Laserowy prędkościomierz powierzchniowy

Laserowy prędkościomierz powierzchniowy ( LSV ) to bezkontaktowy optyczny czujnik prędkości mierzący prędkość i długość na ruchomych powierzchniach. Laserowe prędkościomierze powierzchniowe wykorzystują laserową zasadę Dopplera do oceny światła laserowego odbitego od poruszającego się obiektu. Są szeroko stosowane do kontroli procesu i jakości w przemysłowych procesach produkcyjnych.

Zasada działania

Różnicowy proces Dopplera

Różnicowy proces Dopplera

Efekt Dopplera (lub przesunięcie Dopplera) to zmiana częstotliwości fali dla obserwatora poruszającego się względem źródła fali. Fala ma częstotliwość f i rozchodzi się z prędkością c Gdy obserwator porusza się z prędkością v względem źródła, otrzymuje inną częstotliwość f' zgodnie z

${\ Displaystyle f '= f ({\ Frac {cv} {c}}) = f \ lewo (1 - {\ Frac {v} {c}}\prawo)}$

Powyższa analiza jest przybliżeniem dla małych prędkości w porównaniu do prędkości światła, które spełnia się bardzo dobrze dla praktycznie wszystkich technicznie istotnych prędkości.

Do wykonania pomiaru na poruszających się obiektach, które w zasadzie mogą mieć dowolną długość, potrzebny jest projekt pomiarowy z osią obserwacji czujnika ustawioną pod kątem prostym do kierunku ruchu badanego obiektu.

Laserowe prędkościomierze powierzchniowe działają zgodnie z tzw. różnicową techniką Dopplera. W tym przypadku na powierzchnię przedmiotu nakładają się 2 wiązki laserowe, z których każda pada na oś optyczną pod kątem φ. Dla punktu P, który porusza się z prędkością v przez punkt przecięcia dwóch wiązek laserowych, częstotliwości tych dwóch wiązek laserowych są przesunięte Dopplera zgodnie z powyższym wzorem. W punkcie P obiektu poruszającego się z prędkością v występują zatem następujące częstotliwości:

${\ Displaystyle f _ {\ tekst {P1,2}} = f _ {\ tekst {1,2}} \ lewo (1 - {\ vec {v}} \ ast {\ Frac {{\ vec {e}} _ {\ tekst {1,2}}} {c}} \ prawej)} mi → 1,2,$

$Displaystyle {\ vec {e}} _ {\ tekst {1,2, e}}}$ = wektory jednostkowe wiązek laserowych 1 i 2 oraz w detektorze kierunku

${\ Displaystyle f _ {\ tekst {1,2}} }$ = częstotliwości wiązek laserowych 1 i 2

${\ Displaystyle f _ {\ tekst {P1,2}}}$ = Dopplerowskie częstotliwości przesunięte wiązek laserowych 1 i 2 w punkcie P

Punkt P emituje teraz fale rozproszone w kierunku detektora. Gdy P porusza się wraz z obiektem, promieniowanie rozproszone w kierunku $detektora$ również przesunięte Zatem dla częstotliwości fal rozpraszających w kierunku detektora można powiedzieć:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} f _ {\ tekst {e1, e2}} & = f _ {\ tekst {P1, P2}} \ lewo (1- {\ Frac {{\ vec {v}} \ ast { \vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\\&=f_{\text{1,2}}\left(1-{\frac {{\vec {v }}\ast {\vec {e}}_{\text{1,2}}}{c}}\right)\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\end{wyrównane}}}$

Fale rozproszone nakładają się na detektor. Ze względu na interferencję fal rozproszonych z dwóch wiązek laserowych w nałożeniu występują różne składowe częstotliwości. _{Częstotliwość} dudnienia o niskiej częstotliwości nałożonego promieniowania rozproszonego, która odpowiada częstotliwości Dopplera fD , jest analizowana metrologicznie. Gdy obie przypadkowe wiązki laserowe mają tę samą częstotliwość (taką samą długość fali), jest to postrzegane jako różnica f _e2 i f _e1 do:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} f _ {\ tekst {D}} & =f_{\text{e2}}-f_{\text{e1}}\\&=f\left({\vec {v}}\ast {\frac {{\vec {e}}_{\text {1}}-{\vec {e}}_{\text{2}}}{c}}\right)\left({\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e} }_{\text{e}}}{c}}\right)\end{wyrównane}}}$

