值互相加强，或是互相抵消，形成一个明暗条纹间隔排列的空间区域。板带在该区域中运动。
想象板带表面的一个晶格结构，由右向左的通过该区域时，在明亮条纹内，该结构将散射一个光信号；在暗条纹内，该结构不产生散射。则全部通过该区域后，由系统的光子检测器可以得到一个如上图中的波动信号。
条纹区域中，两条明亮条纹或暗条纹的间隔距离 D 可以由公式：
D=l/(2sineK)
l为激光波长
K 为两束激光夹角的一半。
由此可见，当l已知，K已知时，间距D为已知。
晶粒运动的速度 V=D/T，
由上图中，可以知道 T=1/F，
F 即为该波动的频率。
所以，V=D*F， 即 运动速度与测量得出的频率直接相关。该频率，即是由多普勒效应产生的频率移动。
（用这个方法解释这个过程比用多普勒效应解释要比较容易理解，而且，得到的结果一致）
而频率量，在电子检测系统中属于比较容易得到的值。
同时，对速度V对时间进行积分，得到
即通过测量区域的板带长度。
发表于：2008-04-13 09:57:53
5楼
关于激光多普勒测速测长系统中激光源的选用：
在工业现场使用的激光多普勒测速系统中，大多采用固体激光二极管做为光源。
BETA LaserMike公司典型的使用峰值功率为40毫瓦的激光二极管。
固态的激光二极管的优点是：
在其正常的寿命期间内，其功率下降不明显。当接近或达到二极管的使用寿命时，
二极管辐射的激光功率会急剧下降，需要更换。
激光二极管的缺点则是，二极管辐射的激光波长相对于二极管工作温度的稳定区间
比较小，典型的仅有一到两摄氏度的范围。
HE-NE激光管的特点则正好相反：
其辐射的激光的波长非常稳定；
但是，HE-NE激光管的辐射功率随其使用时间的变化基本上是线性的下降。
考虑到用在工业现场的激光多普勒测速测长系统都是连续工作，目前，采用HE-NE激光管
的测速测长系统已经非常少，如果采用HE-NE激光管，则很有可能在寿命中期就需要更换该激光管，
因为此时，辐射功率的下降已经使的信号的质量因子变的非常糟糕，无法满足测量要求。（实验室，研究机构比较多）。
由上面我发的帖子可以知道：
在激光多普勒测速测长系统中，非常关键的一个量是干涉条纹的间距D
该值D是由D= l/2sineK ( l 为 激光波长，K为两束激光夹角的一半）
则从原理上影响激光多普勒测速测长系统的变量有：
激光的工作波长 l 和 两束激光的夹角2K；
夹角2K在制造激光测速测长系统的棱镜系统时是由棱镜本体物理确定，工作中不会变化。
影响测速精度的则只有一个量，激光波长 l;
激光波长除了与工作温度存在一个相关关系，很大程度还受激光二极管的工作电流影响。
考虑到二极管激光的波长与工作温度的关系，不同的激光波长的二极管与温度的关系也不
相同。
BETA LaserMike采用的是近红外的780nm的激光二极管，多年的经验表明，这个波长
区域的激光二极管与温度的相关曲线的跳动（？）（ 老外叫 mode hop, 实在是不知道该怎么翻译，我现在还
不能发图，郁闷，有曲线就看的很清楚了）比较小，在工作时，将二极管的工作温度控制在28摄食度左右时，
辐射的波长存在一个近2摄食度（二极管的工作温度）的稳定温度范围，该温度的控制是利用 半导体制冷来实现。
对激光二极管的工作电流的精确控制是保证测量精度的另一个前提，对电流的控制这个大家都比较熟悉。
综上，通过对激光二极管的工作波长的选择，（主要是寻找某一波长的二极管，该波长可以在相对更大的温度
变化范围内保持稳定）确定采用某一固定波长的激光。
