Velocímetro de superficie láser

Un velocímetro láser de superficie ( LSV ) es un sensor de velocidad óptico sin contacto que mide la velocidad y la longitud en superficies en movimiento. Los velocímetros láser de superficie utilizan el principio láser Doppler para evaluar la luz láser dispersada desde un objeto en movimiento. Se utilizan ampliamente para el control de procesos y calidad en procesos de producción industrial.

Según J. Cimbala, en el caso del velocímetro láser Doppler, el uso del término Doppler es inapropiado porque en la técnica no interviene ninguna medición del desplazamiento Doppler. ^[1]

Principio de funcionamiento

El proceso Doppler diferencial

El proceso Doppler diferencial

El efecto Doppler (o desplazamiento Doppler) es el cambio en la frecuencia de una onda para un observador que se mueve con respecto a la fuente de la onda. La onda tiene una frecuencia f y se propaga a una velocidad c Cuando el observador se mueve a una velocidad v con respecto a la fuente, recibe una frecuencia f' diferente según

${\displaystyle f'=f({\frac {c-v}{c}})=f\left(1-{\frac {v}{c}}\right)}$

El análisis anterior es una aproximación para velocidades pequeñas en comparación con la velocidad de la luz, lo cual se cumple muy bien para prácticamente todas las velocidades técnicamente relevantes.

Para realizar una medición en objetos en movimiento, que en principio pueden tener cualquier longitud, se requiere un diseño de medición con un eje de observación para el sensor que esté en ángulo recto con la dirección de movimiento del objeto investigado.

Los velocímetros láser de superficie funcionan según la llamada técnica Doppler diferencial. En ella, se superponen sobre la superficie del objeto dos rayos láser que inciden cada uno de ellos con un ángulo φ sobre el eje óptico. Para un punto P, que se mueve a una velocidad v a través del punto de intersección de los dos rayos láser, las frecuencias de los dos rayos láser se desplazan por efecto Doppler de acuerdo con la fórmula anterior. Por tanto, en el punto P del objeto que se mueve a una velocidad v se producen las siguientes frecuencias:

${\displaystyle f_{\text{P1,2}}=f_{\text{1,2}}\left(1-{\vec {v}}\ast {\frac {{\vec {e}}_{\text{1,2}}}{c}}\right)}$

${\displaystyle {\vec {e}}_{\text{1,2,e}}}$= Vectores unitarios de los rayos láser 1 y 2 y en dirección del detector

${\displaystyle f_{\text{1,2}}}$= frecuencias de los rayos láser 1 y 2

${\displaystyle f_{\text{P1,2}}}$= Frecuencias desplazadas por efecto Doppler de los rayos láser 1 y 2 en el punto P

El punto P emite ahora ondas dispersas en dirección al detector. Como P se mueve con el objeto, la radiación dispersa en dirección al detector también sufre un desplazamiento Doppler. Por lo tanto, para la frecuencia de las ondas dispersas en dirección al detector, se puede decir: ${\displaystyle {\vec {e}}_{\text{e}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}f_{\text{e1,e2}}&=f_{\text{P1,P2}}\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\\&=f_{\text{1,2}}\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{1,2}}}{c}}\right)\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\end{aligned}}}$

Las ondas dispersas se superponen en el detector. Debido a la interferencia de las ondas dispersas de los dos rayos láser, existen diferentes componentes de frecuencia en la superposición. La frecuencia de pulso de baja frecuencia de la radiación dispersa superpuesta, que corresponde a la frecuencia Doppler f _D, se analiza metrológicamente. Cuando ambos rayos láser incidentes tienen la misma frecuencia (misma longitud de onda), esto se ve como una diferencia de f _e2 y f _e1 :

${\displaystyle {\begin{aligned}f_{\text{D}}&=f_{\text{e2}}-f_{\text{e1}}\\&=f\left({\vec {v}}\ast {\frac {{\vec {e}}_{\text{1}}-{\vec {e}}_{\text{2}}}{c}}\right)\left(1-{\frac {{\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}}{c}}\right)\end{aligned}}}$

Si el punto P se mueve verticalmente con respecto al eje óptico y con el mismo ángulo de incidencia φ, se puede decir que:

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

y

${\displaystyle {\vec {v}}\ast {\vec {e}}_{\text{e}}=0}$

Esto significa que el resultado final es:

${\displaystyle f_{\text{D}}={\frac {v}{\Delta s}}}$

El efecto Doppler es, por tanto, directamente proporcional a la velocidad. A continuación se ofrece una explicación gráfica que conduce al mismo resultado:

Representación gráfica

Principio de la velocimetría de superficie láser

Ambos rayos láser se superponen en el volumen de medición y en esta área espacial generan un patrón de interferencia de franjas brillantes y oscuras.

