レーザ表面速度

レーザ表面速度計 (LSV) は、レーザードップラー原理を応用して、搬送されている測定ターゲットに照射したレーザの反射光から実際の搬送速度を測定します。ポリテックの LSV では、ヘテロダイン検出法をベースとする高性能な検出回路を搭載しており、この回路で光のドップラーシフトを計測します。従来の非接触型センサでは搬送速度のみが測定できましたが、ポリテックのヘテロダイン検出回路では、搬送されている方向 (+ / -) やその変化、そして静止状態まで検出できます。さらに、ごくわずかな変位や速度変化も探知できる優れた測定精度によって、より厳密なプロセス制御が可能になります。

 差分ドップラー法

ポリテックの LSV は、差分ドップラー法と呼ばれる原理に基づいて動作します。2 本のレーザビームを三角形を描くように測定する表面に向かって照射し、その頂点がちょうど表面上で重なるように、2 本のビームを交差させます。装置の光軸はこの頂点の中心にあり、光軸とそれぞれのビームのなす角は φ となります。装置は、測定する表面に対して垂直に設置し、流れる速度に応じて測定距離を調整します。速度 v で搬送されている物体上で、2 本のレーザビームはポイント P で交差します。2 本のレーザビームの周波数はドップラーシフトされます。このとき、上流にあるビームの周波数は低くシフトし、下流にあるビームの周波数は高くシフトします。

2 本のレーザビームは測定空間で重なり、明部と暗部で構成される干渉縞をもつ測定空間を形成します。この干渉縞の間隔 Δs はシステム定数であり、レーザの波長 ω と、2 本のレーザビームがなす角 2φ によって決まります。

Δs = λ/(2 sin φ)

粒子が干渉縞を通り抜けるとき、レーザの散乱光の強さが変調されます。

その結果、センサヘッド内部の光受信部が、それを検出して AC 信号を生成します。この AC 信号の周波数は、測定方向の測定表面の速度成分 vp に正比例する周波数 fDになります。周波数fD D は、次の式で求められます。

  • fD = vp/Δs = (2vp/λ) sin φ
  • fD = ドップラー周波数
  • vp = 測定方向における速度成分
  • Δs = 測定空間の干渉縞の間隔

値 λ/sin φ によって、搬送される物体の速度と長さが特定できます。

 ヘテロダイン技術

LSV はヘテロダイン方式で搬送されている方向 (+ / -) やその変化、そして静止状態を検出しています。その原理は、片方のレーザビームの周波数が、オフセット周波数fB である40 MHz分シフトされることにより、測定空間の干渉縞は、オフセット周波数fB に一致する速度で動きます。 このため、測定物の運動方向が検出でき、ゼロ速度を測定することが可能になります。 その結果、光ディテクタで検出される変調周波数fmod は、次式のように表されます。

fmod = fb + vp / Δs = fb + (2vp/λ) sin φ

LSV では、変調周波数をフーリエ変換し、速度vp の測定値として変換します。長さは、速度vpを積分することにより求めることができます。

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