相关技术在热轧速度在线测量中的应用
2009-02-17
作者：王 伟1 邵德奇2
摘 要： 介绍了利用相关技术对热轧速度进行在线测量的方法和原理及研制出的非接触在线相关测速仪。该测速仪已在马钢热轧材运动速度测量中得到应用。
关键词： 相关 测速仪 渡越时间
1 相关测速的意义
相关技术是以信息论和随机过程理论为基础的，近20多年来，它在许多领域得到了广泛应用，尤其是在检测技术领域内，如速度、流量测量等方面获得了迅速的发展。本文以热轧材速度为对象，研究相关技术在热轧材非接触式在线测量中的应用。热轧材的速度在线检测是连轧生产中一个重要问题，也是实现连轧无张力控制的关键。由于接触式速度测量存在前滑现象，测量误差较大，其应用因此受到限制，而非接触式测速法不存在前滑问题，精度较高，且可间接测量张力，从而进行张力控制。所以，研究轧材速度的相关法非接触在线检测是非常必要的。
2 相关测速原理
图1给出了运用相关技术测量轧材速度的原理图。如图所示，在沿轧材运动方向的一直线上，安装两个特性相同、相距为L的光纤式红外探头。理想情况下，所获得的x(t)和y(t)的波形是完全相似的，如图2(a)所示。由此，我们得：
y(t)＝αx(t－τ0)
上式中，α为一常数，τ0为轧材从前一个探头以速度v运动到后一个探头的渡越时间。
设x(t)和y(t)为各态历经的平稳过程，则x(t)和y(t)的有限时间的自相关函数为：
根据自相关函数性质可知，该互相关曲线在t＝τ0处存在峰值，图2(b)给出了典型的互相关曲线。设在渡越时间τ0内，轧材作匀速运动，则轧材运动速度为：
V＝L/τ0 (2)
因此，相关测速的核心问题有两个：一是如何从技术上实现获取的信号为相关性较好的随机信号；二是渡越时间τ0的在线计算。
3 相关信号的获取
为了获取质量较高的相关信号，我们采用图3所示的信号传感器装置。
该装置由两路光学特性完全相同的光学系统组成，同一信号经过两组光学系统后的输出信号理论上应是完全相同的，光学系统的敏感波段为红外区。两组光学系统的光轴相距25mm，将两组光学系统精密加工并固定在一起，形成相关测速仪的红外光学传感器。测量时，将该传感器对准运动的热轧钢材，则两路光学系统对钢材同一物理位置采集到的信号仅相差一个时间延迟，是相关很好的两路信号。该延迟即为渡越时间τ0，由(2)式即可求得热轧钢材的运动速度：
V＝25/τ0 (3)
可见，精确测量出渡越时间τ0的值是实现准确测量热轧钢材运动速度的关键。
4 渡越时间τ0的在线测量和计算
由相关函数的性质可知，两个完全相同的信号相关度最大，从红外传感器来的两路信号仅相差一个时间延迟。向某一方向将数据移位并做相关运算后，记录移位的个数，当移位到两组数据的对应点相同时，相关度最大。通过这一最大的相关值对应的移位个数，即可求出渡越时间τ0。因而，设法对信号进行移位比较、找出其相关值最大时的移动间隔成为该系统信息处理的关键。为此，我们采用图4所示的信号处理方法来寻找渡越时间。上、下游信号经过放大器后，进行二值化处理，并将结果分别存于存储器1和存储器2中，然后连续改变延时地址。延时地址每改变一次，将下游数据和上游数据移位后对应的数据做一次异或非运算，并用计数器累加运算结果，逐个移位找出计数器的最大值，再通过移位的个数求出采样间隔N。设采样的时钟周期为T，则渡越时间为：
τ0＝NT (4)
5 测速仪的现状分析及改进方法
按照上述原理，我们已研制出测速仪的样机，实际使用表明：对热轧材上氧化铁皮分布大而疏的测量对象，测速仪测量准确且稳定，能够满足测量要求；但对热轧材上氧化铁皮分布小而密的测量对象，数据输出不够稳定，需进一步改进。
针对测速仪存在的问题，我们采取下列措施对测速仪进行了改进。
(1)提高上、下游信号的一致性。众所周知，信号越相似，其相关性就越大。因此，要设法使上、下游信号尽可能相似。具体做法如下：
①尽量使红外传感器的两路光学系统一致，这是相关测速的基础。使被测对象上、下游两路相似信号经过光学系统后，输出信号仍然相似，以提高红外传感器输出信号的相关性。
②尽量使红外传感器两路光学系统的狭缝大小相等。实验表明，对同一测量对象，调整光学系统的狭缝，当两路大小相等时，相关结果就好，测出的热轧材速度就准确而稳定。
③尽量使红外传感器输出的两路信号经过的放大电路性能一致。这样可使两路相关性很好的信号放大后，其相关性仍然很好。这是保证两路相关信号数字化后仍保持一致的重要环节。
(2)提高信号的质量。提供高质量的信号，计算机才能处理出正确的结果。具体做法如下：
①在红外传感器前加上红外滤光片。对我们设计的测速仪，光电管对红外波长最敏感，但并不是对其它波长的光没有反应。因而加入红外滤光片后，可有效地去除信号中的杂散信号，大大提高输入信号的质量。
②选用两条完全相同的光纤传输信号，并且在满足传输要求的情况下，使它尽可能地短。这样不致于在光纤传输过程中信号失真，而使相关性下降。
③对计算机采集前的信号进行预处理。光学信号经红外传感器输出的信号经光纤传至处理电路时，先经过放大整形处理后，计算机再对其进行采集，以提高采集信号的正确性。
(3)抑制平均效应。测速仪对氧化铁皮分布小而密的被测对象测量不准确的原因主要是由于平均效应引起的。因此，要尽量克服平均效应对测量的影响。为了有效地抑制平均效应，可减小红外传感器光学系统的狭缝。实践证明这样能够有效地抑制平均效应，但是，狭缝减小又伴随信号能量的降低，因此，在减小狭缝时必须考虑增加信号的能量。增加信号能量的具体做法如下：
①提高放大器的放大倍数，以增大输入到计算机中被测信号的能量。
②减小红外传感器和测量对象的距离，以提高输入信号的能量。
③减小信号的传输环节。缩短光纤的传输距离，在可能的情况下，去掉光纤传输环节，直接将前置放大安装在红外传感器上面，这样就需要加上一个水冷系统，以冷却工作系统。
目前，相关测速仪已在马钢的热轧钢材现场得到应用。按照文中所述的方法对测速仪进行了改进，在实际使用中证明是十分有效的。
参考文献
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2 严钟豪，谭祖根.非电量电测技术. 北京：机械工业出版社.1987
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4 潘新民，王燕芳.微型计算机与传感器技术.北京：人民邮电出版社,1988
5 张以漠.应用光学.北京：机械工业出版社,1983