摘 要： 介紹了利用相關(guān)技術(shù)對(duì)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(dòng)速度測量中得到應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 相關(guān) 測速儀 渡越時(shí)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(duì)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(gè)重要問題，也是實(shí)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(dòng)方向的一直線上，安裝兩個(gè)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(gè)探頭以速度v運(yùn)動(dòng)到后一個(gè)探頭的渡越時(shí)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(shí)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(shí)間τ0內(nèi)，軋材作勻速運(yùn)動(dòng)，則軋材運(yùn)動(dòng)速度為：
V＝L/τ0 (2)
因此，相關(guān)測速的核心問題有兩個(gè)：一是如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)獲取的信號(hào)為相關(guān)性較好的隨機(jī)信號(hào)；二是渡越時(shí)間τ0的在線計(jì)算。
3 相關(guān)信號(hào)的獲取
為了獲取質(zhì)量較高的相關(guān)信號(hào)，我們采用圖3所示的信號(hào)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(hào)經(jīng)過兩組光學(xué)系統(tǒng)后的輸出信號(hào)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(shí)，將該傳感器對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的熱軋鋼材，則兩路光學(xué)系統(tǒng)對(duì)鋼材同一物理位置采集到的信號(hào)僅相差一個(gè)時(shí)間延遲，是相關(guān)很好的兩路信號(hào)。該延遲即為渡越時(shí)間τ0，由(2)式即可求得熱軋鋼材的運(yùn)動(dòng)速度：
V＝25/τ0 (3)
可見，精確測量出渡越時(shí)間τ0的值是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量熱軋鋼材運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)鍵。
4 渡越時(shí)間τ0的在線測量和計(jì)算
由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知，兩個(gè)完全相同的信號(hào)相關(guān)度最大，從紅外傳感器來的兩路信號(hào)僅相差一個(gè)時(shí)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(gè)數(shù)，當(dāng)移位到兩組數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)相同時(shí)，相關(guān)度最大。通過這一最大的相關(guān)值對(duì)應(yīng)的移位個(gè)數(shù)，即可求出渡越時(shí)間τ0。因而，設(shè)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行移位比較、找出其相關(guān)值最大時(shí)的移動(dòng)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(hào)處理方法來尋找渡越時(shí)間。上、下游信號(hào)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(chǔ)器1和存儲(chǔ)器2中，然后連續(xù)改變延時(shí)地址。延時(shí)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)做一次異或非運(yùn)算，并用計(jì)數(shù)器累加運(yùn)算結(jié)果，逐個(gè)移位找出計(jì)數(shù)器的最大值，再通過移位的個(gè)數(shù)求出采樣間隔N。設(shè)采樣的時(shí)鐘周期為T，則渡越時(shí)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(shí)際使用表明：對(duì)熱軋材上氧化鐵皮分布大而疏的測量對(duì)象，測速儀測量準(zhǔn)確且穩(wěn)定，能夠滿足測量要求；但對(duì)熱軋材上氧化鐵皮分布小而密的測量對(duì)象，數(shù)據(jù)輸出不夠穩(wěn)定，需進(jìn)一步改進(jìn)。
針對(duì)測速儀存在的問題，我們采取下列措施對(duì)測速儀進(jìn)行了改進(jìn)。
(1)提高上、下游信號(hào)的一致性。眾所周知，信號(hào)越相似，其相關(guān)性就越大。因此，要設(shè)法使上、下游信號(hào)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(duì)象上、下游兩路相似信號(hào)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，輸出信號(hào)仍然相似，以提高紅外傳感器輸出信號(hào)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(shí)驗(yàn)表明，對(duì)同一測量對(duì)象，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的狹縫，當(dāng)兩路大小相等時(shí)，相關(guān)結(jié)果就好，測出的熱軋材速度就準(zhǔn)確而穩(wěn)定。
③盡量使紅外傳感器輸出的兩路信號(hào)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(hào)放大后，其相關(guān)性仍然很好。這是保證兩路相關(guān)信號(hào)數(shù)字化后仍保持一致的重要環(huán)節(jié)。
(2)提高信號(hào)的質(zhì)量。提供高質(zhì)量的信號(hào)，計(jì)算機(jī)才能處理出正確的結(jié)果。具體做法如下：
①在紅外傳感器前加上紅外濾光片。對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的測速儀，光電管對(duì)紅外波長最敏感，但并不是對(duì)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(hào)中的雜散信號(hào)，大大提高輸入信號(hào)的質(zhì)量。
②選用兩條完全相同的光纖傳輸信號(hào)，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(hào)失真，而使相關(guān)性下降。
③對(duì)計(jì)算機(jī)采集前的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。光學(xué)信號(hào)經(jīng)紅外傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)光纖傳至處理電路時(shí)，先經(jīng)過放大整形處理后，計(jì)算機(jī)再對(duì)其進(jìn)行采集，以提高采集信號(hào)的正確性。
(3)抑制平均效應(yīng)。測速儀對(duì)氧化鐵皮分布小而密的被測對(duì)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(duì)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(shí)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(hào)能量的降低，因此，在減小狹縫時(shí)必須考慮增加信號(hào)的能量。增加信號(hào)能量的具體做法如下：
①提高放大器的放大倍數(shù)，以增大輸入到計(jì)算機(jī)中被測信號(hào)的能量。
②減小紅外傳感器和測量對(duì)象的距離，以提高輸入信號(hào)的能量。
③減小信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)。縮短光纖的傳輸距離，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(gè)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(duì)測速儀進(jìn)行了改進(jìn)，在實(shí)際使用中證明是十分有效的。
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