張玉燕， 閆美素， 周 航， 呂坤坤

（1.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器河北省重點(diǎn)實驗室，河北秦皇島066004）

基于激光自混合干涉的軋輥磨損在線檢測方法

張玉燕1，2， 閆美素1，2， 周 航1，2， 呂坤坤1，2

（1.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器河北省重點(diǎn)實驗室，河北秦皇島066004）

提出了一種非接觸式軋輥磨損在線檢測的方法。研究了軋輥磨損量在線檢測的原理及方案，利用激光自混合干涉位移傳感器進(jìn)行多點(diǎn)測量，將軋輥磨損量轉(zhuǎn)化為微位移量進(jìn)行檢測，從而得到磨損量。信號處理中基于相位展開原理進(jìn)行自混合干涉相位提取，重建外腔物體運(yùn)動信息，并利用插值法降低了輥身振動和隨機(jī)噪聲的影響，提高了系統(tǒng)測量分辨率與精度。實驗結(jié)果表明，該方法的測量分辨力可達(dá)到幾十微米。

計量學(xué)；軋輥磨損檢測；自混合干涉；在線檢測；位移重構(gòu)

1 引 言

近年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者對軋輥磨損在線檢測技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作［1～3］。國內(nèi)研究主要包括傳感器的設(shè)計、模型建立及數(shù)據(jù)處理［4～6］方面，并取得了很多研究成果。目前，在國內(nèi)適用于軋輥磨損程度在線檢測的產(chǎn)品尚未見報道。

軋輥磨損量的在線測試方法主要分為測力式和測距傳感式［7］。測力式輥型在線檢測方法屬于接觸式的檢測方法，檢測精度依賴于磨輥機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的精度。測距傳感器式軋輥磨損測試方法是目前國內(nèi)外重點(diǎn)研究的方法。根據(jù)測距傳感器使用的不同，可分為超聲波測距傳感式、電渦流測距傳感式、光纖測距傳感式、電荷耦合器件CCD測距傳感式和接觸式位移傳感器式。其中最具有代表性的如：日本的三菱重工研制超聲波軋輥磨損檢測系統(tǒng)，屬于非接觸測量，其精度達(dá)到了±10μm，應(yīng)用較廣泛。德國赫施鋼鐵公司研制了電渦流測距式傳感器組成的檢測系統(tǒng)，測量熱連軋機(jī)精軋輥的磨損度，其精度達(dá)到±20μm［8］。該方法優(yōu)點(diǎn)是對惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、非接觸式測量，主要缺點(diǎn)為受周圍電磁場、環(huán)境溫度干擾較大，氧化鐵皮等介質(zhì)對其精度有影響，工作間隙小。而電荷耦合器件測距、光纖測距等測量方法目前處于研究階段，尚未見實際應(yīng)用。

激光自混合干涉測量技術(shù)作為一種非接觸式測量方法越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，被應(yīng)用于幾何量傳感測量，如形貌測量、振動測量、探傷研究等［9～12］。本文提出一種基于激光自混合干涉測量技術(shù)的軋輥磨損在線檢測的方法。

2 自混合干涉測量原理

2.1 自混合干涉模型

激光自混合干涉［13］是指激光器輸出光被外部反射體反射或散射后，其中一部分光又反饋回激光器的諧振腔，此時反饋光與腔內(nèi)光發(fā)生混合，從而調(diào)制激光器的輸出特性的現(xiàn)象，又被稱為光反饋自混合干涉（Optical feedback selfmixing interference，OFSMI）。

當(dāng)目標(biāo)反射體與激光二極管光輸出端面的距離小于激光相干長度的一半時，自混合干涉系統(tǒng)可等效為三鏡法布里-珀羅（F-P）腔模型，如圖1所示。

圖1 激光自混合干涉系統(tǒng)的三鏡F-P腔模型圖

圖1中M1、M2為激光器的前后端面，M1、M2之間構(gòu)成內(nèi)腔。M為外部反射面，M2、M之間構(gòu)成外腔。D為內(nèi)腔長，L為外腔長。自混合干涉數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：φf（t）和φ0分別代表有外腔光反饋和無外腔光反饋時的輸出光相位；Pf（t）和P0分別為有外腔光反饋和無外腔光反饋時半導(dǎo)體激光器的輸出功率；m為激光器調(diào)制系數(shù)，其典型值m≈10-3；α為半導(dǎo)體激光器線寬展寬因數(shù)；C為光反饋水平因子，是影響激光器動態(tài)特性和輸出功率的重要參數(shù)。