然后，通过对二极管工作温度和工作电流的控制，来使的该二极管辐射的激光波长稳定在指标范围内，是保证激光多普勒测速测长系统精度的前提。
多年的实践证明，780nm,28.1 摄食度，针对工业现场来说，非常理想。
在工业现场使用的激光多普勒测速系统中，大多采用固体激光二极管做为光源。
BETA LaserMike公司典型的使用峰值功率为40毫瓦的激光二极管。
固态的激光二极管的优点是：
在其正常的寿命期间内，其功率下降不明显。当接近或达到二极管的使用寿命时，
二极管辐射的激光功率会急剧下降，需要更换。
激光二极管的缺点则是，二极管辐射的激光波长相对于二极管工作温度的稳定区间
比较小，典型的仅有一到两摄氏度的范围。
HE-NE激光管的特点则正好相反：
其辐射的激光的波长非常稳定；
但是，HE-NE激光管的辐射功率随其使用时间的变化基本上是线性的下降。
考虑到用在工业现场的激光多普勒测速测长系统都是连续工作，目前，采用HE-NE激光管
的测速测长系统已经非常少，如果采用HE-NE激光管，则很有可能在寿命中期就需要更换该激光管，
因为此时，辐射功率的下降已经使的信号的质量因子变的非常糟糕，无法满足测量要求。（实验室，研究机构比较多）。
由上面我发的帖子可以知道：
在激光多普勒测速测长系统中，非常关键的一个量是干涉条纹的间距D
该值D是由D= l/2sineK ( l 为 激光波长，K为两束激光夹角的一半）
则从原理上影响激光多普勒测速测长系统的变量有：
激光的工作波长 l 和 两束激光的夹角2K；
夹角2K在制造激光测速测长系统的棱镜系统时是由棱镜本体物理确定，工作中不会变化。
影响测速精度的则只有一个量，激光波长 l;
激光波长除了与工作温度存在一个相关关系，很大程度还受激光二极管的工作电流影响。
考虑到二极管激光的波长与工作温度的关系，不同的激光波长的二极管与温度的关系也不
相同。
BETA LaserMike采用的是近红外的780nm的激光二极管，多年的经验表明，这个波长
区域的激光二极管与温度的相关曲线的跳动（？）（ 老外叫 mode hop, 实在是不知道该怎么翻译，我现在还
不能发图，郁闷，有曲线就看的很清楚了）比较小，在工作时，将二极管的工作温度控制在28摄食度左右时，
辐射的波长存在一个近2摄食度（二极管的工作温度）的稳定温度范围，该温度的控制是利用 半导体制冷来实现。
对激光二极管的工作电流的精确控制是保证测量精度的另一个前提，对电流的控制这个大家都比较熟悉。
综上，通过对激光二极管的工作波长的选择，（主要是寻找某一波长的二极管，该波长可以在相对更大的温度
变化范围内保持稳定）确定采用某一固定波长的激光。
然后，通过对二极管工作温度和工作电流的控制，来使的该二极管辐射的激光波长稳定在指标范围内，是保证激光多普勒测速测长系统精度的前提。
多年的实践证明，780nm,28.1 摄食度，针对工业现场来说，非常理想。
发表于：2008-04-17 22:30:49
6楼
BETA LaserMike公司在70年代开始把激光多普勒测速系统商品化后，最开始主要是应用在流体特性研究，更多的集中在军工领域.
1984年，BETA LaserMike公司率先将该技术应用在金属领域,当时开发的激光测速系统型号为 Model 1902型,金属行业第一家壳户
是 Kaiser Aluminum, 当时的应用是测量 铝板卷在高温状态下的长度.
Model 1902是世界上第一种应用在钢铁行业的分体式的激光测速测长系统，表现为 激光探头与信号处理器分离设计,激光探头安装在
轧制现场，通过专用电缆将高频的多普勒信号传递到信号处理器进行处理,输出速度及长度信号.
