Лазерный поверхностный велосиметр

Лазерный поверхностный велосиметр ( LSV ) — это бесконтактный оптический датчик скорости, измеряющий скорость и длину на движущихся поверхностях. Лазерные измерители поверхностной скорости используют принцип лазерного доплера для оценки лазерного света, рассеянного назад от движущегося объекта. Они широко используются для контроля процессов и качества в процессах промышленного производства.

По мнению Дж. Симбалы, в случае лазерного доплеровского велосиметра использование термина «допплер» является неправильным, поскольку в этом методе не используется измерение доплеровского сдвига. ^{[ 1 ]}.

Принцип работы

Дифференциальный доплеровский процесс

Эффект Доплера (или доплеровский сдвиг) — это изменение частоты волны движущегося для наблюдателя, относительно источника волны. Волна имеет частоту f и распространяется со скоростью c. Когда наблюдатель движется со скоростью v относительно источника, он получает другую частоту f' в соответствии с

f'=f({\frac {c-v}{c}})=f\left(1-{\frac {v}{c}}\right)

Приведенный выше анализ представляет собой приближение для малых скоростей по сравнению со скоростью света, которое очень хорошо выполняется практически для всех технически важных скоростей.

Для проведения измерений на движущихся объектах, длина которых в принципе может быть любой, необходима измерительная конструкция с осью наблюдения датчика, расположенной под прямым углом к направлению движения исследуемого объекта.

Лазерные измерители поверхностной скорости работают по так называемому разностному доплеровскому методу. Здесь на поверхность объекта накладываются 2 лазерных луча, каждый из которых падает на оптическую ось под углом φ. Для точки P, которая движется со скоростью v через точку пересечения двух лазерных лучей, частоты двух лазерных лучей смещаются доплеровски в соответствии с вышеизложенным. формула. Поэтому в точке P объекта, движущегося со скоростью v , возникают следующие частоты:

f_{\text{P1,2}}=f_{\text{1,2}}\left(1-{\vec {v}}\ast {\frac {{\vec {e}}_{\text{1,2}}}{c}}\right)

{\vec {e}}_{\text{1,2,e}}

= Единичные векторы лазерных лучей 1 и 2 и в детекторе направления

f_{\text{1,2}}

= частоты лазерных лучей 1 и 2

f_{\text{P1,2}}

= Доплеровски сдвинутые частоты лазерных лучей 1 и 2 в точке P

Точка P теперь излучает волны рассеяния в направлении детектора. Поскольку P движется вместе с объектом, рассеянное излучение в направлении ${\vec {e}}_{\text{e}}$ детектора также имеет доплеровский сдвиг. Таким образом, для частоты волн рассеяния в направлении детектора можно сказать:

{\begin{aligned}f_{\text{e1,e2}}&=f_{\text{P1,P2}}\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\\&=f_{\text{1,2}}\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{1,2}}}{c}}\right)\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\end{aligned}}

Волны рассеяния накладываются на детектор. Из-за интерференции волн рассеяния двух лазерных лучей в наложении присутствуют разные частотные составляющие. низкочастотной частоты биений наложенного рассеянного излучения, соответствующей доплеровской частоте f _D. Проведен метрологический анализ Когда оба падающих лазерных луча имеют одинаковую частоту (одинаковую длину волны), это рассматривается как разница f _e2 и f _e1 :

{\begin{aligned}f_{\text{D}}&=f_{\text{e2}}-f_{\text{e1}}\\&=f\left({\vec {v}}\ast {\frac {{\vec {e}}_{\text{1}}-{\vec {e}}_{\text{2}}}{c}}\right)\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\end{aligned}}

Если точка P движется вертикально относительно оптической оси и под тем же углом падения φ, можно сказать, что:

{\vec {v}}\ast ({\vec {e}}_{\text{1}}-{\vec {e}}_{\text{2}})=2v\sin \varphi

и

{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}=0

Это означает, что окончательный результат:

f_{\text{D}}={\frac {v}{\Delta s}}

Таким образом, доплеровский сдвиг прямо пропорционален скорости. Ниже приводится графическое объяснение, которое приводит к тому же результату:

Графическое представление

Оба лазерных луча накладываются в измерительном объеме и в этой пространственной области создают интерференционную картину ярких и темных полос.