Jeżeli punkt P porusza się pionowo względem osi optycznej i pod tym samym kątem padania φ, to można powiedzieć, że:

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

I

${\ Displaystyle {\ vec {v}} \ ast {\ vec {e}} _ {\ tekst {e}} = 0}$

Oznacza to, że ostateczny wynik to:

${\ Displaystyle f _ {\ tekst {D}} = {\ Frac {v} {\ Delta s}}}$

Przesunięcie Dopplera jest więc wprost proporcjonalne do prędkości. Graficzne wyjaśnienie, które prowadzi do tego samego wyniku, jest następujące:

Reprezentacja graficzna

Zasada laserowej prędkościomierza powierzchniowego

Obie wiązki laserowe nakładają się na siebie w objętości pomiarowej iw tym obszarze przestrzennym generują wzór interferencji jasnych i ciemnych prążków.

Odstęp prążków Δ s jest stałą systemową zależną od długości fali lasera λ i kąta między wiązkami lasera 2φ:

${\ Displaystyle \ Delta s = {\ Frac {\ lambda} {2 \ sin \ varphi}}}$

Jeśli cząstka porusza się przez wzór prążków, wówczas intensywność światła, które rozprasza, jest modulowana.

W wyniku tego fotoodbiornik w głowicy czujnika generuje sygnał AC, którego częstotliwość f _D jest wprost proporcjonalna do składowej prędkości powierzchni w kierunku pomiaru v _p i można powiedzieć, że:

${\ Displaystyle f _ {\ tekst {D}} = {\ Frac {v_ {\ tekst {p}}} {\ Delta s}} = {\ Frac { 2v}{\lambda }}\sin \varphi }$

f _D = częstotliwość Dopplera

v _p = składowa prędkości w kierunku pomiaru

Δ s = odstępy między prążkami w objętości pomiarowej

Technika heterodynowa

Laserowe prędkościomierze powierzchniowe pracują w tzw. trybie heterodynowym, czyli częstotliwość jednej z wiązek laserowych jest przesunięta o offset 40 MHz, np. Powoduje to, że prążki w objętości pomiarowej przemieszczają się z prędkością odpowiadającą częstotliwości przesunięcia f _B . To z kolei umożliwia identyfikację kierunku ruchu obiektu i pomiar przy prędkości zerowej. Wynikowa częstotliwość modulacji fmod _w fotoodbiorniku w trybie heterodynowym wynosi:

${\ Displaystyle f _ {\ tekst {mod}} = f _ {\ tekst {b}} + {\ Frac {v_ {\ tekst { p}}}{\Delta s}}=f_{\text{b}}+{\frac {2v}{\lambda}}\sin \varphi}$

Częstotliwość modulacji wyznaczana jest w regulatorze za pomocą transformacji Fouriera i przeliczana na wartość pomiarową dla prędkości v _p . Pomiar długości odbywa się poprzez całkowanie sygnału prędkości.

Aplikacje

Laserowe prędkościomierze powierzchniowe mierzą prędkość i długość poruszających się powierzchni na cewkach, taśmach, rurach, włóknie, folii, papierze, folii, drewnie kompozytowym lub prawie każdym innym ruchomym materiale, w tym gorącej stali. LSV mogą wykonywać różne zadania, takie jak sterowanie cięciem na długość, pomiar długości części i długości szpuli, pomiar prędkości i kontrola prędkości, różnicowy pomiar prędkości do kontroli przepływu masowego, kalibracja enkodera, kontrola znaczników atramentowych i wiele innych.

Zobacz też

• Laserowa prędkość dopplerowska

Literatura

• Peter M. Nawfel: Laserowy, bezkontaktowy czujnik prędkości pomaga zredukować przerwy podczas odwijania z dużą prędkością . TAPPI, 2004.
• K. Matsubara, W. Stork, A. Wagner, J. Drescher i KD Müller-Glaser: Jednoczesny pomiar prędkości i przemieszczenia poruszającej się chropowatej powierzchni za pomocą laserowych prędkościomierzy Dopplera. Optyka stosowana , tom. 36, wydanie 19, s. 4516–4520, 1997 ( online ).
• Bruce E. Truax, Frank C. Demarest i Gary E. Sommargren: Laserowy prędkościomierz Dopplera do pomiarów prędkości i długości ruchomych powierzchni. Optyka stosowana , tom. 23, wydanie 1, s. 67–73, 1984 ( online ).

Linki zewnętrzne

Zasada działania laserowej prędkości pomiaru powierzchni (wideo)