Geschwindigkeits- und Längensensoren

Das Prinzip der berührungslosen Geschwindigkeitsmessung ist recht einfach. Das primitivste „Werkzeug“ sind Ihre Augen. Jeder Mensch kann die Bewegungsgeschwindigkeit mit einem kurzen Blick aus dem Fenster eines Eisenbahnwaggons oder eines Autos einschätzen. Das Gehirn verarbeitet das Signal, indem es den Abstand zu einem bestimmten Objekt und dessen Winkelgeschwindigkeit bewertet — oder indem es einfach auf die Lebenserfahrung zurückgreift. Sensoren dienen dazu, dieselben Größen zu bewerten, jedoch mit höherer Genauigkeit.

Betrachten wir zunächst den Lasersensor aufgrund seines einfacheren Aufbaus. Dazu benötigt man ein bewegtes Objekt, eine Lichtquelle (sonst lässt sich nichts erkennen) und ein optisches System, bestehend aus einer Linse und einem Fotodetektor zur Erfassung des reflektierten Signals. Die Objektoberfläche ist hinsichtlich Farbe und Beschaffenheit ungleichmäßig, sodass der Fotodetektor bei der Bewegung eine Signalfrequenz registriert, die proportional zur Geschwindigkeit ist. Der typische Wert dieser Frequenz wird durch die lineare Größe des Erfassungsbereichs des Fotodetektors und die Zeitspanne bestimmt, die ein Objekt zum Durchqueren dieses Bereichs benötigt. Damit gilt die Aufgabe als gelöst, jedoch lässt die Genauigkeit zu wünschen übrig. Das optische System erfasst dabei ein sogenanntes niederfrequentes Signal. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, muss das von einem bewegten Objekt erzeugte Frequenzspektrum eingegrenzt werden. Dies lässt sich mit einem Ortsfilter realisieren (ein Begriff aus dem Umfeld optischer Rastersensoren). Beim Lasersensor wird dazu jedoch ein Streifenmuster (Interferenzmuster) erzeugt, d. h. eine periodische Modulation der Objektbeleuchtung innerhalb des Laserstrahls (Erfassungsbereich). Möglich ist dies aufgrund der Kohärenz der Laserstrahlung, da alle Photonen eines Strahls phasengleich sind. Der ursprüngliche Strahl wird dazu in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die unter einem Winkel wieder überlagert werden. Auf diese Weise entsteht ein Ortsfilter.

Nun erzeugt jede Änderung des Objektprofils oder der Farbe, die diesen Strukturfilter durchquert, ein reflektiertes Signal, dessen Intensität mit folgender Frequenz moduliert ist: Beleuchtungsperiode — Durchquerungsgeschwindigkeit. Das Signalspektrum wird abhängig von der Anzahl der erzeugten Perioden schmaler (je mehr Perioden, desto schmaler das Spektrum). Eine einzelne Profil- oder Farbänderung erzeugt nicht nur einen Impuls, sondern eine Vielzahl von Impulsen (Impulsgruppe), deren Anzahl durch die Anzahl der Streifenmusterperioden bestimmt wird. In der Praxis erzeugen beispielsweise ein Strahldurchmesser von 5 mm und eine Streifenperiode von 0,05 mm 100 Strahlen und entsprechend Impulsgruppen. Da das Spektrum gegenüber dem oben genannten niederfrequenten Signal etwa 100-mal schmaler ist, ist dieses Signal nun unzureichend, unterbrochen und wird als Fehlsignal bezeichnet. Es ist zu beachten, dass in der Regel 20-30 Strahlen ausreichen, um eine Messgenauigkeit von bis zu 0,1 % und höher zu erreichen.

Bei optischen Sensoren wird das Objekt von einer gleichmäßigen Lichtquelle (einer Glühlampe oder LED) beleuchtet, und eine periodische Textur (Muster) befindet sich im Inneren des Sensors. Dies erzeugt einen zusätzlichen Schutz für ein Muster (ein anschauliches Beispiel ist Schlitten vs. Bob), führt jedoch zu einer Vielzahl von Problemen, einschließlich des Frequenzgangs (Proportionalitätsfaktor zwischen der registrierten Signalfrequenz und der Objektgeschwindigkeit in Hz/m(m/s) in Abhängigkeit vom Abstand zum Objekt). Vorausschauend sei angemerkt, dass dieses Problem bereits effizient gelöst wurde.

