Архив
Отзывы читателей

Интернет-журнал “Капитал страны”
За прошедшие годы Ваше издание смогло себя отстоять на рынке печатной продукции и занять на нем достойное место. Однако это только первый шаг в завоевании читательской аудитории.
В условиях грядущей тотальной электронизации СМИ желаем Вам столь же успешно позиционировать себя и в Интернет-пространстве,...
Читать полностью

Главный редактор доктор экономических наук, академик РАЕН Е.В. Балацкий

Читать
Купить
Справочная

Присоединяйтесь к нам
в социальных сетях

TwitterLivejournalПрофессионалы.Ру

Facebook Мы Вконтакте



Русская Школа Управления

Опрос
  1. Как вы относитесь к созданию национальных стандартов в области бережливого производства: «Основные положения и словарь» и «Требования к системе менеджмента бережливого производства»?
    41% Полностью одобряю: нужны оба стандарта
    21% Не слышал об этих стандартах
    18% Нужен только стандарт «Общие положения и словарь»
    15% Не одобряю
    5% Затрудняюсь ответить
Выставки в ЦВК Экспоцентр


ГлавнаяЖурналы → «Мир измерений»

01.03.2018

Оптические и лазерные датчики скорости и длины

Как обеспечить точность

Рассмотрим сначала лазерный датчик как наиболее простой. Итак, есть движущийся объект, осветитель этого объекта (иначе ничего не увидим) и регистрирующая отражённый сигнал оптическая система. Это может быть просто линза и фотодетектор (ФД). Объект неоднороден по яркости и шероховатости, поэтому при движении ФД будет регистрировать сигнал, частота которого пропорциональна скорости. Характерное значение этой частоты определяется линейным размером области регистрации ФД и временем пересечения этой области элементом объекта. В принципе, задача решена, но очень неточно. Это так называемый низкочастотный сигнал. Для увеличения точности измерений необходимо сузить спектр частот, генерируемый движущимся объектом. И для этого есть радикальное средство – пространственный фильтр. Это термин из области оптических растровых датчиков. В случае лазерных датчиков – это просто создание интерференционной картины, т. е. периодической модуляции освещённости объекта в пределах лазерного пучка (это область детектирования). Это возможно благодаря свойству когерентности лазерного излучения – все фотоны в пучке сфазированы. Достаточно разделить исходный пучок на два пучка и свести их под углом друг к другу. Это и есть в данном случае пространственный фильтр.
Теперь любой перепад профиля или яркости объекта, пересекающий эту периодическую структуру, даст отражённый сигнал, интенсивность которого промодулирована с частотой “период освещённости” – “скорость его пересечения”. При этом чем больше число созданных периодов – тем ´уже спектр сигнала – единичный перепад профиля или яркости объекта будет генерировать не один импульс, а множество (цуг) импульсов, число которых определяется количеством периодов интерференционной картины. На практике, например, при диаметре пучка на объекте 5 мм и периоде интерференции 0,05 мм получаем 100 штрихов интенсивности, соответственно, цугов сигнала, т. е. спектр сузился примерно в 100 раз по сравнению с вышеописанным низкочастотным сигналом (который теперь малоинформативный, более того, мешает и так и называется – паразитный). Отметим, что достаточно 20–30 штрихов для достижецния точности измерений лучше 0,1%. В случае оптических датчиков – объект освещается однородным источником (просто лампочка или светодиод), а периодическая структура (растр) находится внутри датчика. При этом он получается гораздо более защищенным (как в спорте – санки и бобслей), но возникает множество проблем, основная из которых – зависимость частотного отклика (коэффициент пропорциональности между частотой регистрируемого сигнала и скоростью объекта в Гц/(м/с)) от расстояния до объекта. Забегая вперед, отметим, что сейчас эта проблема решена кардинально.
Подробный обзор по лазерным и оптическим датчикам скорости (способы создания пространственных фильтров, методы обработки сигналов…) можно найти в монографии [1]. На двух сотнях страниц описана вся теория. Только не сказано, как же на этой основе сделать работающий в реальных суровых условиях (температурный диапазон, различные поверхности и изменения расстояний до них в процессе измерений) датчик.

