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2004年6月10日
一、实验目的：
相关测速利用流动随机噪声信号，通过搜索互相关函数图像的峰值所对应的延迟时间进行流速测量，具有非接触、抗干扰能力强和适应恶劣环境等特点，典型应用如钢铁厂热轧材的速度测量、烟气或泥浆等多相流的流量测量等。
现今流行的颗粒图像速度仪（PVI,DPVI）采用的也是基于两数据序列相关性的速度测量技术。
该实验将传感器技术、检测技术、信号、数字信号处理、控制电机的控制与驱动等相关知识进行贯通和综合。
通过实验，学生将了解掌握相关测速原理，了解相关测速系统的基本构成及系统参数设计原则；
了解掌握光电编码器的应用；
典型的电机调速方法；
数据采集卡的编程应用；
数据相关等信号处理技术等。
二、实验内容：
1、流动噪声发生-电机转速控制实验
1在了解步进电机或变频电机的转速控制方法的基础上，完成转速设定及电机驱动，确定转速范围，计算传送带的线速度；
2了解增量光电编码器的工作原理、主要性能指标和输出信号的形式；
了解可逆计数电路的工作原理；
完成光电编码器与计数电路的连线，通过串口读取计数电路输出，获得转速；
3通过光电编码器测量实际转速，对转速进行反馈控制。
2、相关测速数字仿真及针对周期干扰信号的预处理
1通过运行数字仿真程序，了解实验原理和系统参数，了解掌握随机信号自相关函数的特性以及周期信号自相关函数的特性；
2将周期干扰信号混入随机噪声信号中，考察加入50赫兹陷波器的作用。
3、相关测速及系统参数设计
被测量为传送带的线速度，随机噪声由粘贴在传送带上锡纸的不规则表面对电涡流或光电传感器的反射生成。
1设计合理的传感器间距，考察传感器间距对测量精度的影响；
2设计合理的样本容量，并考察样本容量对数据处理结果的影响；
3利用数采卡对两路随机噪声信号进行采集，用直接数字相关法和FFT方法进行互相关处理，求得速度值。
三、实验示意图
相关测速实验装置、相关测速实验软件主界面及相关测速实验结果显示窗口分别如图1、2和3所示。
图1相关测速实验装置
图2相关测速实验软件主界面1
图3相关测速实验软件主界面2
四、实验用主要仪器设备、消耗品
仪器设备名称
规格
消耗品名称
相关测速实验装置
（含控制电机，光电编码器，带轮和传送带，传感器夹持架，带通信接口的可逆计数器）
铝箔
24V直流稳压电源
流动噪声传感器两个
电涡流传感器或光电传感器
计算机
安装PCI9111DG数据采集卡、步进电机卡PCI-8144、光电编码器数采卡SGC-PCI3.1和相关测速实验操作软件
五、实验原理及原始计算数据、所应用的公式
运用相关原理进行速度测量的原理如图4所示。
沿运动物体速度方向相隔一定距离安装两个传感器S1和S2如图4（a）所示，通过S1、S2获得与运动物体表面性质有关的流动噪声信号如图4（b）中的S1（t）和S2（t）所示。
如果S1和S2性能完全相同，两者距离足够近，可以认为
和
的波形完全相同，它们之间仅存在一个延时t0，它是运动物体同一点过上游传感器S1时刻和过下游传感器S2时刻的时间差，称为“渡越时间”。
求得渡越时间t0就可以获得目标运动速度：
（1-1）
通过求取
的互相关函数，可以求得渡越时间t0。
按定义，
的互相关函数为：
（1-2）
因为
，故有：
（1-3）
根据相关函数的性质可知，在τ等于渡越时间t0时，互相关函数R取得最大值。
因此，只要在延迟域找到
的最大值点，就可以得到：
（1-4）
一般用有限时间的积分代替上式，有
（1-5）
在数字化的处理中，若选定采样周期为δ，则上下游信号表示为离散的S1（nδ）和S2（nδ），n为整数。
其互相关函数表示为
（1-6）
找出使R取得最大值的点m=m0，即得渡越时间为m0δ。
实际上整个相关算法主要是计算线性卷积，可通过圆周卷积计算得到。
设待卷积的两个序列分别为
，用圆周卷积计算线性卷积的方法归纳如下：
将长为N2的序列