Eine detaillierte Analyse der Funktionsweise von Laser- und optischen Geschwindigkeitssensoren (Verfahren zur Erzeugung von Ortsfiltern, Verfahren der Signalverarbeitung usw.) findet sich in einer Monographie*. Der theoretische Teil erstreckt sich über zweihundert Seiten. Dennoch gibt es keinen praktischen Leitfaden für die Herstellung eines Sensors, der unter realen und widrigen Bedingungen (etwa bei großen Temperaturunterschieden, unterschiedlichen Oberflächen oder Abstandsänderungen während des Messvorgangs) arbeiten soll.

Es gibt weltweit nur wenige echte Hersteller berührungsloser Sensoren. Es gibt etwa 10 Hersteller von Lasersensoren und weniger als zehn Hersteller optischer Sensoren. In diesem Artikel betrachten wir Sensoren beider Typen.

Hauptmerkmale des Sensoraufbaus. Im Lasersensor wurde eine originelle optische Monoblock-Einheit nach dem Prinzip der Wellenfront-Strahlteilung verwendet. Sie liefert ein stabiles Interferenzmuster, das gegenüber Temperaturunterschieden unempfindlich ist und keinen Unterschied im Strahlweg aufweist, was zu einem maximalen Strahlversatzbereich über einen weiten Bereich des Objektabstands führt. Außerdem ist keine Justierung des optischen Blocks erforderlich. Das optische Schema des Empfangsmustersystems des Sensors eliminiert vollständig die Abhängigkeit der gemessenen Geschwindigkeit vom Objektabstand und erhält so die hohe optische Beleuchtungsleistung.

Modernste Mikroschaltkreise und Mikrocontroller mit Signalprozessoren werden auch zur Hardware-Signalverarbeitung in empfangenden analogen elektronischen Produkten eingesetzt, was eine hochfrequente, genaue Geschwindigkeitsmessung ermöglicht und verschiedene analoge, Frequenz- und digitale Ausgangssignale realisiert. Es wird ein breites Spektrum an Sensoren beider Typen mit nominalem Objektabstand von 15 bis 130 cm und gemessenem Geschwindigkeitsbereich von 0,01 bis 100 m/s für die industrielle Anwendung an Fahrzeugen hergestellt (siehe ISD-3 und ISD-5 für die ausführliche Beschreibung).

Beachten Sie, dass beide Sensoren die Laufleistung messen (Länge, die praktisch benötigt wird) gemäß der gemessenen Geschwindigkeit (Geschwindigkeitsintegral über die Zeit). Allerdings hat die erreichbare Messgenauigkeit (also die Sensorkapazität in Bezug auf die Messfrequenz) ihre praktische Grenze erreicht und übersteigt tatsächlich die erforderlichen Anforderungen. Daher gibt die technische Spezifikation eine Längenmessgenauigkeit von weniger als 0,1% an. Dieser Parameter hängt jedoch von der Länge selbst und einer Möglichkeit ab, diese Genauigkeit unabhängig zu überprüfen (wie aus den unten angegebenen Beispielen ersichtlich ist, können die tatsächlichen Messungen jedoch viel genauer sein). Folglich muss das Hauptaugenmerk auf der Zuverlässigkeit der Messungen liegen, d.h. die Ausrüstung muss unter verschiedenen Bedingungen und Oberflächenarten fehlerfrei sein.

Und noch ein paar Anmerkungen zur Abstandsmessung bei industriellen Standardaufgaben. Nehmen wir an, es gibt ein langes bewegtes Objekt (Metallstreifen, Glasplatte, Stoff usw.), das in Stücke einer bestimmten Länge geschnitten werden soll. Der Sensor soll ein Signal an einen Aktor abgeben, wenn dieser Wert erreicht ist. Es gebe einen digitalen Ausgang (Ethernet, USB), der zum Auslesen der aktuellen Messlänge verwendet werden kann. Beispielsweise beträgt das aktuelle Längendaten-Inkrement (1 m/s)/(0,02 s) = 2 cm bei einer Messfrequenz von 50 Hz und einer Objektgeschwindigkeit von 1 m/s. Dies könnte jedoch nicht ausreichen. Es gibt jedoch einen Längenimpulsausgang mit einem Verhältnis von 1000 Hz pro 1 m/s bzw. 1000 Impulsen pro Meter. Diese Ausgangsfrequenz wird 50 Mal pro Sekunde aktualisiert, d. h. das gemessene Abstandsinkrement beträgt bei jeder Geschwindigkeit 1 mm. Offensichtlich kann dieser Parameter auf 10 Tausend Impulse pro Meter eingestellt werden, mit anderen Worten gilt die mit diesen Sensoren durchgeführte Längenmessgenauigkeit als perfekt, während die endgültige Genauigkeit nur durch die Spezifikationen des Schneidwerkzeugs begrenzt wird.

