摘 要： 介紹了利用相關(guān)技術(shù)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(guān)測速儀。該測速儀已在馬鋼熱軋材運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

１ 相關(guān)測速的意義

相關(guān)技術(shù)是以信息論和隨機過程理論為基礎(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。

２ 相關(guān)測速原理

圖１給出了運用相關(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：

常數(shù)，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(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：

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動速度：

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。因而，設(shè)法對信號進行移位比較、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)做一次異或非運算，并用計數(shù)器累加運算結(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：

５ 測速儀的現(xiàn)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(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(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。

③盡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對計算機采集前的信號進行預(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(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：

①提高放大器的放大倍數(shù)，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(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行了改進，在實際使用中證明是十分有效的。