延长到L,补L-N2个零
将长为N1的序列
延长到L,补L-N1个零
如果L≥N1+N2-1，则圆周卷积与线性卷积相等，此时，可用FFT计算线性卷积，方法如下：
a）
计算
b）求
c）求
k=0～L-1
d）求
n=0～L-1
可见，只要进行二次FFT，一次IFFT就可完成线性卷积计算，计算量减小了很多。
相关测速的信号处理过程概括如下：
图5系统流程图
图6系统结构框图
在本实验装置中，由步进电机或三相异步电机带动皮带产生线速度信号，电机转速可通过脉冲输入或变频控制器调节。
皮带轮上贴有铝箔，铝箔随皮带运动，表面特征依次被上游和下游传感器读得，求两信号的互相关函数就能获得渡越时间值。
本实验装置中还设计有一套光电编码器测速子系统，旋转光电编码器测量皮带轮的转速，转速转换成皮带的线速度作为速度参考值。
六、实验数据记录
七、实验结果计算及曲线
八、对实验结果和实验中某些现象的分析讨论
九、实验方法指示及注意事项
1）确认变频器、电机、传感器与电源、计算机的正确连接。
2）确认皮带上的铝箔无脱落，调整传感器的垂直距离，确保皮带通过时铝箔在传感器的线性测量范围内。
3）打开电涡流传感器的24V供电电源。
运行实验配套软件，启动电机，调节旋钮调节电机转速。
4）选择“教师演示”的选项，待电机到达稳定转速时按下“开始”键。
由于铝箔连续，任何时刻均可以开始测量。
观察屏幕显示的测量结果，记录测量数据。
5）更改相关运算的软件参数，如采样频率、处理周期。
观察测量结果，比较系统在各参数下的测量情况。
6）更改硬件参数，如传感器间距、传感器离皮带表面高度、皮带运行速度等参数。
观察测量结果，比较测量情况。
7）比较采用不同直径电涡流传感器的实验结果。
8）有目的的重复步骤4，5，6。
对效果较好的测量结果，可以先停止测速。
得到定性结论。
9）选择“教师演示”的选项，待电机到达稳定转速时按下“开始”键，更改相关运算的软件参数，如采样频率、传感器记录。
10）停止测量后，记住当前测量结果文件。
重复9）步骤。
11）完成所有测量后，关闭程序，停止变频器，最后关闭传感器电源。
12）更改硬件参数时一定要先停电机（切段电机电源），然后再进行操作。
13）进行连续测量时，程序一直判断铝箔信号然后进行相关运算，不能在这个时候更改软件参数。
一十、尚待解决的问题
一十一、对学生的要求
1.实验之前应充分预习，了解掌握随机信号及其自相关和互相关函数的特点。
2.应在掌握各种数字相关算法的基础上编写数字相关算法程序。
3.对以下问题进行思考，并在实验报告中给出相关分析。
a）运用数据相关的性质解释有低频滤波与没有低频滤波时相关函数曲线的差别。
b）工业过程中哪些地方还可以用到相关测速？
哪些现有的测速方法换成相关测速会更好？
除了测速以外，相关技术还能用在哪些地方？
c）使用数字相关，渡越时间t0的测量极限分辨值是采样周期δ，它是直接影响速度测量精度的因素。
请分析一下采样周期是怎么影响测量结果的。
如果测量同一个速度值，采样周期改变后，其他参数应该怎样进行调整。
一十二、参考文献
1．袁镇福.周洁，信号滤波和传感器特性对相关测速影响的研究，仪器仪表学报2001年01期
2．吴伟亮.陈汉平.吴志锋，提高相关测速中亚时间采样间隔精度的数学处理方法，计算机仿真,2002年02期
3．刘晓平.相关测速仪测量精度与信号处理，工业计量,2000年05期
4．王伟华.邵德奇，气泡幕的相关测速技术，光电子.激光,2005年10期
5．陈敏.何俊华.王锋;
陈良益;
，热轧速度相关测速仪的研制和改进中国仪器仪表,2000年01期
6．吴龙华.唐洪武.严忠民;
，数字粒子图像测速中相关分析算法的改进水利水运工程学报,2002年01期
备注
实验设计者：
蔡萍，毕浩然
首开实验时间：
2004年12月
编写人：
编写时间：
2004年6月
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