Nachfolgend einige Beispiele für Sensoranwendungen mit Genauigkeitsbewertung und Messfrequenz.

Anwendungstest des ISD-5-Lasersensors auf der Straße.

Die ungefähre Installationshöhe des Sensors beträgt 50 cm (zulässiger Bereich von 35 bis 65 cm). Die Messfrequenz beträgt 54,2 Hz, der Geschwindigkeitsmessbereich beträgt 0,02–110 km/h. Ein Fahrzeug mit darauf installierten Sensoren bewegte sich auf einer 1 km langen Rundstrecke (auf städtischer Straße, an einem sonnigen Tag, bei einer Umgebungstemperatur von -7 °C). Das Fahrzeug bewegte sich mit variabler Geschwindigkeit (0–50 km/h) mit mehreren Stopps. Die Messergebnisse wurden über drei Runden bestimmt — 1055,740 m, 1056,244 m und 1055,33 m, d. h. die Messabweichung betrug weniger als 0,05 %, unter Berücksichtigung dessen, dass die Strecke nicht perfekt wiederholt wurde.

Abb. 1. Optischer Sensor ISD-3 und Lasersensor ISD-5, an einem Fahrzeug für die Testfahrt angebracht.

Zwei Sensoren, ein optischer und ein Lasersensor, wurden zusammen eingesetzt. Sie wurden an einem Fahrzeug befestigt, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die nominale Einbauhöhe des ISD-3-Sensors beträgt 50 cm über dem Boden, die des ISD-5-Lasersensors 130 cm; er wurde jedoch in 100 cm Höhe montiert. Es wurden vier Runden auf einem geraden Abschnitt eines Asphaltbelags gefahren (2 Runden in jede Richtung), die etwa gleich lang waren. Nach dem Versuch wurde der relative Messunterschied zwischen den Sensoren ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1. Parallele Messergebnisse, die auf derselben Strecke vom optischen ISD-3 und Laser-ISD-5 erfasst wurden.

Somit ist die tatsächliche Messqualität beider am Fahrzeug eingesetzten Sensoren gleich, und die relative Messfrequenz ist der Bezugspunkt. Anzumerken ist außerdem, dass der optische Sensor für diese Art von Anwendung vorzuziehen ist, da er widerstandsfähiger gegenüber äußeren Störeinflüssen (Temperatur, Schnee, Regen) ist und insbesondere deutlich unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen der Empfangsoptik. Vergleichbar ist das mit einer Fotokamera: Selbst mit verschmutztem Objektiv lässt sich noch ein Bild aufnehmen. Ein Wassertropfen auf der Optik eines Lasersensors kann dagegen das Streifenmuster auf dem Objekt stark stören.

Zur Beurteilung der Gesamtmessqualität ist in Abbildung 2 ein Diagramm der Beschleunigungs-/Bremsgeschwindigkeit einer Lokomotive mit Güterzug dargestellt (Eisenbahn-Testgelände Schtscherbinka, ISD-3-Sensor, nominaler Abstand 80 cm. Der Sensor wurde an der Unterseite der Lokomotive montiert und auf die Schienen gerichtet). Das Diagramm ermöglicht die Beurteilung der Genauigkeit der Momentangeschwindigkeitsmessung, da die Bewegung von Eisenbahnwagen ein Beispiel für maximal gleichmäßige Geschwindigkeit ist. Als weiteres Beispiel werden einige nützliche Diagramme für Bremstests von Autoreifen auf Eis bereitgestellt (durchgeführt auf dem Eisgelände Arena in Mytischtschi, Region Moskau, mit einem optischen Sensor).

Abb. 2. Geschwindigkeitsdiagramm der Beschleunigung und Bremsung einer Lokomotive mit Güterzug.

Abbildung 3a zeigt fünf Test-Beschleunigungs-/Bremsfahrten auf nicht-gespikten Schneereifen. Abbildung 3b zeigt dieselben Tests, jedoch auf gespikten Reifen. Bitte beachten Sie, dass geringfügige Geschwindigkeitsspitzen in einem Diagramm kein Messrauschen sind, sie sind real, da dies die Art und Weise ist, wie sich ein Fahrzeug auf eisiger Fahrbahn bewegt.

