激光相关固体表面测速系统的LabVIEW仿真研究

    工业过程中固体表面速度采用相关测量的场合普遍存在,如轧钢厂钢板表面速度的测量、纺织厂纤维表面速度的测量等,大多采用相关的方法对固体表面速度进行测量。提高相关测量的精度和速度是是高质量、高效率、高精度计量管理工业生产过程的关键所在。对物体表面存在的微小凹凸不一致性在运动过程对反射激光光强进行调制所产生的随机噪声信号进行相关计算,可在线测量物体瞬时运动速度,无需注入任何标记物,对检测对象不产生任何干扰影响,避免了接触检测中由于滑动、磨损等引入的检测误差,与其他非接触测速方法如激光多普勒方法相比较,激光相关检测有光路成本低、适应性强、检测精度高等特点[1]。深入研究检测系统误差来源及其对系统误差的影响,是进一步提高相关检测精度的关键所在。

    1　激光相关表面测速系统的构成

    激光相关测量传送带表面速度系统结构如图1所示。激光发射装置内半导体激光器(10 mW、650nm)发射的激光束经过光学组件分成已知距离为h(4 mm)的两束光强一致的平行光,经准值后通过一柱面透镜扩展为两薄片扇形束,再准直为两3 mm×0.15 mm的狭长线状光斑。采用狭长线状光斑有两个优点:第一,宽度仅为0.15 mm,使被测物的微细结构不会由于光斑卷积作用而被平均化,充分获取速度信息的高频成分;第二,狭长光斑长度为3mm,保证了上下游两个光斑有足够多的重叠轨迹,降低了沿速度方向的安装精度要求,确保两光斑采样信号的相关性^[2]。

    线状光斑照射到传送带表面(上游光束点为a,下游光束点为b),由物体表面的微小凹凸不平对两路平行入射激光束进行随机光强调制,调制光信号由光电转换装置内透镜汇聚至两光电二极管,光电二极管将该随机光噪声信号转换为电信号,通过适当的信号转换,可提取上、下游两路与被测物体运动速度特征信息有关的随机相关信号x(t)和y(t)。经过数字互相关分析,即在不同延时值下比较这两路信号波形的相似程度,找到两路随机相关信号之间的延时时间Δt(度越时间),物体表面瞬时速度即可由v=h/Δt求得[3]。对速度v进行积分,还可得某一区间内的运动物体长度。

    2　测量原理

    两个随机过程x(t)与y(t)的互相关函数为:

    根据图1,激光照射在传送带上游a点所产生的随机信号x(t)作为检测系统的一路输入,激光照射在物体表面下游b点所产生的随机信号y(t)作为检测系统的另一路输入。由于两个采样点都对准传送带的同一条轮廓母线,x(t)与y(t)两者波形十分相似,仅在时间轴上相差一个Δt的间隔。忽略微小差别后,有下式成立: