Лазерные допплеровские измерители скорости и длины кабелей и проволоки

Авторы:
Каминский Ю.Д., Проскурнев С.Ю., Заманский В.И.

Повышение точности измерения скорости и длины кабелей и проволоки является одним из важных факторов обеспечения эффективности и экономичности технологических процессов производства, раскроя и учета продукции. Однако широко используемые контактные механические устройства на базе измерительных роликов или гусеничных ремней не отвечают современным требованиям по точности, быстродействию и надежности, а также имеют определенные ограничения по применению, например, для высокотемпературных, клейких и деформируемых изделий.

С 1970-80-х годов в США, Германии, Японии, Дании и в России начали разрабатываться лазерные и оптические измерители скорости и длины на базе допплеровских, времяимпульсных, растровых и корреляционных методов. Эти приборы не имеют механического контакта с контролируемым объектом и, соответственно, погрешностей, связанных с проскальзыванием, износом, налипшей грязью, практически не требуют калибровок и профилактического обслуживания, рассчитаны на широкую номенклатуру контролируемых изделий.

Сегодня на рынке предлагаются различные модели лазерных допплеровских измерителей скорости и длины [1,2] и, менее широко, оптические измерители на основе растровых анализаторов или ПЗС-камер, использующие некогерентные источники излучения [3.4].

Эти приборы обеспечивают высокую точность измерения (0,05% - 0,2%) в широком диапазоне скоростей и ускорений и рассчитаны на расстояние до объекта от 30 мм до 300 мм. Они надежно работают практически с любыми поверхностями от черных матовых до блестящих металлических.

Времяимпульсные и корреляционные измерители скорости серийно не выпускаются, опубликованы материалы об испытаниях лабораторных и опытных образцов [5,6].

Принципиальная оптическая схема лазерного допплеровского измерителя скорости (ЛДИС) приведена на рис.1.

Рис. 1 Структурная схема ЛДИС

Лазерный пучок расщепляется светоделительной призмой на 2 луча, которые, пересекаясь на поверхности контролируемого объекта, образуют интерферирующую картину с периодом "d".

Излучение, рассеянное неоднородностями на поверхности объекта, собирается приемной оптикой и преобразуется фотоприемным устройством в электрический сигнал, частота которого пропорциональна скорости движения объекта

Таким образом, измеряя выходную частоту лазерного датчика, можно определить скорость и, соответственно, длину движущегося объекта.

Кратко рассмотрим основные элементы и узлы современных ЛДИС.

В первых образцах ЛДИС в качестве излучателей применялись газовые лазеры, что определяло большие габариты и относительно высокую стоимость приборов. Поэтому их использовали, главным образом, в металлургической промышленности в системах управления, контроля, раскроя и учета холодного и горячего проката.

Переход на полупроводниковые лазеры (ППЛ) позволил значительно уменьшить габариты датчиков и упростить конструкцию ЛДИС. Однако зависимость длины волны ППЛ и, соответственно, погрешности измерения от окружающей температуры потребовали применения систем термостабилизации, что увеличивало сложность и стоимость ЛДИС.

Поэтому в последние годы были разработаны различные оптические системы, в частности, на основе интегрированных диффракционных оптических элементов, что позволило отказаться от применения систем стабилизации длины волны лазера, упростить и уменьшить габариты датчиков [5].

На рис.2 показан интегральный оптический модуль, совмещающий функции расщепления и передачи лазерных пучков, а также приема рассеянного излучения. На основе такого модуля можно создать простые и малогабаритные датчики ЛДИС, не требующие стабилизации длины волны лазера.

Рис. 2 Интегральный оптический модуль ЛДИС

Фотоприемные устройства ЛДИС обычно выполнены на базе PIN-фотодиодов и малошумящих операционных усилителей, что позволяет получить необходимое отношение сигнал/шум даже на поверхностях с низкой отражательной способностью при мощности лазеров в пределах 10 - 30 мВт.

Выходной допплеровский сигнал фотоприемного устройства, частота которого может меняться в пределах 10 - 10⁷ Гц, состоит из неинформационной низкочастотной составляющей, информационной высокочастотной допплеровской составляющей, оптических и электрических шумов.

Поэтому задача создания системы обработки допплеровских сигналов с высокими метрологическими и динамическими параметрами является достаточно сложной и ей посвящено большое количество публикаций [6].

Реальный вид допплеровского сигнала (без н.ч. составляющей) приведен на рис.3.

Рис. 3 Общий вид допплеровского сигнала без низкочастотной составляющей

Алгоритм обработки такого сигнала должен в общем случае удовлетворять достаточно противоречивым требованиям, что и обуславливает определенную сложность его аппаратурной реализации. Все основные методы обработки допплеровского сигнала можно разделить на 5 основных групп:

• спектральный или корреляционный анализ,
• следящие фильтры-демодуляторы,
• счетно-импульсные процессоры,
• корреляторы фотоотсчетов,
• системы на базе РС.

В последнее время для промышленных приборов наибольшее распространение получили различные варианты счетно-импульсных процессоров, основанных на выделении переходов допплеровского сигнала через нулевое значение, как аппаратными, так и программными средствами.

