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1、在电线电缆产品上应用激光多普勒进行非接触式高速 连续长度测量，以降低成本和提高生产力 天津六。九电缆有限公司 技术质量处 吕进 译 李凤 玉 校 一项研究发现 ，磷酸盐对钢铁表面进 行热处理时可导致磷渗透 ，并最终削弱钢 铁性能。 By Le s J e n s o n M i k e Ko r d i k 在 电线 电缆产 品上应用测量长度和速 度是非常重要的 。每个线轴都有规定的长 度 。一轴线达不到规 定的数量可能会被送 回制造商 。为了防止这一 点，制造 商通常 额外多给产 品。不半 的是 ，这种额外 的赠 送是一种浪费 。 为赠送额外的材料 ，就 是赠送额外 的钱 。他 的物质给予依
2、赖 于精 确的长度测最装 置。传统上使用接触性测 量仪测量长度。 图 1 测量带 然而 ，接触性测量仪存在 几个 问题。 现在最好的是轮式测量 仪，它是间接测量 长度和速度，有几个 素可能会影响精度 ， 例如： 滑移 发生这种情况 时，测量仪无法 正确反 映测量结果 ，从而导致测量数据太 短了。 它的数据是依赖于表面纹理 的延误 。这样 的结果是花费时间重新校准系统 ，还要考 虑到新的延误 因素 。测量双绞 电缆时，轮 子会接触 电缆的上面或下面 ，若接触下面 的轮廓线，从而会造成进一步不确切。 轮子直径增加 发生这种情况是 因为碎片 污物从产品 L 积累到轮子上 ，使轮 子直径改变 ，成为
3、改变其 延误 的因素。直径较大 的轮式测 量 仪测量 的数据会比实际大。 轮子的磨损 为了减少打滑，测量仪都是 由柔软材 料制作的，这就使他们及 易磨损 ，导致轮 子直径变小。这将导致 测量仪 的测量数据 比实际产品长度要大。这 可能影响客户使 用 。虽然这样 可以在短期 内使成本 降低 ， 但是极易导致客户退货。 通 常情况下 ，接触 性轮式测量仪 的精 度都在 I - 2之间。它们虽然便宜，但如 果包括额外的维修时间，换件费用，以及 额外 的赔偿 ，利用轮式测量仪来测量长度 和速度是非常昂贵的。 还有更多复杂和昂贵的接触式长度测 2l 量仪，他们利用 多个轮子结合带子 ，改善 测量精度。然
4、而，这些设备提供的精确度 只能不超过 0 5 。 激光多普勒测量仪 ( 激光多普勒 )是 一种 非接 触式 测量 技术测 量长度 和速 度 的。激光多普勒的应用解 决了滑移 、磨损 、 灰尘积聚和精度低 的问题 。激光多普勒设 备 已经在市场上销售 ，而且现在它们 已经 形成规模 ，且开发 了更多的功能。一个是 能高速急停，一个是方 向可逆 ，这些功能 都 已经在 电线电缆测量上 用了。 操作 激光多普勒测量仪的基本操作基理是 -阶梁。当两束发射激光被截断就会产生 两束干扰光束图形和暗条。这个图形叫做 测量带 ( 见图 1 ) 。距离 ( d )等于两个穗之 间的波长 (九)除 2倍光波角正弦
5、值 ，讨 算公式为： d： ( 1 ) 2s i nk 几乎所 有材料 都有散射光粒 子在 水平面角度形成 的显微结构表面。光通过 暗条每 时每刻都会被散射。散射光可 以被 收集并转化为电信号包含频率与速度 。 速度 ( v )等于距离( d ) 除时间( t ) ，d为 两个暗条之间的距离，t 为一个暗条到另一 个暗条所用的时间： ：一d ( 2 ) t 时间是频率的倒数 ，通过测量两个暗 条之 间的距离及频率可以得到速度。 即 =d X f 2 2 1 d： ( 3 ) 长度可 以通过测量全部时间的速度积 分得出。 L ：l v d t b ( 4 ) 从本质上讲，它是通过某一速度计算 经
