激光測(cè)速儀在冷軋機(jī)中的應(yīng)用研究

侯玉偉

摘 要：本文分析了激光測(cè)速儀的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了激光測(cè)速儀的工作原理，提出了操作維護(hù)人員在實(shí)際工作中應(yīng)注意的一些問題，旨在為相關(guān)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)速儀;冷軋機(jī);測(cè)量原理;秒流量

中圖分類號(hào)：TG334.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）14-0076-02

Application Research of Laser Speedometer in Cold Rolling Mill

HOU Yuwei

（Anyang Iron Steel Corporation of Henan Province Cold Rolling Co.， Ltd.，Anyang Henan 455000）

Abstract： This paper analyzed the composition and structure characteristics of laser speedometer， introduced the working principle of laser speedometer， and put forward some problems that should be paid attention to in the practical work of operation maintenance personnel， in order to provide reference for relevant research.

Keywords： laser velocimeter;cold rolling mill; measurement principle; second flow rate

測(cè)速儀用來測(cè)量機(jī)架間帶鋼速度，為各機(jī)架的秒流量控制提供準(zhǔn)確的速度信號(hào)。速度測(cè)量精度將直接影響軋機(jī)秒流量控制精度，從而影響帶鋼的厚度偏差。因此，本文選用美國(guó)BETA公司非接觸式高精度的激光測(cè)速儀LaserSpeed8000X-2，主要介紹了激光測(cè)速儀的原理、組成和應(yīng)用。

1 測(cè)量原理

激光測(cè)速儀的工作原理基于多普勒效應(yīng)，即當(dāng)波源和接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到波的頻率與波源發(fā)出頻率不同的現(xiàn)象。例如，從激光源發(fā)出一束激光，經(jīng)過一個(gè)分光器后分為兩束完全相同的激光，這兩束激光在運(yùn)動(dòng)帶鋼的表面交叉成一個(gè)角度，并在此產(chǎn)生干涉形成一個(gè)明暗相間的條紋。條紋間隔d取決于光線交叉角度k和激光波長(zhǎng)λ，該數(shù)據(jù)都是已知常量。從帶鋼表面散射會(huì)來的光線是速度測(cè)量的基礎(chǔ)，表示兩束激光干涉的強(qiáng)度和帶鋼的速度相關(guān)。散射光線的一部分被接收單元前面的鏡頭收集并聚焦到檢測(cè)器，檢測(cè)器的輸出信號(hào)為載有散射光線的調(diào)制頻率f，正比于帶鋼運(yùn)行的速度，d可以由兩條激光的干涉角度k和激光波長(zhǎng)λ求出，f由計(jì)算單元通過（Fast Fourier Transform Algorithm，F(xiàn)FT）得到，從而可以計(jì)算出帶鋼運(yùn)行的速度V，如式（1）所示：

[λ2sinkt=1fv=dt] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

2 系統(tǒng)組成

一套完整的裝置由一個(gè)控制單元和激光單元組成。激光單元置于一個(gè)保護(hù)盒子內(nèi)，該盒子中包括激光發(fā)生、發(fā)射和接收單元、信號(hào)處理單元等。控制單元由電源單元和信號(hào)處理單元組成。激光發(fā)生源產(chǎn)生的激光經(jīng)發(fā)射單元在帶鋼表面形成干涉，干涉光線通過散射進(jìn)入接收單元并經(jīng)處理后產(chǎn)生頻率調(diào)制信號(hào)，然后該信號(hào)進(jìn)入控制單元，最后由控制單元計(jì)算出帶鋼運(yùn)行的速度并經(jīng)PROFIBUS接口或直接模擬量連接送到自動(dòng)化系統(tǒng)。

3 通信方式

LaserSpeed8000X-2激光測(cè)速儀支持RS232和RS422兩種串行通信方式。RS232通過DB-25接頭的1和2針腳實(shí)現(xiàn)，RS422通過DB-9接頭的1—4針腳實(shí)現(xiàn)。通信參數(shù)設(shè)置可以通過BETA的配置軟件LaserTrak實(shí)現(xiàn)，如表1所示。

表1 測(cè)速儀DB-25接頭的通信方式

[測(cè)速儀DB-25接頭 測(cè)速儀信號(hào) PC DB-9接頭 PC信號(hào) 1 RS232發(fā)送 2 RS232接收 2 RS232接收 3 RS232發(fā)送 11，19，21 信號(hào)地 5 信號(hào)地 ]

DB-25針腳描述如下。第一，RS232發(fā)送（傳感器→用戶）。第二，RS232接收（用戶→傳感器）。第三，RS422發(fā)送+（傳感器→用戶）。第四，脈沖輸出-A相反向。第五，RS422發(fā)送-（傳感器→用戶）。第六，脈沖輸出-B相正向。第七，RS422接收+（用戶→傳感器）。第八，脈沖輸出-B相反向。第九，RS422接收–（用戶→傳感器）。第十，材料預(yù)設(shè)輸入。第十一，信號(hào)地，用于輸入/輸出/串行口。第十二，電源地，用于24V輸入。第十三，電源地，用于24V輸入。第十四，測(cè)量方向輸入。第十五，脈沖輸出-A相正向。第十六，激光連鎖（接到Pin11、18、19、21使能）。第十七，快門控制（接到Pin11、18、19、21使能）。第十八，信號(hào)地，用于輸入/輸出/串行口。第十九，信號(hào)地，用于輸入/輸出/串行口。第二十，用戶輸入Vin：用于隔離脈沖輸出電壓（5—28VDC）;如果沒有用戶輸入電壓，則輸出脈沖為TTL電平或者說高電平最小為3.7V。第二十一，信號(hào)地，用于輸入/輸出/串行口。第二十二，模擬量輸出：0～2V，用于速度;或者0～1V，用于品質(zhì)因素。第二十三，模擬量參考接地（和信號(hào)地pin11、18、19、21一樣）。第二十四，+24V電源輸入（帶有熔斷保護(hù)）。第二十五，+24V電源輸入（帶有熔斷保護(hù)）。

