摘 要： 介紹了利用相關技術對熱軋速度進行在線測量的方法和原理及研制出的非接觸在線相關測速儀。該測速儀已在馬鋼熱軋材運動速度測量中得到應用。
關鍵詞： 相關 測速儀 渡越時間
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1 相關測速的意義
相關技術是以信息論和隨機過程理論為基礎的，近20多年來，它在許多領域得到了廣泛應用，尤其是在檢測技術領域內，如速度、流量測量等方面獲得了迅速的發展。本文以熱軋材速度為對象，研究相關技術在熱軋材非接觸式在線測量中的應用。熱軋材的速度在線檢測是連軋生產中一個重要問題，也是實現連軋無張力控制的關鍵。由于接觸式速度測量存在前滑現象，測量誤差較大，其應用因此受到限制，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，從而進行張力控制。所以，研究軋材速度的相關法非接觸在線檢測是非常必要的。
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2 相關測速原理
圖1給出了運用相關技術測量軋材速度的原理圖。如圖所示，在沿軋材運動方向的一直線上，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，τ0為軋材從前一個探頭以速度v運動到后一個探頭的渡越時間。
設x(t)和y(t)為各態歷經的平穩過程，則x(t)和y(t)的有限時間的自相關函數為：
根據自相關函數性質可知，該互相關曲線在t＝τ0處存在峰值，圖2(b)給出了典型的互相關曲線。設在渡越時間τ0內，軋材作勻速運動，則軋材運動速度為：
V＝L/τ0 (2)
因此，相關測速的核心問題有兩個：一是如何從技術上實現獲取的信號為相關性較好的隨機信號；二是渡越時間τ0的在線計算。
3 相關信號的獲取
為了獲取質量較高的相關信號，我們采用圖3所示的信號傳感器裝置。
該裝置由兩路光學特性完全相同的光學系統組成，同一信號經過兩組光學系統后的輸出信號理論上應是完全相同的，光學系統的敏感波段為紅外區。兩組光學系統的光軸相距25mm，將兩組光學系統精密加工并固定在一起，形成相關測速儀的紅外光學傳感器。測量時，將該傳感器對準運動的熱軋鋼材，則兩路光學系統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動速度：
V＝25/τ0 (3)
可見，精確測量出渡越時間τ0的值是實現準確測量熱軋鋼材運動速度的關鍵。
4 渡越時間τ0的在線測量和計算
由相關函數的性質可知，兩個完全相同的信號相關度最大，從紅外傳感器來的兩路信號僅相差一個時間延遲。向某一方向將數據移位并做相關運算后，記錄移位的個數，當移位到兩組數據的對應點相同時，相關度最大。通過這一最大的相關值對應的移位個數，即可求出渡越時間τ0。因而，設法對信號進行移位比較、找出其相關值最大時的移動間隔成為該系統信息處理的關鍵。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、下游信號經過放大器后，進行二值化處理，并將結果分別存于存儲器1和存儲器2中，然后連續改變延時地址。延時地址每改變一次，將下游數據和上游數據移位后對應的數據做一次異或非運算，并用計數器累加運算結果，逐個移位找出計數器的最大值，再通過移位的個數求出采樣間隔N。設采樣的時鐘周期為T，則渡越時間為：
τ0＝NT (4)
5 測速儀的現狀分析及改進方法
按照上述原理，我們已研制出測速儀的樣機，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，測速儀測量準確且穩定，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，數據輸出不夠穩定，需進一步改進。
針對測速儀存在的問題，我們采取下列措施對測速儀進行了改進。
(1)提高上、下游信號的一致性。眾所周知，信號越相似，其相關性就越大。因此，要設法使上、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系統一致，這是相關測速的基礎。使被測對象上、下游兩路相似信號經過光學系統后，輸出信號仍然相似，以提高紅外傳感器輸出信號的相關性。
②盡量使紅外傳感器兩路光學系統的狹縫大小相等。實驗表明，對同一測量對象，調整光學系統的狹縫，當兩路大小相等時，相關結果就好，測出的熱軋材速度就準確而穩定。
③盡量使紅外傳感器輸出的兩路信號經過的放大電路性能一致。這樣可使兩路相關性很好的信號放大后，其相關性仍然很好。這是保證兩路相關信號數字化后仍保持一致的重要環節。
(2)提高信號的質量。提供高質量的信號，計算機才能處理出正確的結果。具體做法如下：
①在紅外傳感器前加上紅外濾光片。對我們設計的測速儀，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。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，而使相關性下降。
③對計算機采集前的信號進行預處理。光學信號經紅外傳感器輸出的信號經光纖傳至處理電路時，先經過放大整形處理后，計算機再對其進行采集，以提高采集信號的正確性。
(3)抑制平均效應。測速儀對氧化鐵皮分布小而密的被測對象測量不準確的原因主要是由于平均效應引起的。因此，要盡量克服平均效應對測量的影響。為了有效地抑制平均效應，可減小紅外傳感器光學系統的狹縫。實踐證明這樣能夠有效地抑制平均效應，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：
①提高放大器的放大倍數，以增大輸入到計算機中被測信號的能量。
②減小紅外傳感器和測量對象的距離，以提高輸入信號的能量。
③減小信號的傳輸環節。縮短光纖的傳輸距離，在可能的情況下，去掉光纖傳輸環節，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，以冷卻工作系統。
目前，相關測速儀已在馬鋼的熱軋鋼材現場得到應用。按照文中所述的方法對測速儀進行了改進，在實際使用中證明是十分有效的。
參考文獻
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