6、过材料表面 的整体速度和总长度 ，以获 取准确的长度测量值 。随着被测物质通过 测量 域 ，频率 的散射光是与被测物 的速 度成正 比的。在散射光被收集后 ，由接收 光 学装置转换成 电信号。这种 电信号 ，被 数字信 号处理器 (DS P s)进行处理 ，以 取得频率 的信 息，随后测量速度 ，以此得 出测量长度 。 有 许 多 长度 和速 度测 量 使用 这种 技 术 。这是非常准确 的，几乎在所有表面测 量 中使用 。一些例子在更新文 件中提 出了 利用传统方法。虽然有许多应用这一技术 ， 在某些情 况下 ，还可 以出现一些新 的特殊 需要 ，如零速度 、扭转 、停车换轴 。在某 些情况
7、下，电缆甚至可 以反倒 。 因此 ，上述技术有两个限制：1)不 移动时没有光线越过被测物表面 ，多普勒 不产生信 号，因此，零或非常低 的速度多 普勒不能加 以衡量 ； 2 )多普勒信号等待 时，物体表面会 向前或相反 的方 向，但不 能检测方 向。应 当指出，这种类型的指标 可 以衡量正向和反 向的速度 ，只是它速度 的绝对值，没有速度方 向。图 2显示 多普 勒频率与速度振幅之间的关系 。 图 2 多普勒频率与速度振幅表 有一种声光调制器可用于 克服上面所 列的限制 。现在，激光 多普勒装置测量 电 线 电缆表面速度时，可 以确定移动方 向， 同时可 以测量非常缓慢的速度。 这种声光调制器
8、是 由水 品玻璃 ( 波被 压缩时其折射率变化 )和一个压力转换器， 在 4 0兆赫振动时，水晶玻璃造成了压缩波 的传播 。该乐缩行波对应行波 的折射率的 变化 。折射率较高的玻璃压缩较高 、折射 率低 的压缩较低 。这 就像一个移动衍射光 栅 的激光光束穿越玻璃 。衍射光栅使激光 束分成两束激光 。这 两个激光束被称为零 级梁和一阶梁 。从理论上说 ，每个波束可 以进行调整，相 于原来一半的输入激光 功率 。 零级梁穿过玻璃水 晶不变 ，一 阶梁得 到频移的晶体频率为 4 O兆赫 。频率在 4 0 兆赫的激光变化只有 0 0 0 0 0 1 4 ，凶此 ， 不会改变激光束的任何性质 ，除非改
9、变它 的频率 。 图 1，干预模式时会产生激光束的两 个相 同的频率和相位 交叉 空问。这种干预 模 式包括轻型条纹发生时，建设性 的暗条 在发生破坏性的干扰 。当声光调制器产生 两个光束 ，一个光束频率在 4 0兆赫时发生 偏 转 。这将 导 致光 学条 纹移 动 的速 度在 4 0 0 0万条纹 秒，或以同样的速度的振动频 率的压 电换能器 ，如 图 4所显示。建立新 关系的多普勒频率和速度 ，如图 5建立和 显示 。 在接近零速 时，表面光学条纹移动 的 速度为 4 0 0 0万条纹 秒 。多普勒信号在 4 0 兆赫 时，激光变化 处于停顿状态 。在 多普 勒信号大于 4 0兆赫时， 反
10、方向的条纹图( 见 图 4 ) ，在多普勒信号低于 4 0兆赫时，正 方 向的条纹图 ( 见图 5 ) 。 4 0 兆赫压缩波有效地增加了4 0 兆赫的 多普勒信号，效果是所谓 的频率变化。 与 信号处理器的频率信号相结合 的多普勒频 率加上 4 0兆赫 的转变 。速度和移动方 向的 表面可以得到的数值减去 4 0兆赫 的综合测 量值 。 不幸 的是 ，声光调制器T作在非常高 的频率 ，即 4 0兆赫。这一规定适用于速度 值非 常高的多普勒频率，可用 于 电缆移动 速度低于 1 0 0赫兹的测量 。测量分辨率和 可重复性受到损害 时， 速度较慢 时因为 使用 4 0兆赫如此高的移频被添) J
11、n -N所有 的 多普勒频率 。 它已经转变到 4 0 0 0 0 1 0 0时， 这使得它难 以解决 1 0 0赫兹的 0 O 1。有 更 多的技术，可用于将 夺同速度变慢时的 准 确 性 和 结 果 。 一 个 成 功 的 技 术 是 d o wn mi x i n g ( 如所有手机适用的东西) 。 该技术是专有 的、无法解释 的。但是 ，是 有效的，几乎所有的 4 O兆赫频率的转变 中 删 除使用 d o wn mi x i n g技术，只 留下足够 的 移频 ，以确定处于停顿状态下速度 的方 向。 重复性 2 3 测晕结果受到激光多普勒信号能力和 信号处理器质量的影 响，从嘈杂的光信