pin16（激光連鎖）接到信號(hào)地（pin11、19、21），證明激光是可操作的。pin17（快門控制）接到信號(hào)地（pin11、19、21），快門打開。檢查鑰匙開關(guān)，確認(rèn)激光電源可控。任何時(shí)候都不要直接看激光源，系統(tǒng)電源斷開后，激光有一定延遲，就像激光源的啟動(dòng)有延遲一樣，接口電纜要有所屏蔽。

4 秒流量控制

所謂秒流量控制，即根據(jù)金屬在軋制前后體積不變的原理來計(jì)算帶材出口厚度并加以控制的方法。根據(jù)軋制前后秒流量相等原則，忽略寬展。秒流量控制方式利用了帶材在軋制前后流量不變的原理，不管是什么原因造成的出口厚度波動(dòng)均會(huì)反映到入、出口速度變化上。因此，只要能夠精確測(cè)量帶材入、出口速度及入口厚度，即可得到輥縫出口處的帶材厚度，通過閉環(huán)控制快速消除來料厚度變化、來料塑性系數(shù)變化、軋輥偏心、張力波動(dòng)以及升降速等因素造成的厚度波動(dòng)。

5 主要參數(shù)

①測(cè)量范圍：1～1 500m/min;②數(shù)字增量：1mm/sec;③精度：±0.025%（在100mm測(cè)量范圍內(nèi)）;④重復(fù)性±0.01%（在100mm測(cè)量范圍內(nèi)）。

6 影響系統(tǒng)精度的主要因素

系統(tǒng)精度是設(shè)備元器件精度，是被測(cè)材料特性和環(huán)境條件等因素相互作用的結(jié)果。這些因素具體有多普勒頻率測(cè)量、干涉條紋間距、傳感器定位、測(cè)量景深和冷卻水溫度等。景深對(duì)測(cè)量精度以及傳感器冷卻的冷卻水溫度對(duì)激光測(cè)速儀測(cè)量精度有重要影響，隨著冷卻水溫度上升和下降，傳感器盒也隨之膨脹和收縮，這種膨脹和收縮導(dǎo)致激光束角度發(fā)生變化。激光測(cè)速儀的精度取決于良好的信噪比，影響信噪比的因素有帶鋼對(duì)激光的散射程度、光學(xué)窗的清潔度、傳感器和帶鋼之間的空氣質(zhì)量、帶鋼和激光束之間的入射角及材料吸收特性[1]。

7 維護(hù)和保養(yǎng)

軋機(jī)在軋制過程中，由于環(huán)境惡劣，造成測(cè)速儀在測(cè)量過程中測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)。對(duì)于這一現(xiàn)象，相關(guān)單位可以加長(zhǎng)測(cè)量光路測(cè)量管長(zhǎng)度，固定好測(cè)量管，以免軋機(jī)在軋制過程中由于震動(dòng)使激光照射到測(cè)量管上，產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動(dòng)。此外，加強(qiáng)壓縮空氣吹掃，使帶鋼表面沒有殘留的乳化液，影響測(cè)量數(shù)據(jù)。在日常維護(hù)中，要檢查壓縮空氣的壓力是否正常，管路測(cè)量管是否有偏移，冷卻水壓力是否正常，激光測(cè)速儀密封是否完好，有無(wú)乳化液滲漏，光學(xué)窗是否清潔完好等問題。

8 結(jié)語(yǔ)

激光測(cè)速儀可以在各種惡劣的環(huán)境中工作，是一種非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，不干擾流場(chǎng)，適合于易變流場(chǎng)、空間狹小流場(chǎng)、流體有毒或有腐蝕性物資的流質(zhì)以及超高溫場(chǎng)所。此外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可測(cè)速度的范圍廣，從零速度到超音速都能測(cè)量;②測(cè)量精度高，重復(fù)性好，不受環(huán)境（氣壓、溫度、濕度）的影響;③軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)采用秒流量控制方式，可以避免選用出口測(cè)厚儀測(cè)量帶材厚度而產(chǎn)生的純滯后現(xiàn)象，能夠顯著提高厚度控制的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，對(duì)于因來料厚度變化、來料塑性系數(shù)變化、軋輥偏心、張力波動(dòng)以及升降速等諸多因素造成的帶材出口厚度波動(dòng)均具有很強(qiáng)的抑制作用。安鋼冷軋至投產(chǎn)以來，激光測(cè)速儀工作穩(wěn)定、故障率低，為冷軋順利生產(chǎn)保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]華宏.軋機(jī)AGC系統(tǒng)的秒流量控制[J].有色設(shè)備，2012（1）：32-34.