摘 要： 介紹了利用相關(guān)技術(shù)對熱軋速度進(jìn)行在線測量的方法和原理及研制出的非接觸在線相關(guān)測速儀。該測速儀已在馬鋼熱軋材運(yùn)動速度測量中得到應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞： 相關(guān) 測速儀 渡越時間
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1 相關(guān)測速的意義
相關(guān)技術(shù)是以信息論和隨機(jī)過程理論為基礎(chǔ)的,，近20多年來，它在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,，尤其是在檢測技術(shù)領(lǐng)域內(nèi),，如速度、流量測量等方面獲得了迅速的發(fā)展,。本文以熱軋材速度為對象,，研究相關(guān)技術(shù)在熱軋材非接觸式在線測量中的應(yīng)用。熱軋材的速度在線檢測是連軋生產(chǎn)中一個重要問題,，也是實現(xiàn)連軋無張力控制的關(guān)鍵,。由于接觸式速度測量存在前滑現(xiàn)象，測量誤差較大,，其應(yīng)用因此受到限制,，而非接觸式測速法不存在前滑問題，精度較高,，且可間接測量張力,，從而進(jìn)行張力控制。所以,，研究軋材速度的相關(guān)法非接觸在線檢測是非常必要的,。
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2 相關(guān)測速原理
圖1給出了運(yùn)用相關(guān)技術(shù)測量軋材速度的原理圖。如圖所示,，在沿軋材運(yùn)動方向的一直線上,，安裝兩個特性相同,、相距為L的光纖式紅外探頭。理想情況下,，所獲得的x(t)和y(t)的波形是完全相似的,，如圖2(a)所示。由此,，我們得：
y(t)＝αx(t－τ0)
上式中,，α為一常數(shù)，τ0為軋材從前一個探頭以速度v運(yùn)動到后一個探頭的渡越時間,。
設(shè)x(t)和y(t)為各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)過程,，則x(t)和y(t)的有限時間的自相關(guān)函數(shù)為：
根據(jù)自相關(guān)函數(shù)性質(zhì)可知，該互相關(guān)曲線在t＝τ0處存在峰值,，圖2(b)給出了典型的互相關(guān)曲線,。設(shè)在渡越時間τ0內(nèi)，軋材作勻速運(yùn)動,，則軋材運(yùn)動速度為：
V＝L/τ0 (2)
因此,，相關(guān)測速的核心問題有兩個：一是如何從技術(shù)上實現(xiàn)獲取的信號為相關(guān)性較好的隨機(jī)信號；二是渡越時間τ0的在線計算,。
3 相關(guān)信號的獲取
為了獲取質(zhì)量較高的相關(guān)信號,，我們采用圖3所示的信號傳感器裝置。
該裝置由兩路光學(xué)特性完全相同的光學(xué)系統(tǒng)組成,，同一信號經(jīng)過兩組光學(xué)系統(tǒng)后的輸出信號理論上應(yīng)是完全相同的,，光學(xué)系統(tǒng)的敏感波段為紅外區(qū)。兩組光學(xué)系統(tǒng)的光軸相距25mm,，將兩組光學(xué)系統(tǒng)精密加工并固定在一起,，形成相關(guān)測速儀的紅外光學(xué)傳感器。測量時,，將該傳感器對準(zhǔn)運(yùn)動的熱軋鋼材,，則兩路光學(xué)系統(tǒng)對鋼材同一物理位置采集到的信號僅相差一個時間延遲，是相關(guān)很好的兩路信號,。該延遲即為渡越時間τ0,，由(2)式即可求得熱軋鋼材的運(yùn)動速度：
V＝25/τ0 (3)
可見，精確測量出渡越時間τ0的值是實現(xiàn)準(zhǔn)確測量熱軋鋼材運(yùn)動速度的關(guān)鍵,。
4 渡越時間τ0的在線測量和計算
由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知,，兩個完全相同的信號相關(guān)度最大，從紅外傳感器來的兩路信號僅相差一個時間延遲,。向某一方向?qū)?shù)據(jù)移位并做相關(guān)運(yùn)算后,，記錄移位的個數(shù)，當(dāng)移位到兩組數(shù)據(jù)的對應(yīng)點相同時，相關(guān)度最大,。通過這一最大的相關(guān)值對應(yīng)的移位個數(shù),，即可求出渡越時間τ0。因而,，設(shè)法對信號進(jìn)行移位比較、找出其相關(guān)值最大時的移動間隔成為該系統(tǒng)信息處理的關(guān)鍵,。為此,，我們采用圖4所示的信號處理方法來尋找渡越時間。上,、下游信號經(jīng)過放大器后,，進(jìn)行二值化處理，并將結(jié)果分別存于存儲器1和存儲器2中,，然后連續(xù)改變延時地址,。延時地址每改變一次，將下游數(shù)據(jù)和上游數(shù)據(jù)移位后對應(yīng)的數(shù)據(jù)做一次異或非運(yùn)算,，并用計數(shù)器累加運(yùn)算結(jié)果,，逐個移位找出計數(shù)器的最大值，再通過移位的個數(shù)求出采樣間隔N,。設(shè)采樣的時鐘周期為T,，則渡越時間為：