Diese Sensoren werden ebenfalls häufig in der Industrie eingesetzt. Hier ist ein weiteres anschauliches Beispiel: die Messung der Glaslänge. Das Objekt ist eine rotierende Scheibe aus poliertem Glas mit sauberer Oberfläche. In diesem Fall ist ein Lasersensor mit einem nominalen Arbeitsabstand von 130 cm zu verwenden (in der Realität ist die Glasoberfläche heiß, sodass die Messung aus großen Abständen erfolgen muss). Eine Scheibe besitzt eine Markierung, die einen Punkt zum Starten und Stoppen der Umfangsmessung kennzeichnet und vom Sensor gelesen wird. Der gemessene Umfang beträgt 2,173 m. Es wurden zwei Messreihen mit 7 und 11 Messungen durchgeführt. Die durchschnittlich gemessene Länge betrug 2,1732 bzw. 2,1733 m mit einer regulären Abweichung von 0,034 bzw. 0,036%.

Abb. 3. Genauigkeit der Messung von Beschleunigungs- und Bremsgeschwindigkeit eines Fahrzeugs auf Eis, ermittelt mit dem optischen Sensor ISD-3: a — ein Fahrzeug auf Winterreifen ohne Spikes; b — ein Fahrzeug auf Spikereifen.

Eine unserer jüngsten Entwicklungen, die Erwähnung verdient, sind zweidimensionale Lasersensoren, die insbesondere die Messung der Vorschubgeschwindigkeit eines auf einer Rollenbahn bewegten Rohrs ermöglichen. Dies ist in Isolierwerkstätten von Rohrwerken praktisch anwendbar. Unter einer Vielzahl einzigartiger Produkte gehört zu den exklusivsten ein Sensor, der die Geschwindigkeit von Unterwasserfahrzeugen relativ zur Umgebung messen kann. Es gibt eine lange Liste weiterer Produkte, doch aufgrund des begrenzten Umfangs dieses Artikels ist die einzige Möglichkeit, mehr Details zu erfahren, der Besuch der Website des Herstellers. Abschließend lässt sich sagen: Unsere berührungslosen Abstands- und Geschwindigkeitssensoren sind in ihrer Leistungsfähigkeit unübertroffen und teilweise sogar besser als vergleichbare Produkte weltweit, jedoch zu einem deutlich niedrigeren Preis.

Test des optischen Geschwindigkeitssensors ISD-3 für den Eisenbahneinsatz.

Der Sensor wurde am vorderen Teil einer Elektrolokomotive montiert (siehe Bilder), um deren dynamische Parameter zu messen. Ort: Eisenbahn-Versuchspolygon Schtscherbinka, Region Moskau. Wetter: -12 °C, windig, kein Schneefall / fallender Schnee.

Anschluss eines Kabels an den Sensor ISD-3.

Installation des Sensors.

Der optische Sensor ISD-3 wird auf der Lokomotive installiert.

Sensor: Abstand zum Boden ca. 60 cm (± 20 – 25 cm Toleranz), Messfrequenz 24,6 Hz.

In einer Lokomotivkabine.

Messungen laufen. Kein Schneefall in der ersten Tageshälfte.

Typisches Geschwindigkeitsdiagramm. Kein Schneefall.

Ausführlicher.

Test mit konstanter Beschleunigung.

Bremsung mit unterschiedlichen Kräften.

Zweite Tageshälfte. Ziemlich starker Schneefall. Im Stillstand überqueren aufgrund des Schneetreibens einige Schneeflocken den Sichtbereich des Sensors und erzeugen Signale. Aber bei Bewegung ist das Signal von der Fahrbahnoberfläche viel stärker und es gibt keine Beeinflussung durch Schneeflocken mehr.

Höchstgeschwindigkeitstest. Bei hoher Geschwindigkeit wirbelt viel pulvriger Schnee vom Boden auf und erzeugt einige zusätzliche Störungen, dennoch lässt sich die reale mittlere Geschwindigkeit messen.

Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit, Schneesturm.

Anwendung der Geschwindigkeits- und Längensensoren ISD-3 und ISD-5 beim Schneiden von Rohren, Fittings, Kabeln, Drähten und anderen langgestreckten Materialien.