激光测速测长系统相对于传统的测速测长系统--编码器或测速电机的优势是:
1)编码器或测速马达测量都是依靠测速辊与被测量物体的摩擦来实现的，存在摩擦的地方就会有相对滑动的存在,尤其是在速度变化的
过程中滑动更明显,此时会产生较明显的误差;而激光多普勒系统是非接触测量,从原理上消除了这个误差
2)接触式测量过程中,当生产的产品为对表面光洁度要求非常高的产品时,比如不锈钢板带,容易对表面产生损伤.天津某不锈钢生产商就遇到
过该类问题,后采用激光多普勒测量系统解决.
3)编码器或测速马达是机械类产品，长期的运转存在机械磨损,从而影响到测量精度. 而激光多普勒产品属于光学仪器,内部没有机械磨损,不
存在随运行时间而测量精度变化的问题.
4)在钢铁的轧机或平整机运行过程中,由于在板带上有巨大的张力,在高速运行中会产生高频振动,对接触式的测速系统影响非常大;比如在平整
机上,采用编码器对平整机的延长率进行控制时,实际测量的 结果是板带平整后的延长率是在3%--15%之间变化,升速,或降速时编码器信号由于
摩擦打滑的影响无法参与控制.冷轧板带的延长率直接影响的是深冲性能,延长率控制不好，生产的成品板带的质量级别无法提高，无法满足
比如家电生产企业,汽车生产企业等对深冲成型性能要求非常高的企业的要求。采用激光测速系统进行控制时,延长率一般可以控制在目标值
的0.25%左右波动，优势非常明显.而且轧机的升速,降速对其性能无任何影响,所以整卷钢带的成材率可以高达97%以上,效益非常明显.而采用
编码器时,由于受到诸多限制，成材率一般低于85%.
1984年，BETA LaserMike公司率先将该技术应用在金属领域,当时开发的激光测速系统型号为 Model 1902型,金属行业第一家壳户
是 Kaiser Aluminum, 当时的应用是测量 铝板卷在高温状态下的长度.
Model 1902是世界上第一种应用在钢铁行业的分体式的激光测速测长系统，表现为 激光探头与信号处理器分离设计,激光探头安装在
轧制现场，通过专用电缆将高频的多普勒信号传递到信号处理器进行处理,输出速度及长度信号.
激光测速测长系统相对于传统的测速测长系统--编码器或测速电机的优势是:
1)编码器或测速马达测量都是依靠测速辊与被测量物体的摩擦来实现的，存在摩擦的地方就会有相对滑动的存在,尤其是在速度变化的
过程中滑动更明显,此时会产生较明显的误差;而激光多普勒系统是非接触测量,从原理上消除了这个误差
2)接触式测量过程中,当生产的产品为对表面光洁度要求非常高的产品时,比如不锈钢板带,容易对表面产生损伤.天津某不锈钢生产商就遇到
过该类问题,后采用激光多普勒测量系统解决.
3)编码器或测速马达是机械类产品，长期的运转存在机械磨损,从而影响到测量精度. 而激光多普勒产品属于光学仪器,内部没有机械磨损,不
存在随运行时间而测量精度变化的问题.
4)在钢铁的轧机或平整机运行过程中,由于在板带上有巨大的张力,在高速运行中会产生高频振动,对接触式的测速系统影响非常大;比如在平整
机上,采用编码器对平整机的延长率进行控制时,实际测量的 结果是板带平整后的延长率是在3%--15%之间变化,升速,或降速时编码器信号由于
摩擦打滑的影响无法参与控制.冷轧板带的延长率直接影响的是深冲性能,延长率控制不好，生产的成品板带的质量级别无法提高，无法满足
比如家电生产企业,汽车生产企业等对深冲成型性能要求非常高的企业的要求。采用激光测速系统进行控制时,延长率一般可以控制在目标值
的0.25%左右波动，优势非常明显.而且轧机的升速,降速对其性能无任何影响,所以整卷钢带的成材率可以高达97%以上,效益非常明显.而采用
编码器时,由于受到诸多限制，成材率一般低于85%.
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