2.2 位移測量原理

令νf（t）和ν0分別代表有外腔光反饋和無外腔光反饋時的輸出光頻率，τ（t）＝2L（t）／c為光在外腔往返一次的時間，c是光速，則存在如下關(guān)系：

所以公式（2）可寫為：

由式（5）可知，光反饋存在時，輸出光功率不僅隨著注入電流的變化而變化，而且隨外部腔長和反饋強(qiáng)度的變化而變化，最終表現(xiàn)為自混合干涉信號相位的變化。

當(dāng)注入電流恒定時，輸出光功率隨外腔長的變化周期是半個波長λ／2；當(dāng)注入電流被線性調(diào)制時，激光器的輸出光頻率也被調(diào)制，若頻率調(diào)制系數(shù)為ξ，則有［14］：

當(dāng)外腔不存在偏移時，將式（6）代入式（5）得到被調(diào)制的自混合信號：

其中：fm＝（2ξL0）／c，φ0（t）＝2πν0τ（t）。

當(dāng)外腔長度由初始腔長偏移到L（t）＝L0＋d時，結(jié)合式（5）和式（6）可得此時被調(diào)制的自混合信號：

由于L0遠(yuǎn)大于d，所以（2πξtd）／c項可以忽略。因為由外腔運(yùn)動引起的相移為φ＝（2πν0d）／c，外腔的偏移可表示為：

其中d值為待測值，如果是微位移量測量，則d是時變量d（t）。

通過求解外腔運(yùn)動引起的相位變化，可獲得相應(yīng)外腔目標(biāo)體的位移信息。由激光自混合干涉微位移測量理論［15］可知，通過改變外腔長度L，可以得到Pf（t）和t之間的關(guān)系曲線。當(dāng)C和α已知時，采集激光自混合信號即Pf（t），從中提取相位信息φ，依據(jù)相位展開原理，通過相位與自混合信號的關(guān)系，用反余弦函數(shù)計算相位，得到一個呈現(xiàn)鋸齒狀分布的包裹相位，然后對此包裹相位進(jìn)行展開，以得到正確的相位，最終由式（7）即得到d。

3 軋輥測量方案

軋輥磨損在線檢測的方式有多種，例如多點(diǎn)固定式、單點(diǎn)移動式、多點(diǎn)移動式、固定移動組合式、三點(diǎn)式移動式等［16，17］。其中，本文使用的是如圖2所示的固定移動組合式測量裝置。

根據(jù)鋼材軋制的間歇時間短的實際情況，為在此時間內(nèi)完成整個輥面的檢測，故采用多個傳感探頭同步橫向掃描的方法，以減小每臺傳感探頭橫向檢測距離，從而提高檢測效率。

將N個激光自混合干涉位移測量傳感探頭Mi（i＝1，2，3，…，N）等間隔地安裝在導(dǎo)軌上，傳感探頭可在導(dǎo)軌上沿著與軋輥軸向平行的方向移動，每個傳感器可連續(xù)地檢測軋輥的一部分，多個傳感器共同工作可測全輥身。其中，傳感探頭安放個數(shù)為：

圖2 傳感器分布示意圖

式中：L為軋輥長度，Vs為傳感器移動速度，T為鋼材軋制的間歇時間。

設(shè)在某一時刻t，Mi的檢測值為Yi（t），由激光自混合干涉位移測量原理可知：

激光自混合干涉位移測量實驗系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，其中虛線框部分為激光自混合干涉位移測量傳感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 激光自混合干涉測量實驗系統(tǒng)原理框圖

在軋輥磨損檢測過程中有很多影響檢測精度的因素，如高溫、強(qiáng)電磁干擾、振動、氧化鐵磷、冷卻水、汽霧、存在軋輥周圍的強(qiáng)電磁場、軋輥表面粗糙度不均等。其中，輥身振動是對檢測結(jié)果影響較大的因素，為了減小它的影響，在導(dǎo)軌的左右兩端對稱的位置上同時各固定安裝一個相同的傳感探頭（Ma和Mb），用來檢測測量過程中測量臺架存在的振動干擾信號，后續(xù)采用插值法［17］可在一定程度上去除此噪聲，以提高測量精度。

令t時刻，Ma、Mb的檢測值分別為Ya（t）、Yb（t）。采用插值法去除振動干擾噪聲，則每個傳感器測量的輥面真實位移信號ΔYi（t）可由如下關(guān)系式得到：

由于Vr是軋輥轉(zhuǎn)動速度，為恒定值，令x＝Vr× t，則輥面位移函數(shù)Fi（ x）為：

將從這N個傳感器中采集的信號Fi（x）組合起來，即得到了被測軋輥的磨損信息F（x）。由于平移導(dǎo)軌存在制造與安裝誤差，因此，F(xiàn)（x）不能完全代表軋輥的磨損。由于軋輥在安裝之前，都已被軋輥磨床加工成理想形狀。所以，在軋輥安裝完之后，使用前應(yīng)當(dāng)首先對其輥型進(jìn)行檢測，并將此結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)軋輥磨損量數(shù)據(jù)F0（x）保存。在之后的檢測中，將測得的磨損輥面位移函數(shù)F（x）與F0（x）進(jìn)行比較，兩者之間的差值為輥面磨損形狀函數(shù)ΔF（x）。

