山东钢铁股份有限公司营销总公司 山东济南
摘要：本文对激光多普勒测速和激光三角测量原理进行的对比分析，总结了两种方式的优缺点，为山钢集团日照公司炉卷产线在线尺寸测量设备的选型提供基础。
关键词：激光多普勒；三角测量
1 前言
近年来，随着技术的发展，成材率控制要求的提高，对中厚板产品的三维尺寸精度要求也越来越高，原始的人工测量方法从效率上还有精度上都已经无法满足新一代精准、高效的中厚板轧钢产线的生产要求。国内外常用的自动测量方法主要有射线法、涡流法等，射线对人体有辐射危害、涡流法对测量环境要求高，激光测量技术因快速精准和安全可靠应运而生，山钢集团日照公司在建的炉卷产线设计配置两台激光三维尺寸测量设备。
2 激光尺寸测量设备分类
应用于中厚板生产线激光尺寸测量设备按照测量原理可以分为测速积分型、成像型两大类，按照测量形式分为接触式、非接触式两大类。测厚和测宽基本都是选用非接触式的激光三角测量方式，测长方面近年来应用较广的主要有非接触式的测速积分型激光多普勒测速和激光三角测量方式两种。
3 测量原理
3.1激光测速的原理
激光测速测长仪投射一种干涉条纹（阴暗相间的干涉条纹）到被测量物体的表面上。当被测物体移动时，光束就依照与该物体的速度成比例的频率被散射回到测速传感器箱体中。该频率被接收测量，换算成为一个速度，并且依照与该物体速度成比例的速率产生脉冲信号。外部的计数器或者PLC对该脉冲信号进行计数就可以确定长度。
激光测速测长仪具有一个激光二极管光源，但是该光源被分离成为两个光束，并且该两个光束以一定的角度从量表的孔径中射出。该两个光束在间隔距离（从该量表前部至工作区域的深度中心之间的距离）处汇集并且重叠。该重叠的区域就称为测量区域景深，可以在该区域范围之内取得测量数值。
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图3.1激光多普勒测速仪原理图
干涉条纹是由从传感器箱体射出的两个光束所产生的。如果收集具备同样波长的两束相参光源，并且以一定的角度超过其所通过的路径，那么将会产生一种干涉条纹。随着光的波相互穿越，光波的峰值就排列形成一条光带。随着光波继续穿越，波峰以及波谷排列起来互相抵消。
ΔS=λ/2Sinθ
t=1/f
ΔV=ΔS*f
L =
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在上边的公式显示出了在该测量原理背后的数学模型。ΔS指的是条纹的间距，f指的是频率，该频率取决于光从测量表面的散射（随着在该表面的某一个颗粒从该条纹样式的光以及深色光带中移动过去，测速传感器将会产生并且读取一个依照时间不断变化的信号）。t指时间是频率的倒数，我们就具有两个参数可以用来计算速度v。长度取决于在一段时间之内的速度积分。
3.2激光三角测量原理
图 3.2 为简化的三角测量原理图，B点为被测钢板，C点为摄像头，线激光器位于A点位置，构成一个简单的三角形模型。A点的激光器发射出一束激光，照射到被测钢板端部B点之后发生反射，透镜将反射光进行聚焦，成像在摄像头 CCD成像阵列上的D点。虚线CE与直线AB平行，当被测物B位于无限远的时候，它成像在E点。图中涉及到多个参数：摄像头中心与激光器中心点的距离设为 d，激光线与摄像头激光器连线的夹角为α，摄像头的焦距设为 f 以及被测钢板上激光点在CCD上的成像位置到另一侧边缘的距离（DE）设为x。当被测钢板B位于不同的位置时，激光照射到B点之后反射回摄像头CCD上的成像点的x值也随之发生变化，x值可以通过在CCD中计算激光点中心位置像素坐标得到。图中可知三角形ABC与三角形CDE相似，可以得到如下公式：
h=f d/x
L=h/Sinα
L即为被测钢板与激光器之间的距离，这就是最简单的三角测量的原理。
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图3.2简化的三角测量原理图
图3.3为三角测量原理应用到中厚板测长的示意图，计算机数据处理系统根据光点在CCD上的位置计算出被测钢板端面实时位置L，被测钢板经过激光测量设备区域时测量的钢板头部位置L1与尾部位置L2之差就是测量钢板的长度。
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图3.3激光三角测量原理用于钢板测长示意图
4 对比与分析
激光多普勒测速测长与激光三角测量两种方式都具有与被测钢板非接触、能够快速在线测量等特点。
激光多普勒测速方式测量长度由钢板经过测量区域时间的速度积分，是在一段时间上得出一个数据，精度能够达到±0.05%（10m定尺钢板误差在±5mm），激光三角测量方式测量精度取决于CCD成像点x值一个变量，而且在钢板经过测量区域可以测出多个长度数据，取平均值求出修正系数，减少单次测量的随机误差，精度最高可达到±0.03mm，考虑钢板震动或端部截面的质量情况，实际应用中精度可达到≤±3mm。
激光多普勒测速实际的测量精度受工作环境、钢板表面均匀情况影响较大，测速仪需要安装在运行钢板的正上方，高温辐射，导致精度下降，由于热轧钢板表面常覆盖氧化铁皮等造成钢板表面颜色不均匀，干扰激光的发射与反射通道，导致精度降低。激光三角测量方式是将激光线照射到钢板的端部，由于被测钢板大部分是经过定尺剪切头的，所以端部质量一般都能满足激光照射的条件，另外三角测量方式仅激光发射器在钢板运行的范围内，其他接收、成像装置都布置在辊道外侧，受辐射较小。
制造成本方面，现阶段激光多普勒测速测长设备集成化程度较高，国内尚没有成熟的产品，只能靠进口采购，一次性购买成本和维护费用都比较高。激光三角测量方式经过近些年的发展，国内设计制造水平已经基本满足工业生产使用，仅少许核心部件采用进口，大大降低了制造成本，后期维护相对简单。
5 结论
综合考虑两者测量方式的优缺点以及采购和维护成本，我公司选用了性价比更高的激光三角测量设备。
参考文献：
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作者简介：
张敬涛，男，1985年生，2009年毕业于山东科技大学。现为山东钢铁股份有限公司营销总公司任工程师，现从事销售技术研发方面的工作。