激光测速仪在冷轧机中的应用研究

侯玉伟

摘 要：本文分析了激光测速仪的组成及结构特点，介绍了激光测速仪的工作原理，提出了操作维护人员在实际工作中应注意的一些问题，旨在为相关研究提供借鉴。

关键词：激光测速仪;冷轧机;测量原理;秒流量

中图分类号：TG334.9 文献标识码：A 文章编号：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

测速仪用来测量机架间带钢速度，为各机架的秒流量控制提供准确的速度信号。速度测量精度将直接影响轧机秒流量控制精度，从而影响带钢的厚度偏差。因此，本文选用美国BETA公司非接触式高精度的激光测速仪LaserSpeed8000X-2，主要介绍了激光测速仪的原理、组成和应用。

1 测量原理

激光测速仪的工作原理基于多普勒效应，即当波源和接收器之间有相对运动时，接收器接收到波的频率与波源发出频率不同的现象。例如，从激光源发出一束激光，经过一个分光器后分为两束完全相同的激光，这两束激光在运动带钢的表面交叉成一个角度，并在此产生干涉形成一个明暗相间的条纹。条纹间隔d取决于光线交叉角度k和激光波长λ，该数据都是已知常量。从带钢表面散射会来的光线是速度测量的基础，表示两束激光干涉的强度和带钢的速度相关。散射光线的一部分被接收单元前面的镜头收集并聚焦到检测器，检测器的输出信号为载有散射光线的调制频率f，正比于带钢运行的速度，d可以由两条激光的干涉角度k和激光波长λ求出，f由计算单元通过（Fast Fourier Transform Algorithm，FFT）得到，从而可以计算出带钢运行的速度V，如式（1）所示：

[λ2sinkt=1fv=dt]                                    （1）

2 系统组成

一套完整的装置由一个控制單元和激光单元组成。激光单元置于一个保护盒子内，该盒子中包括激光发生、发射和接收单元、信号处理单元等。控制单元由电源单元和信号处理单元组成。激光发生源产生的激光经发射单元在带钢表面形成干涉，干涉光线通过散射进入接收单元并经处理后产生频率调制信号，然后该信号进入控制单元，最后由控制单元计算出带钢运行的速度并经PROFIBUS接口或直接模拟量连接送到自动化系统。

3 通信方式

LaserSpeed8000X-2激光测速仪支持RS232和RS422两种串行通信方式。RS232通过DB-25接头的1和2针脚实现，RS422通过DB-9接头的1—4针脚实现。通信参数设置可以通过BETA的配置软件LaserTrak实现，如表1所示。

表1 测速仪DB-25接头的通信方式

[测速仪DB-25接头 测速仪信号 PC DB-9接头 PC信号 1 RS232发送 2 RS232接收 2 RS232接收 3 RS232发送 11，19，21 信号地 5 信号地 ]

DB-25针脚描述如下。第一，RS232发送（传感器→用户）。第二，RS232接收（用户→传感器）。第三，RS422发送+（传感器→用户）。第四，脉冲输出-A相反向。第五，RS422发送-（传感器→用户）。第六，脉冲输出-B相正向。第七，RS422接收+（用户→传感器）。第八，脉冲输出-B相反向。第九，RS422接收–（用户→传感器）。第十，材料预设输入。第十一，信号地，用于输入/输出/串行口。第十二，电源地，用于24V输入。第十三，电源地，用于24V输入。第十四，测量方向输入。第十五，脉冲输出-A相正向。第十六，激光连锁（接到Pin11、18、19、21使能）。第十七，快门控制（接到Pin11、18、19、21使能）。第十八，信号地，用于输入/输出/串行口。第十九，信号地，用于输入/输出/串行口。第二十，用户输入Vin：用于隔离脉冲输出电压（5—28VDC）;如果没有用户输入电压，则输出脉冲为TTL电平或者说高电平最小为3.7V。第二十一，信号地，用于输入/输出/串行口。第二十二，模拟量输出：0～2V，用于速度;或者0～1V，用于品质因素。第二十三，模拟量参考接地（和信号地pin11、18、19、21一样）。第二十四，+24V电源输入（带有熔断保护）。第二十五，+24V电源输入（带有熔断保护）。

pin16（激光连锁）接到信号地（pin11、19、21），证明激光是可操作的。pin17（快门控制）接到信号地（pin11、19、21），快门打开。检查钥匙开关，确认激光电源可控。任何时候都不要直接看激光源，系统电源断开后，激光有一定延迟，就像激光源的启动有延迟一样，接口电缆要有所屏蔽。

4 秒流量控制

所谓秒流量控制，即根据金属在轧制前后体积不变的原理来计算带材出口厚度并加以控制的方法。根据轧制前后秒流量相等原则，忽略宽展。秒流量控制方式利用了带材在轧制前后流量不变的原理，不管是什么原因造成的出口厚度波动均会反映到入、出口速度变化上。因此，只要能够精确测量带材入、出口速度及入口厚度，即可得到辊缝出口处的带材厚度，通过闭环控制快速消除来料厚度变化、来料塑性系数变化、轧辊偏心、张力波动以及升降速等因素造成的厚度波动。

5 主要参数

①测量范围：1～1 500m/min;②数字增量：1mm/sec;③精度：±0.025%（在100mm测量范围内）;④重复性±0.01%（在100mm测量范围内）。

6 影响系统精度的主要因素

系統精度是设备元器件精度，是被测材料特性和环境条件等因素相互作用的结果。这些因素具体有多普勒频率测量、干涉条纹间距、传感器定位、测量景深和冷却水温度等。景深对测量精度以及传感器冷却的冷却水温度对激光测速仪测量精度有重要影响，随着冷却水温度上升和下降，传感器盒也随之膨胀和收缩，这种膨胀和收缩导致激光束角度发生变化。激光测速仪的精度取决于良好的信噪比，影响信噪比的因素有带钢对激光的散射程度、光学窗的清洁度、传感器和带钢之间的空气质量、带钢和激光束之间的入射角及材料吸收特性[1]。

7 维护和保养

轧机在轧制过程中，由于环境恶劣，造成测速仪在测量过程中测量数据波动。对于这一现象，相关单位可以加长测量光路测量管长度，固定好测量管，以免轧机在轧制过程中由于震动使激光照射到测量管上，产生数据波动。此外，加强压缩空气吹扫，使带钢表面没有残留的乳化液，影响测量数据。在日常维护中，要检查压缩空气的压力是否正常，管路测量管是否有偏移，冷却水压力是否正常，激光测速仪密封是否完好，有无乳化液渗漏，光学窗是否清洁完好等问题。

8 结语

激光测速仪可以在各种恶劣的环境中工作，是一种非接触式测量系统，不干扰流场，适合于易变流场、空间狭小流场、流体有毒或有腐蚀性物资的流质以及超高温场所。此外，还具有以下优点：①可测速度的范围广，从零速度到超音速都能测量;②测量精度高，重复性好，不受环境（气压、温度、湿度）的影响;③轧机厚度控制系统采用秒流量控制方式，可以避免选用出口测厚仪测量带材厚度而产生的纯滞后现象，能够显著提高厚度控制的响应速度和稳定性，对于因来料厚度变化、来料塑性系数变化、轧辊偏心、张力波动以及升降速等诸多因素造成的带材出口厚度波动均具有很强的抑制作用。安钢冷轧至投产以来，激光测速仪工作稳定、故障率低，为冷轧顺利生产保驾护航。

参考文献：

[1]华宏.轧机AGC系统的秒流量控制[J].有色设备，2012（1）：32-34.