На основе передовых технологий

Производителей реальных бесконтактных датчиков в мире не так много – порядка десятка фирм выпускают лазерные датчики, еще меньше – оптические. В данной статье рассмотрим подробнее датчики обоих типов, производимые российской фирмой ООО “Сенсорика-М”. Поскольку она недавно вышла на этот рынок, при создании датчиков использовались самые последние достижения как в области “железа”, так и в математических алгоритмах обработки сигнала плюс оригинальные технические решения, созданные совместно со специалистами Института общей физики РАН. Например, оригинальный оптический моноблок для лазерного датчика, основанный на принципе деления пучка по волновому фронту, обеспечивает стабильную интерференционную картину, нечувствительную к изменениям температуры, с нулевой разностью хода пучков, что обеспечивает максимальный контраст штрихов в большом диапазоне расстояний до объекта. При этом отсутствуют какие-либо юстировки оптического блока. Оптическая схема приёмной растровой системы оптического датчика полностью устраняет зависимость измеренной скорости от расстояния до объекта при сохранении высокой светосилы оптики. На данное техническое решение получены патенты России и Германии [2].
В приёмной аналоговой электронике и в части аппаратной обработки сигнала также используются самые современные микросхемы и микроконтроллеры с сигнальными процессорами, что позволяет измерять скорость с высокой частотой и реализовывать различные выходные сигналы – аналоговые, частотные, цифровые. Выпускается широкая линейка датчиков обоих типов с номинальными расстояниями до объекта от 15 до 130 см и диапазоном измеряемых скоростей от 0,01 до 100 м/с для самых различных применений в промышленности и на транспорте (подробнее можно посмотреть на сайте компании). В 2014 г. лазерный датчик внесен в Госреестр СИ (средств измерений), оптический датчик будет внесен в Госреестр в 2018 г.
Отметим, что оба типа датчиков измеряют пройденный путь (длину, которая обычно и требуется на практике) по измеренной скорости (интеграл скорости по времени). При этом техническая точность измерений (возможности датчика в смысле повторяемости измерений) уже достигла своего практического предела и превышает обычные потребности практики. Например, в технических данных приводится точность измерений длины <0,1% – это некоторая условность, поскольку зависит от самой длины и возможностей независимой проверки этой точности (реально это может быть гораздо точнее, см. примеры измерений далее). Поэтому теперь основной упор делается на надёжность измерений, т. е. отсутствие сбоев при самых различных условиях и типах поверхностей.
Еще об измерении длины в стандартных промышленных задачах, а именно: имеется некоторый длинномерный движущийся объект (металлическая полоса, стеклянное полотно, текстиль…), который нужно нарезать на куски определённой длины. Датчик должен выдать сигнал на исполнительный механизм по достижении этой длины. Пусть имеется цифровой выход (Ethernet, USB…) с которого можно считать текущую измеренную длину. Например, при частоте измерений 50 Гц и скорости объекта 1 м/с данные текущей длины будут иметь квант (1м/с)/(0,02 с) = 2 см, чего может быть недостаточно. Однако есть также импульсный выход длины с коэффициентом, например, 1000 Гц на 1 м/с или 1000 импульсов на метр. Частота на этом выходе обновляется 50 раз в секунду, так что при любой скорости квант измеренного пути равен 1 мм. Очевидно, можно выставить и 10 тыс. имп/м, так что точность измерений длины можно считать идеальной и конечная точность ограничивается уже механикой режущего механизма.
Далее приведем несколько примеров применения датчиков с оценкой точности и повторяемости измерений.

Тест лазерного датчика ИСД-5 для дорожных применений

Высота установки датчика – примерно 50 см (допустимо от 35 до 65 см). Частота измерений: 54,2 Гц, пределы измерения скорости: 0,02–110 км/ч. Проезд по замкнутой траектории длиной около 1 км (в условиях города, день, солнечно, температура -7 ˚С). Движение с переменной скоростью (0–50 км/ч), с несколькими остановками. Результаты измеренного пути по трем заездам: 1055, 740; 1056, 244; 1055, 330 м, т. е. повторяемость измерений составила <0,05%, причем сюда входит и неидеальность повторения траектории.