12、号 中确定确切 的频率。有多种技术改进在嘈 杂 环 境 可 重 复 性 的 信 号 。 B e t a L a s e r Mi k e 的L a s e r S p e e d 系列仪表采用最新 的信号处理算法提取最准确 的频率测量的 光信号。 这些传感器采用 了“ 双重 自动截断” 功能，采样超过 1 0至 1 5倍，实现无可 比 拟的测量精度 。利用该算法保证 了精确和 可重复测帚的所有条件。相关算法是： 图 3 多普勒声光调制 器图形 ( r ) = ( + ， ) r - 0 1 N 2 - 1 ( 5) 该算法来 自傅 立叶变换的逆变换，复 合信号被标准 的光检测器采集 ，更适合多
13、 普勒频率提取原则。该算法是专 门的设计 人员操作大规模数字集成 电路 ，每秒钟测 量 1 0 0 0 0 0个测量速度 。 图 6显示 了直方图和可重复性 的数据 使用光速测量校准标准长度 。曲线图显示 超过 6 0 0标准长度的测量。 标准偏差为 所有采集数据平均值的0 0 0 0 6 7 或 0 0 0 2。 可 以 由图 7看 出 ， 重 复 性提 供 优 于 士 0 0】 。 2 4 精度 激光测量仪 的测量正确性受到个别凶 素的影响。 最重要的因素是 ： 激光准值、测 量仪的旋转角度 与线表面的相对传播 、测 量仪表面的垂商度 、温度。 条纹间距 “ d ”遍布整个测量区域或测 量
14、尺景深 。景深的定义是两个 多普勒激光 束长度 的交叉 。准确度是 由光 的能力决定 的，使激光束波十分平行和平直 。整个景 深必须用保持条纹间距来保证高 品质的光 学 。 图 4 声光调 制器图形 如果条纹 间距变化沿景深变化 ，景深 的运动表面将影响精度 的测量 。图 8显示 景深 的表面决定光束测量的效果。该测试 以确定景深表面定位的影响被称为校准。 不同的景深长度可被激光束交叉角度 的改变而获得 。景深值 的范围从几毫米到 超过 3 0 0毫米 。 平衡距离是指测量区域 开始值到 中间 值或景深 。平衡距离和景深有直接 关系 。 从长期平衡距离和景深看 ，测量只能在于 景深的评估 。如
15、果 高品质 的光学是用来校 准的激 光束 ，表面位置对景深精度的影响 微不足道。然而，如果使用质量差 的光学， 不 同表面定位 的景 深可能造成 的测量误差 高于 2 或更多 。 加速度 由。 - 非接 触 式技 术 应用 于激 光 多普 勒 ，只要信号处理器 ，具有快速响应时问， 产品加速就不会对长度和速 度的测量有任 何影响。激光多普勒测速只能使用 发射光 学条纹和散射光传 回的探测器照片，且以 光速传播。没有同有 的限制反应系统 ，因 此 ，系统的加速率仅 取决于 内部处理响应 时问的测量。 低速运转 低 速 运 转 即 低 于5 英 尺 分 钟 ( 1 5 m mi n ) ，因为频率
16、低于 1 千赫时， 激光多普勒测量仪工作较 困难 。现代信号 处理器，至少需要 l 0个周期 的多普勒信号 进行分析，以获得准确测量的多普勒频率 。 如果多普勒频率低于 1千赫，可 以得到低 于 1 0 0测量单位 秒 ，低测量率是有益 的。 由于多普勒频率转移高达 5 0千赫，举例来 说，可以很容易地获得 5 0 0 0测量单位 秒 ， 从而改变测量效果 。因此 ，另一个函数 的 频率变化是改善低转速运转 的测量 。 图 5 多普勒频率和速度转化 图 6长 厦 测 量 矩形 幽 应 用 由于微 电子技术的进步 ，激光 多普勒 装置可 以被安置在一个小型封装中，使他 们易于安装 ，激光 多普勒测量仪作为一个 接触器能够方便提供相 同的输 出。 2 5 图 7 重 复长度测 量图 从本质上讲 ，激光多普勒可以测量任 何移动