El espaciado de franjas Δ s es una constante del sistema que depende de la longitud de onda del láser λ y del ángulo entre los rayos láser 2φ:

${\displaystyle \Delta s={\frac {\lambda }{2\sin \varphi }}}$

Si una partícula se mueve a través del patrón de franjas, entonces se modula la intensidad de la luz que dispersa.

Como resultado de esto, un fotorreceptor en el cabezal del sensor genera una señal de CA, cuya frecuencia f _D es directamente proporcional al componente de velocidad de la superficie en la dirección de medición v _p y se puede decir que:

${\displaystyle f_{\text{D}}={\frac {v_{\text{p}}}{\Delta s}}={\frac {2v}{\lambda }}\sin \varphi }$

f _D = frecuencia Doppler

v _p = Componente de velocidad en la dirección de la medición

Δ s = Espaciamiento de franjas en el volumen de medición

La técnica heterodina

Los velocímetros de superficie láser funcionan en el llamado modo heterodino, es decir, la frecuencia de uno de los rayos láser se desplaza en un desplazamiento de 40 MHz, por ejemplo. Esto hace que las franjas en el volumen de medición se desplacen con una velocidad correspondiente a la frecuencia de desplazamiento f _B . Esto permite entonces identificar la dirección de movimiento del objeto y medir a la velocidad cero. La frecuencia de modulación resultante f _mod en el fotorreceptor en modo heterodino es:

${\displaystyle f_{\text{mod}}=f_{\text{b}}+{\frac {v_{\text{p}}}{\Delta s}}=f_{\text{b}}+{\frac {2v}{\lambda }}\sin \varphi }$

La frecuencia de modulación se determina en el controlador mediante la transformación de Fourier y se convierte en el valor de medición de la velocidad v _p . La medición de la longitud se realiza mediante la integración de la señal de velocidad.

Aplicaciones

Los velocímetros de superficie láser miden la velocidad y la longitud de superficies en movimiento en bobinas, tiras, tubos, fibra, película, papel, papel de aluminio, madera compuesta o casi cualquier otro material en movimiento, incluido el acero caliente. ^[2] Los LSV pueden realizar varias tareas como control de corte a medida, medición de longitud de pieza y longitud de carrete, medición de velocidad y control de velocidad, medición de velocidad diferencial para control de flujo másico, calibración de codificador, control de marcador de inyección de tinta y muchas otras.

Véase también

• Velocimetría láser Doppler

Referencias

1. Cimbala, John (19 de noviembre de 2013). "Medición de velocidad lineal" (PDF) . Facultad de Ingeniería de Penn State . pp. 4, 5.{{cite web}}: CS1 maint: estado de la URL ( enlace )
2. "Polytec InFocus 2/2010 página 19" (PDF) .

Literatura

• Peter M. Nawfel: Un sensor de velocidad sin contacto basado en láser ayuda a reducir las roturas en el desbobinado a alta velocidad. TAPPI, 2004.
• K. Matsubara, W. Stork, A. Wagner, J. Drescher y KD Müller-Glaser: Medición simultánea de la velocidad y el desplazamiento de una superficie rugosa en movimiento mediante un velocímetro láser Doppler. Applied Optics , vol. 36, número 19, págs. 4516–4520, 1997 (en línea).
• Bruce E. Truax, Frank C. Demarest y Gary E. Sommargren: Velocímetro láser Doppler para mediciones de velocidad y longitud de superficies en movimiento. Applied Optics , vol. 23, número 1, págs. 67–73, 1984 (en línea).

Enlaces externos

Principio de funcionamiento de la velocimetría de superficie láser (vídeo)