4 實驗研究

實驗系統(tǒng)核心器件是內(nèi)部封裝光電二極管半導(dǎo)體激光器，其出射光波長為785 nm，功率為25 mW，閾值電流Lth＝45 mA。

選取一被測樣件模擬軋輥，其表面情況與實際軋輥表面相似。此被測工件半徑11.5 mm，徑向長64 mm。采用單點(diǎn)自混合干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)測量其輪廓線。被測工件安裝在一維可移動導(dǎo)軌上，由控制器驅(qū)動，使被測工件在導(dǎo)軌上按既定控制程序移動，直至工件上一確定直線上的點(diǎn)完全被采集。測量時起始點(diǎn)和終點(diǎn)分別定在離圖4（a）中所示A、B端2mm處。為了模擬工件磨損情況，將被測工件一端進(jìn)行螺紋加工，對同一掃描線位置進(jìn)行了再次測量。螺紋起始在A端，寬度約為15 mm，螺紋牙距為1.5 mm，如圖4（b）所示。

圖4 被測工件

激光自混合干涉測量系統(tǒng)測得的位移信號經(jīng)過初步的I／V轉(zhuǎn)換、信號放大和濾波處理后通過數(shù)據(jù)采集卡（Date acquisition card，DAQ）被送入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理。首先對信號進(jìn)行濾波處理，然后運(yùn)用相位展開算法對位移信號進(jìn)行重構(gòu)，最后將所有被測量點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)組合形成被測工件表面上指定位置處的輪廓線，測量結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為被測工件某條掃描線上的初始情況，圖5（b）為螺紋加工后被測工件相同位置的輪廓線。對兩次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相減，便得到了被測位置的磨損量，如圖5（c）所示。

圖5 被測工件輪廓線

實驗中誤差主要來源于測量原理誤差、測量機(jī)構(gòu)本身的誤差、信號處理算法誤差和測量平臺的振動干擾等因素，從實驗結(jié)果中可見工件磨損量的測量分辨力可以達(dá)到幾十個微米。

理論分析的結(jié)果與實驗結(jié)果較吻合，很好地驗證了激光自混合干涉測量方法用于實現(xiàn)軋輥磨損測量的可行性。

5 結(jié) 論

激光自混合干涉檢測技術(shù)具有檢測精度高，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，光路易準(zhǔn)直，抗電磁和抗水霧性強(qiáng)及不受被測表面粗糙度不均等因素干擾等優(yōu)點(diǎn)，適用于在較惡劣環(huán)境中對快速運(yùn)動的物體進(jìn)行檢測。本文提出了將激光自混合干涉測量技術(shù)用于軋輥磨損的在線檢測的方法，并通過理論分析和部分實驗研究，探討了該方法應(yīng)用于軋輥磨損檢測的可行性和有效性。得到了工件表面的磨損量信息，為今后軋輥磨損的在線檢測提供一種新方法和新思路?？紤]到惡劣的實際工況中尚存在許多問題，有待今后進(jìn)一步研究和完善。

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The On-line Detection Method of RollWear Based on Laser Self-m ixing Interference

ZHANG Yu-yan1，2， YAN Mei-su1，2， ZHOU Hang1，2， LV Kun-kun1，2
（1.Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China；2.Key Lab of Measurement Technology and Instrumentation of Hebei Province，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

A method of non-contact on-linemeasurement for testing roller wears based on themeasuring principle of laser self-mixing interferencewas put forward.The principle and projectof rollerwear testing is investigated.A self-mixing interference displacement detector was used for multi-pointmeasurement and translating the roll wear quantity into micro displacement to get the wearing capacity of the roll.In signal processing，the phase unwrappingmethod is used to extract phase and the interpolation method is used to improve the test resolution and accuracy.The result of the experiment shows that the resolution of thismeasuringmethod is refined tomicron.

Metrology；Rollwear test；Self-mixing interference；On-line detection；Displacement reconstruction

TB921

：A

：1000-1158（2015）03-0234-04

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.03

2014-08-09；

：2014-12-17

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金（20111333120009）；河北省自然科學(xué)基金（F2012203184）

張玉燕（1976-），女，天津人，燕山大學(xué)副教授，博士，主要從事光電檢測、光纖傳感等方面的研究。yyzhang＠ysu.edu.cn