速度・長さセンサ

非接触速度測定の原理は非常に単純です。最も原始的な「道具」はあなたの目です。誰でも、鉄道車両や自動車の窓越しに一瞥するだけで移動速度を評価できます。脳は、特定の対象物までの距離とその角速度を評価することで、あるいは単に経験によって信号を処理します。センサは同じパラメータをより高い精度で評価するために使用されます。

まず、より単純な構造を持つレーザセンサについて考えます。そのためには、移動する対象物、光源（さもなければ何も見えません）、および反射信号を検出するためのレンズと光検出器からなる光学系が必要です。対象物の表面は色や仕上げの点で不均一であるため、対象物が移動すると光検出器は速度に比例する信号周波数を検出します。この周波数の代表値は、光検出器の検出領域の直線寸法と、対象物がこの領域を横切るのに要する時間によって定まります。これにより課題は解決されたと見なせますが、精度は十分とは言えません。この場合に光学系が検出しているのは、いわゆる低周波信号です。測定精度を高めるには、移動する対象物によって生成される周波数スペクトルを狭める必要があります。これは空間フィルタ（光学ラスタセンサに関連する用語）によって実現できます。ただし、レーザセンサは縞（干渉）パターン、すなわちレーザビーム（検出領域）内における対象物への照明の周期的変調を生成するために使用されます。これは、ビーム内のすべての光子が位相を揃えているというレーザ放射のコヒーレンス特性により可能となります。最初のビームを2つに分割し、角度を付けて再び結合させます。この場合、空間フィルタが形成されます。

この構造フィルタを横切る対象物のプロファイルや色の変化はいずれも、照明周期と横断速度によって決まる周波数で強度変調された反射信号を生成します。信号スペクトルは、生成される周期の数に応じて狭くなります（周期が多いほどスペクトルは狭くなります）。単一のプロファイルや色の変化は、1つのパルスだけでなく多数のパルス（パルス群）を生成し、その数は縞模様の周期数によって決まります。例えば実際には、ビーム径が5 mmで縞周期が0.05 mmの場合、100本のビーム、それに対応するパルス群が生成されます。スペクトルが前述の低周波信号と比較して約100倍狭くなることを考えると、この信号は不完全で断続的となり、偽信号と呼ばれます。なお、通常は20～30本のビームがあれば0.1%以上の測定精度を得るのに十分です。

光学式センサの場合、対象物は均一な光源（電球またはLED）で照らされ、周期的なテクスチャ（パターン）がセンサ内部に配置されています。これによりパターンへの追加的な保護が生まれます（分かりやすい例はソリとボブスレーの違いです）が、周波数応答（記録された信号周波数と対象物速度との比例係数、単位はHz/m（m/s））が対象物までの距離に依存するなど、多くの問題を引き起こします。先に述べておくと、この問題はすでに効果的に解決されています。

レーザおよび光学式速度センサの動作の詳細な解析（空間フィルタの生成方法、信号処理方法など）は、専門書*に記載されています。理論部分は200ページにわたって展開されています。しかしながら、実際の過酷な条件（大きな温度差、各種の表面、測定中の距離変動など）で動作するセンサの製造に関する実用的な手引きは存在しません。

世界で真に非接触のセンサを製造しているメーカーは数社です。レーザセンサのメーカーは約10社、光学センサのメーカーは10社未満です。本稿では、両タイプのセンサを取り上げます。

センサ設計の主な特徴は次のとおりです。本レーザセンサには、波面ビーム分割原理に基づくオリジナルの光学モノブロックユニットが使用されています。これにより、温度差に強く安定した干渉縞パターンが得られ、ビーム光路差がゼロとなるため、対象物までの距離が広範囲にわたっても最大のビーム交差範囲が得られます。また、光学ブロックの調整は不要です。センサの受光光学系の構成は、測定される速度が対象物までの距離に依存することを完全に排除し、光学系の高い集光量を維持します。

受信側のアナログ電子回路におけるハードウェア信号処理には、信号プロセッサを備えた最先端のマイクロ回路およびマイクロコントローラも使用されており、高いレートでの高精度な速度測定を可能にし、各種のアナログ・周波数・デジタル出力信号を実装します。公称対象物距離15～130 cm、測定速度範囲0.01～100 m/sの、車両への産業用途向けの両タイプの幅広いセンサを製造しています（詳細はISD-3およびISD-5の説明を参照）。

両センサとも、測定速度（時間に対する速度積分）に基づいて走行距離（実用上必要となる長さ）を測定する点にご留意ください。すなわち、得られる測定精度（測定周波数の点でのセンサ能力を意味する）は実用上の限界に達しており、実際に必要とされる範囲を超えています。したがって、技術データでは長さ測定精度を0.1%未満と規定しています。ただし、このパラメータは長さそのものと、その精度を独立して検証できるかどうかに依存します（以下に示す例からわかるとおりですが、実際の測定ははるかに高精度になり得ます）。その結果、主眼は測定の信頼性、すなわち機器がさまざまな条件や表面の種類でも誤動作しないことに置かれます。

また、標準的な産業用途における距離測定に関していくつか補足します。一定の長さに切断する必要のある長尺の移動対象物（金属ストリップ、ガラス板、布など）があるとします。センサは、この値に達したときにアクチュエータへ信号を送ります。現在の測定長さの読み取りに使用できるデジタル出力（Ethernet、USB）があるとします。例えば、測定周波数が50 Hz、対象物の速度が1 m/sの場合、現在の長さデータの増分は(1 m/s)/(0.02 sec) = 2 cmとなります。しかし、これでは不十分な場合があります。ただし、1 m/sあたり1000 Hz、すなわち1メートルあたり1000パルスの比率を持つ長さパルス出力があります。この出力周波数は1秒間に50回更新されます。すなわち、測定距離の増分はいかなる速度においても1 mmとなります。当然ながら、このパラメータは1メートルあたり1万パルスに設定でき、言い換えれば、これらのセンサによる長さ測定精度は完璧と見なされ、最終的な精度は切断工具の仕様のみによって制限されます。