Расстояние между полосами Δ s представляет собой системную константу, которая зависит от длины волны лазера λ и угла между лазерными лучами 2φ:

\Delta s={\frac {\lambda }{2\sin \varphi }}

Если частица движется через полосовой узор, то интенсивность света, который она рассеивает, модулируется.

В результате этого фотоприемник в головке датчика генерирует сигнал переменного тока, частота f _D которого прямо пропорциональна составляющей скорости поверхности в направлении измерения v _p, и можно сказать, что:

f_{\text{D}}={\frac {v_{\text{p}}}{\Delta s}}={\frac {2v}{\lambda }}\sin \varphi

f _D = доплеровская частота

v _p = составляющая скорости в направлении измерения

Δ s = расстояние между полосами в измерительном объеме

Гетеродинный метод

Лазерные измерители поверхностной скорости работают в так называемом гетеродинном режиме, т.е. частота одного из лазерных лучей смещается на величину смещения. 40 МГц, например. В результате полосы в измерительном объеме перемещаются со скоростью, соответствующей частоте смещения f _B . Это позволяет определить направление движения объекта и провести измерения при нулевой скорости. Результирующая частота модуляции f _mod на фотоприемнике в гетеродинном режиме равна:

f_{\text{mod}}=f_{\text{b}}+{\frac {v_{\text{p}}}{\Delta s}}=f_{\text{b}}+{\frac {2v}{\lambda }}\sin \varphi

Частота модуляции определяется в контроллере с помощью преобразования Фурье и преобразуется в измеренное значение для скорость v _п . Измерение длины производится путем интегрирования сигнала скорости.

Приложения

Лазерные измерители поверхностной скорости измеряют скорость и длину движущихся поверхностей катушек, полос, трубок, волокон, пленок, бумаги, фольги, композитных пиломатериалов или практически любого другого движущегося материала, включая горячую сталь. ^{[ 2 ]} LSV могут выполнять различные задачи, такие как контроль обрезки по длине, измерение длины детали и длины катушки, измерение и регулирование скорости, измерение дифференциальной скорости для контроля массового расхода, калибровка энкодера, управление струйными маркерами и многие другие.

См. также

Лазерная допплеровская велосиметрия

Ссылки

^ Цимбала, Джон (19 ноября 2013 г.). «Измерение линейной скорости» (PDF) . Государственный инженерный колледж Пенсильвании . стр. 4, 5. {{cite web}}: CS1 maint: статус URL ( ссылка )
^ «Polytec InFocus 2/2010, стр. 19» (PDF) .

Литература

Питер М. Науфел: Бесконтактный датчик скорости на основе лазера помогает сократить перерывы при размотке на высокой скорости . ТАППИ, 2004.
К. Мацубара, В. Сторк, А. Вагнер, Дж. Дрешер и К. Д. Мюллер-Глейзер: Одновременное измерение скорости и смещения движущейся шероховатой поверхности с помощью лазерных доплеровских велометров. Прикладная оптика . 36, выпуск 19, стр. 4516–4520, 1997 г. ( онлайн ).
Брюс Э. Труакс, Фрэнк К. Демарест и Гэри Э. Соммаргрен: Лазерный доплеровский велосиметр для измерения скорости и длины движущихся поверхностей. Прикладная оптика . 23, выпуск 1, стр. 67–73, 1984 г. ( онлайн ).

Внешние ссылки

Принцип работы лазерной поверхностной скорости (Видео)

[1] Цимбала, Джон (19 ноября 2013 г.). «Измерение линейной скорости» (PDF) . Государственный инженерный колледж Пенсильвании . стр. 4, 5. {{cite web}}: CS1 maint: статус URL ( ссылка )

[2] «Polytec InFocus 2/2010, стр. 19» (PDF) .

[ 1 ]

[ 2 ]