Лазерный измеритель скорости поверхности - Википедия - Laser surface velocimeter

А лазерный измеритель скорости поверхности (LSV) является бесконтактным оптическим датчик скорости измерение скорости и длины на движущихся поверхностях. Лазерная поверхность велосиметры используйте принцип лазерного Доплера для оценки лазерного света, рассеянного обратно от движущегося объекта. Они широко используются для контроля процессов и качества в промышленных производственных процессах.

Принцип действия

Дифференциальный доплеровский процесс

Дифференциальный доплеровский процесс

В Эффект Допплера (или доплеровский сдвиг) - это изменение частота из волна для наблюдатель движется 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

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

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

Для измерения движущихся объектов, которые в принципе могут иметь любую длину, требуется измерительная конструкция с осью наблюдения для датчика, расположенной под прямым углом к ​​направлению движения исследуемого объекта.

Лазерные измерители скорости поверхности работают по так называемой методике разностного допплера. Здесь два лазерных луча, каждый из которых падает на оптическую ось под углом φ, накладываются на поверхность объекта. Для точки P, которая движется со скоростью v через точку пересечения двух лазерных лучей, частоты двух лазерных лучей смещены по доплеровскому сдвигу в соответствии с приведенной выше формулой. В точке P объекта, движущегося со скоростью v, поэтому возникают следующие частоты:

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

${ displaystyle { vec {e}} _ { text {1,2, e}}}$ = Единичные векторы лазерных лучей 1 и 2 и детектора направления

ж_1,2 = Частоты лазерных лучей 1 и 2

ж_{P1, P2} = Доплеровский сдвиг частот 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 ${ displaystyle { vec {e}} _ { text {e}}}$ детектора также доплеровский сдвиг. Таким образом, для частоты рассеяния волн в направлении детектора можно сказать:

${ displaystyle { begin {align} f _ { text {e1, e2}} & = f _ { text {P1, P2}} left (1 - { frac {{ vec {v}} ast { vec {e}} _ { text {e}}} {c}} right) & = f _ { text {1,2}} left (1 - { frac {{ vec {v }} ast { vec {e}} _ { text {1,2}}} {c}} right) left (1 - { frac {{ vec {v}} ast { vec {e}} _ { text {e}}} {c}} right) end {align}}}$

Волны рассеяния накладываются на детектор. Из-за интерференции волн рассеяния от двух лазерных лучей в наложении присутствуют разные частотные составляющие. Частота низкочастотных биений наложенного рассеянного излучения, соответствующая доплеровской частоте ж_D анализируется метрологически. Когда оба падающих лазерных луча имеют одинаковую частоту (одинаковую длину волны), это рассматривается как разница в ж_e2 и ж_e1 к:

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

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

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

и

${ displaystyle { vec {v}} ast { vec {e}} _ { text {e}} = 0}$

Это означает, что конечный результат:

${ displaystyle f _ { text {D}} = { frac {v} { Delta s}}}$

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

Графическое представление

Принцип лазерной поверхностной велосиметрии

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

Расстояние между полосами Δs - системная постоянная, которая зависит от длины волны лазера λ и угла между лазерными лучами 2φ:

${ displaystyle Delta s = { frac { lambda} {2 sin varphi}}}$

Если частица движется по полосе, то интенсивность света, рассеиваемого ею обратно, модулируется.

В результате фотоприемник в головке датчика вырабатывает сигнал переменного тока частотой f_D из которых прямо пропорциональна составляющей скорости поверхности в направлении измерения v_п и можно сказать, что:

${ displaystyle f _ { text {D}} = { frac {v _ { text {p}}} { Delta s}} = { frac {2v} { lambda}} sin varphi}$

ж_D = Доплеровская частота

v_п = Составляющая скорости в направлении измерения

Δs = Расстояние между кромками в измерительном объеме

Гетеродинная техника

Лазерные измерители скорости на поверхности работают в так называемом гетеродинном режиме, то есть частота одного из лазерных лучей смещается на величину смещения 40 МГц, например. Это заставляет полосы в измерительном объеме перемещаться со скоростью, соответствующей частоте смещения f._B. Затем это позволяет определить направление движения объекта и произвести измерения при нулевой скорости. Результирующая частота модуляции f_мод на фотоприемнике в гетеродинном режиме стоит:

${ displaystyle f _ { text {mod}} = f _ { text {b}} + { frac {v _ { text {p}}} { Delta s}} = f _ { text {b}} + { frac {2v} { lambda}} sin varphi}$

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

Приложения

Лазерные измерители скорости поверхности измеряют скорость и длину движущихся поверхностей на бухтах, полосах, трубках, волокнах, пленках, бумаге, фольге, композитных пиломатериалах или почти любом другом движущемся материале, включая горячую сталь.^[1] LSV могут выполнять различные задачи, такие как контроль длины отрезка, измерение длины детали и длины катушки, измерение скорости и управление скоростью, измерение дифференциальной скорости для управления массовым расходом, калибровка энкодера, управление маркером для струйной печати и многие другие.

Смотрите также

• Лазерная доплеровская велосиметрия

Рекомендации

Литература

• Питер М. Науфел: Бесконтактный датчик скорости на основе лазера помогает сократить перерывы при высокоскоростной размотке. 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 измерителей скорости. Прикладная оптика, Vol. 36, Issue 19, pp. 4516–4520, 1997 (онлайн ).
• Брюс Э. Труакс, Фрэнк К. Демарест и Гэри Э. Соммаргрен: Лазерный доплеровский измеритель скорости для измерения скорости и длины движущихся поверхностей. Прикладная оптика, Vol. 23, Issue 1, pp. 67–73, 1984 (онлайн ).

внешняя ссылка

Принцип работы лазерной поверхностной скорости (видео)