Высокоточный сигналпроцессор, оптимизироанный для работы в ЛДИС, должен обеспечивать:

• максимальное число отсчетов в единицу времени,
• минимальную вероятность ложных отсчетов,
• оптимальное усреднение информации.

Реализация этих условий определяет структуру современных сигналпроцессоров, которые имеют следующие преимущества:

• обеспечивается конвейерная обработка сигнала, при которой нет потерь информации;

• используется счетный метод непосредственного измерения периода, который всегда предпочтительней косвенных, по результатам обработки спектра;

• автоматически учитывается стохастический характер появления отсчетов путем заполнения пауз между отсчетами частотой синтезатора по последнему отсчету;

• отсутствует аппаратурная избыточность, и поэтому сравнительно низка стоимость процессоров.

Типовая блок-схема сигналпроцессора приведена на рис.4. В его состав входят:

• Параллельные или последовательные фильтры для снижения уровня низкочастотных и высокочастотных шумов. Для повышения их эффективности можно использовать цифровые и когерентные фильтры.

• Аналогоцифровой преобразователь "время-импульсного" типа и система идентификации сигнала, которая позволяет практически исключить погрешности, связанные с регистрацией шумовых импульсов и сигналов с малым отношением сигнал/шум.

• Системы управления фильтрами, формирования выходных сигналов и индикации.

Рис. 4 Блок-схема сигналпроцессора допплеровского сигнала счетно-импульсного типа

Первые образцы подобных сигналпроцессоров были выполнены на дискретных элементах. Сейчас в них используется FPGA-технология или современные микропроцессорные устройства.

Основные проблемы в этих сигналпроцессорах связаны с высокими требованиями к частотнофазовой характеристике фильтров, что требует применения точных и высокостабильных элементов и, соответственно, удорожает прибор.

Поэтому более целесообразным является создание систем обработки на основе цифровых сигналпроцессоров (DSP), которые обеспечивают достаточно высокие метрологические и динамические характеристики при простоте схемной реализации.

Современные сигналпроцессоры обеспечивают погрешность измерения допплеровской частоты 0.01% в диапазоне частот более 1000:1 и передают на выносные индикаторные табло и в АСУ оперативную информацию о скорости, текущей и суммарной длины, а также различную дополнительную информацию.

Конструктивно ЛДИС обычно выполняются в одном пылевлагозащищенном корпусе и монтируются непосредственно у объекта измерения. Если объект имеет температуру более 200°С, - предусматриваются защитные водоохлаждаемые корпуса.

В наиболее совершенных ЛДИС предусмотрено определение направления движения объекта, что важно при наличии реверсивного движения [7].

На основе рассмотренных технических решений в ОАО "НИИТеплоприбор" совместно с ООО "ОПТОКОНТРОЛЬ" был разработан лазерный допплеровский измеритель скорости и длины ЛИС-4 со следующими техническими характеристиками:

На рис.5 показан ЛИС-4, установленный в 2000 г. на технологической линии по производству телефонных кабелей (завод "Электрокабель" г. Кольчугино)

Рис. 5 ЛИС-4, установленный на технологической линии по производству телефонных кабелей

В настоящее время ЛИС-4 установлены на различных технологических линиях по производству кабелей и проволоки на предприятиях России и Белоруссии ("Москабельмет", "АББ-Москабель, "Подольсккабель", "ЧПЗ" г. Череповец, "Самарская Кабельная Компания" и др.).

Бесконтактность, надежность, высокие метрологические и динамические параметры лазерных измерителей скорости и длины определяют эффективность их применения в современных промышленных технологиях. Дополнительным фактором, определяющим перспективность применения лазерных приборов, является интенсивное развитие элементной базы оптоэлектроники (полупроводниковых лазеров и фотоприемников, волоконной и интегральной оптики, акустооптики), что позволяет упростить конструкцию и снизить стоимость приборов.

Литература

1. Дубнищев Ю.Н., Белоусов П.Я., Меледин В.Г. Лазерные измерительные технологии для контроля металлургического проката. Труды конференции: "Оптические методы исследования потоков". Москва 2001 г.
2. Коронкевич В.П., Соболев В.С., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. Наука.1983 г.
3. Rabe D.C., Dancey C.L. Comparison of laser transit and laser Doppler anemometer measurements in fundamental flous. "AIAA", 1986, №86-1650, pp.1-7
4. Gogoasa I. "Meas. Sci. Technol."An extrinsic optical fibre speed sensor based on cross correlation., 1996, 7, №8, 1148-1152
5. В.Сторк, А.Вагнер. Лазерный допплеровский измеритель скорости твердых поверхностей. Труды конференции "Sensor-99", 1999, Германия.
6. Ruck B., Schmitt F., Loy T. Signalbewertung in der Laser-Doppler-Anemometrie durch Periodenlдngevergleich. "Techn. Meas.", 1986, 53. №5, 185-191
7. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потока. М.Наука. 1990 г.

Информация любезно предоставлена НИИ Теплоприбор
Тел.: (495) 617-23-63
Тел./факс: (495) 137-52-88