τ0＝NT (4)
5 測速儀的現(xiàn)狀分析及改進(jìn)方法
按照上述原理，我們已研制出測速儀的樣機(jī),，實際使用表明：對熱軋材上氧化鐵皮分布大而疏的測量對象,，測速儀測量準(zhǔn)確且穩(wěn)定，能夠滿足測量要求,；但對熱軋材上氧化鐵皮分布小而密的測量對象,，數(shù)據(jù)輸出不夠穩(wěn)定，需進(jìn)一步改進(jìn),。
針對測速儀存在的問題,，我們采取下列措施對測速儀進(jìn)行了改進(jìn)。
(1)提高上,、下游信號的一致性,。眾所周知，信號越相似,，其相關(guān)性就越大,。因此，要設(shè)法使上,、下游信號盡可能相似,。具體做法如下：
①盡量使紅外傳感器的兩路光學(xué)系統(tǒng)一致,，這是相關(guān)測速的基礎(chǔ),。使被測對象上,、下游兩路相似信號經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，輸出信號仍然相似,，以提高紅外傳感器輸出信號的相關(guān)性,。
②盡量使紅外傳感器兩路光學(xué)系統(tǒng)的狹縫大小相等,。實驗表明,，對同一測量對象，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的狹縫,，當(dāng)兩路大小相等時,，相關(guān)結(jié)果就好，測出的熱軋材速度就準(zhǔn)確而穩(wěn)定,。
?、郾M量使紅外傳感器輸出的兩路信號經(jīng)過的放大電路性能一致。這樣可使兩路相關(guān)性很好的信號放大后,，其相關(guān)性仍然很好,。這是保證兩路相關(guān)信號數(shù)字化后仍保持一致的重要環(huán)節(jié)。
(2)提高信號的質(zhì)量,。提供高質(zhì)量的信號,，計算機(jī)才能處理出正確的結(jié)果。具體做法如下：
?、僭诩t外傳感器前加上紅外濾光片,。對我們設(shè)計的測速儀，光電管對紅外波長最敏感,，但并不是對其它波長的光沒有反應(yīng),。因而加入紅外濾光片后，可有效地去除信號中的雜散信號,，大大提高輸入信號的質(zhì)量,。
②選用兩條完全相同的光纖傳輸信號,，并且在滿足傳輸要求的情況下,，使它盡可能地短。這樣不致于在光纖傳輸過程中信號失真,，而使相關(guān)性下降,。
③對計算機(jī)采集前的信號進(jìn)行預(yù)處理,。光學(xué)信號經(jīng)紅外傳感器輸出的信號經(jīng)光纖傳至處理電路時,，先經(jīng)過放大整形處理后，計算機(jī)再對其進(jìn)行采集，以提高采集信號的正確性,。
(3)抑制平均效應(yīng),。測速儀對氧化鐵皮分布小而密的被測對象測量不準(zhǔn)確的原因主要是由于平均效應(yīng)引起的。因此,，要盡量克服平均效應(yīng)對測量的影響,。為了有效地抑制平均效應(yīng)，可減小紅外傳感器光學(xué)系統(tǒng)的狹縫,。實踐證明這樣能夠有效地抑制平均效應(yīng),，但是，狹縫減小又伴隨信號能量的降低,，因此，在減小狹縫時必須考慮增加信號的能量,。增加信號能量的具體做法如下：
?、偬岣叻糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)，以增大輸入到計算機(jī)中被測信號的能量,。
?、跍p小紅外傳感器和測量對象的距離，以提高輸入信號的能量,。
?、蹨p小信號的傳輸環(huán)節(jié)?？s短光纖的傳輸距離,，在可能的情況下，去掉光纖傳輸環(huán)節(jié),，直接將前置放大安裝在紅外傳感器上面,，這樣就需要加上一個水冷系統(tǒng)，以冷卻工作系統(tǒng),。
目前,，相關(guān)測速儀已在馬鋼的熱軋鋼材現(xiàn)場得到應(yīng)用。按照文中所述的方法對測速儀進(jìn)行了改進(jìn),，在實際使用中證明是十分有效的,。
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