以下に、精度評価と測定周波数を含むセンサの応用例をいくつか示します。

ISD-5レーザセンサの路上での適用試験。

センサ取り付けのおおよその高さは50 cmです（許容限界は35から65 cm）。測定周波数は54.2 Hz、速度測定範囲は0.02–110 km/hです。センサを取り付けた車両は、全長1 kmの周回路（市街地道路、晴天時、周囲温度-7 °C）を走行しました。車両は数回の停止を伴う可変速度（0–50 km/h）で走行しました。測定結果は3周にわたって1055.740 m、1056.244 m、1055.33 mと定められました。すなわち、ルートが完全には再現されなかったことを考慮すると、測定の誤差は0.05 %未満でした。

図1。車両に取り付けられた試験走行用のISD-3光学センサとISD-5レーザセンサ。

光学センサとレーザセンサの2つを併用しました。これらは図1に示すように車両に取り付けられました。ISD-3センサの公称取付高さは地面から50 cm、ISD-5レーザセンサは地面から130 cmですが、本テストでは高さ100 cmに設置しました。アスファルト路面の直線区間でほぼ同じ長さの4周(各方向2周ずつ)を走行しました。テスト後、センサ間の相対測定差を評価しました。結果を表1に示します。

表 1。光学式ISD-3とレーザ式ISD-5により同一ルートで取得した並行測定結果。

したがって、車両で使用される両センサの実際の測定品質は同等であり、判断の基準となるのは相対的な測定レートです。また、光学センサは外部の悪影響（温度、雪、雨）に対してより耐性があり、特に受光光学系の汚れに対してかなり寛容であるため、この種の用途にはより適していることにも留意すべきです。これはカメラに例えることができます。レンズが汚れていても写真は撮れます。一方、レーザセンサの光学系に水滴が付くと、対象物上の縞模様が大きく崩れる可能性があります。

全体的な測定品質を評価するため、貨物列車を牽引する機関車の加速/制動速度のグラフを図2に示します(シチェルビンカ鉄道試験場、ISD-3センサ、公称距離80 cm。センサは機関車の底部に設置し、レールに向けました)。鉄道車両の動きは最も滑らかな速度の例であるため、このグラフから瞬時速度の測定精度を評価できます。また、例として、氷上での自動車タイヤの制動試験(モスクワ州ミティシのアイスグラウンドArenaで光学センサを用いて実施)の有用なグラフもいくつか掲載しています。

図 2。貨物列車を牽引する機関車の加速・制動速度線図。

図3aは、スタッドレスタイヤでの5回の加速/制動テスト走行を示しています。図3bは同じテストですが、スタッドタイヤでのものです。グラフ上の微小な速度ピークは測定ノイズではなく、氷上を車両が走行する際の実際の挙動であることにご留意ください。

これらのセンサは産業界でも広く使用されています。もう一つ分かりやすい例を挙げます。ガラスの長さ測定です。対象物は、清浄な表面を持つ研磨ガラス製の回転ディスクです。この場合、公称動作距離130 cmのレーザセンサを使用します（実際にはガラス表面が高温であるため、長距離からの測定が必要です）。ディスクには、円周測定の開始点と停止点を識別するマークがあり、これがセンサによって読み取られます。測定された周囲長は2.173 mです。7回と11回の2セットの測定が実施されました。平均測定長さはそれぞれ2.1732 mおよび2.1733 mで、標準偏差はそれぞれ0.034%および0.036%でした。

図 3。光学式ISD-3 センサで得られた氷上での車両の加速・制動速度測定の精度：a — スパイクなしスノータイヤ装着車両；b — スパイクタイヤ装着車両。

当社の最近の開発で特筆すべきものの一つは、特に転動面上を移動するパイプの走行速度を測定できる二次元レーザセンサです。これはパイプ工場の被覆工程で実用的に適用できます。多数のユニークな製品の中でも最も独創的なものの一つは、周囲環境に対する潜水艇の速度を測定できるセンサです。この他にも多数の製品がありますが、本記事の範囲が限られているため、詳細はメーカーのウェブサイトをご覧ください。結論として、当社の非接触距離・速度センサは性能において比類なく、時には世界の同等品と比較してさらに優れていますが、価格ははるかに低く抑えられています。

鉄道用途向け光学式速度センサ ISD-3のテスト。

センサは、動的パラメータを測定するために電気機関車の前部に取り付けられました（写真参照）。 場所：シチェルビンカ鉄道試験線、モスクワ州。天候：-12 °C、強風、降雪なし。

ISD-3センサへのケーブルの接続。

センサの設置。

光学式ISD-3センサは機関車に取り付けられます。

センサ: 地面までの距離 約60 cm（± 20 – 25 cmの公差）、測定周波数24.6 Hz。

機関車のキャブ内。

測定進行中。午前中は降雪なし。

代表的な速度チャート。降雪なし。

詳細。

定加速度試験。

異なる力での制動。

午後。やや激しい降雪。停止時には吹雪により一部の雪片がセンサの視野を横切って信号を発生させます。しかし移動時には、対象面からの信号がはるかに強く、雪片の影響はもはやありません。

最高速度試験。高速時には地面から大量の粉雪が舞い上がり、若干の余分なノイズが発生しましたが、実際の平均速度は問題なく測定できました。

吹雪の中での定速走行。

パイプ、継手、ケーブル、ワイヤその他の長尺材料の切断時における速度・長さセンサISD-3およびISD-5の適用。