激光測速儀在冷軋機中的應用研究

侯玉偉

摘 要：本文分析了激光測速儀的組成及結構特點，介紹了激光測速儀的工作原理，提出了操作維護人員在實際工作中應注意的一些問題，旨在為相關研究提供借鑒。

關鍵詞：激光測速儀;冷軋機;測量原理;秒流量

中圖分類號：TG334.9 文獻標識碼：A 文章編號：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

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

1 測量原理

激光測速儀的工作原理基于多普勒效應，即當波源和接收器之間有相對運動時，接收器接收到波的頻率與波源發出頻率不同的現象。例如，從激光源發出一束激光，經過一個分光器后分為兩束完全相同的激光，這兩束激光在運動帶鋼的表面交叉成一個角度，并在此產生干涉形成一個明暗相間的條紋。條紋間隔d取決于光線交叉角度k和激光波長λ，該數據都是已知常量。從帶鋼表面散射會來的光線是速度測量的基礎，表示兩束激光干涉的強度和帶鋼的速度相關。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器，檢測器的輸出信號為載有散射光線的調制頻率f，正比于帶鋼運行的速度，d可以由兩條激光的干涉角度k和激光波長λ求出，f由計算單元通過（Fast Fourier Transform Algorithm，FFT）得到，從而可以計算出帶鋼運行的速度V，如式（1）所示：

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

2 系統組成

一套完整的裝置由一個控制單元和激光單元組成。激光單元置于一個保護盒子內，該盒子中包括激光發生、發射和接收單元、信號處理單元等。控制單元由電源單元和信號處理單元組成。激光發生源產生的激光經發射單元在帶鋼表面形成干涉，干涉光線通過散射進入接收單元并經處理后產生頻率調制信號，然后該信號進入控制單元，最后由控制單元計算出帶鋼運行的速度并經PROFIBUS接口或直接模擬量連接送到自動化系統。

3 通信方式

LaserSpeed8000X-2激光測速儀支持RS232和RS422兩種串行通信方式。RS232通過DB-25接頭的1和2針腳實現，RS422通過DB-9接頭的1—4針腳實現。通信參數設置可以通過BETA的配置軟件LaserTrak實現，如表1所示。

表1 測速儀DB-25接頭的通信方式

[測速儀DB-25接頭 測速儀信號 PC DB-9接頭 PC信號 1 RS232發送 2 RS232接收 2 RS232接收 3 RS232發送 11，19，21 信號地 5 信號地 ]

DB-25針腳描述如下。第一，RS232發送（傳感器→用戶）。第二，RS232接收（用戶→傳感器）。第三，RS422發送+（傳感器→用戶）。第四，脈沖輸出-A相反向。第五，RS422發送-（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，材料預設輸入。第十一，信號地，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，信號地，用于輸入/輸出/串行口。第十九，信號地，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，用于品質因素。第二十三，模擬量參考接地（和信號地pin11、18、19、21一樣）。第二十四，+24V電源輸入（帶有熔斷保護）。第二十五，+24V電源輸入（帶有熔斷保護）。

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

4 秒流量控制

所謂秒流量控制，即根據金屬在軋制前后體積不變的原理來計算帶材出口厚度并加以控制的方法。根據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均會反映到入、出口速度變化上。因此，只要能夠精確測量帶材入、出口速度及入口厚度，即可得到輥縫出口處的帶材厚度，通過閉環控制快速消除來料厚度變化、來料塑性系數變化、軋輥偏心、張力波動以及升降速等因素造成的厚度波動。

5 主要參數

①測量范圍：1～1 500m/min;②數字增量：1mm/sec;③精度：±0.025%（在100mm測量范圍內）;④重復性±0.01%（在100mm測量范圍內）。

6 影響系統精度的主要因素

系統精度是設備元器件精度，是被測材料特性和環境條件等因素相互作用的結果。這些因素具體有多普勒頻率測量、干涉條紋間距、傳感器定位、測量景深和冷卻水溫度等。景深對測量精度以及傳感器冷卻的冷卻水溫度對激光測速儀測量精度有重要影響，隨著冷卻水溫度上升和下降，傳感器盒也隨之膨脹和收縮，這種膨脹和收縮導致激光束角度發生變化。激光測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激光的散射程度、光學窗的清潔度、傳感器和帶鋼之間的空氣質量、帶鋼和激光束之間的入射角及材料吸收特性[1]。

7 維護和保養

軋機在軋制過程中，由于環境惡劣，造成測速儀在測量過程中測量數據波動。對于這一現象，相關單位可以加長測量光路測量管長度，固定好測量管，以免軋機在軋制過程中由于震動使激光照射到測量管上，產生數據波動。此外，加強壓縮空氣吹掃，使帶鋼表面沒有殘留的乳化液，影響測量數據。在日常維護中，要檢查壓縮空氣的壓力是否正常，管路測量管是否有偏移，冷卻水壓力是否正常，激光測速儀密封是否完好，有無乳化液滲漏，光學窗是否清潔完好等問題。

8 結語

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

參考文獻：

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