Прохождение дистанции с использованием двух датчиков (оптический и лазерный параллельно)

Оба датчика устанавливались на автомобиле, как это представлено на рисунке 1.

Номинальная высота оптического ИСД-3–50 см, лазерного ИСД-5 – 130 см, но установлен он на высоте 100 см. На прямом участке асфальтовой дороги проведено четыре заезда (по два в каждую сторону) примерно одинаковой длины, и сравнивалась относительная разность показаний датчиков. Результаты представлены в таблице 1.
Таким образом, реальное качество измерений обоих датчиков в дорожных применениях одинаково и относительная повторяемость измерений составляет сотые доли процента. При этом отметим, что вообще для дорожных применений предпочтительно использовать оптический датчик, поскольку он значительно более устойчив к внешним неблагоприятным условиям, как это упоминалось выше (температура, снег, дождь…), в частности, он малочувствителен к загрязнениям входной оптики – это как фотоаппарат – объектив может быть совсем грязным, но фотографировать, в принципе, не мешает. В то же время попадание, например, капли воды на выходную оптику лазерного датчика может сильно исказить интерференционную картину на объекте.

Заключение

Данные датчики, конечно же, используются и в промышленности. Здесь приведем только один яркий демонстрационный пример: измерение длины стекла. Объект: вращающийся диск из полированного стекла с максимально чистой поверхностью. Измеритель – лазерный, с номинальным рабочим расстоянием 130 см (в реальности стекло горячее, поэтому требуются измерения с больших дистанций). На диске нанесена метка – начало и конец измерений окружности, которая считывалась датчиком. Длина измеряемой окружности – 2,173 м. Проведено две серии измерений по 7 и 11 измерений. Средняя измеренная длина составила 2,1732 и 2,1733 м при стандартном отклонении 0,034 и 0,036%.
Из последних разработок ООО “Сенсорика-М” можно также упомянуть двухосевые лазерные и оптические датчики, т.е. измеряющие продольную и поперечную скорость вращающейся на рольгангах трубы – актуальная задача на участках нанесения изоляции на трубопрокатных заводах. И уж совсем экзотика – измерение скорости подводных аппаратов относительно среды (эксперименталный образец демонстрировался на форуме “Морская индустрия России” [3]). И много другого. Из-за ограниченности объёма статьи здесь можно только посоветовать посетить сайт производителя.
Таким образом, “наши” бесконтактные датчики пути – скорости ни в чём не уступают мировым аналогам, а зачастую и превосходят их. При этом их цена меньше.

Литература

  1. Y. Aizu, T. Asakura, Spatial Filtering Velocimetry, Fundamentals and Applications, Springer Series in Optical Sciences (Book 116), 2005, 212 р.
  2. Патент РФ № 2482499 и Патент DE 11 2011 102 253 B4.
  3. IV Международный форум “Морская индустрия России”, выставочный комплекс “Гостиный двор”, Москва, 20–22 мая 2014 г.
Теги: мир
Начало активности (дата): 01.03.2018
Количество показов: 241

Автор: С. Растопов
Рубрика: МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Полная версия статьи доступна подписчикам журнала "Мир измерений".

Подписаться

Материалы по данной теме можно СКАЧАТЬ в Электронной Библиотеке >>>



Доступна мобильная версия журнала "Мир измерений"

Журнал Мир измерений в App Store Журнал Мир измерений на Google play


Открытые статьи:

Измерения качества жилищно-коммунальных услуг
Температурный мониторинг удалённых объектов по GSM-каналу
Главные социальные проблемы России последнего десятилетия
Новый измерительный инструмент?
О потерях в Великой Отечественной войне
Неразрушающий контроль паяных соединений в радиоэлектронной аппаратуре
Военное применение лазерных технологий
Обеспечение качества продовольственных товаров
Государственный первичный эталон единицы массы ГЭТ 3-200842
Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях
Рождение нефтяной отрасли в России
Красота спасет мир... науки



 

СТАНЬТЕ ПОДПИСЧИКОМ НАШЕГО ЖУРНАЛА!

ЗАО Мультифильтр - Промышленные воздушные фильтры Рейтинг@Mail.ru