Czujniki prędkości i długości

Zasada bezkontaktowego pomiaru prędkości jest dość prosta. Najbardziej prymitywnym „narzędziem” są oczy. Każdy człowiek potrafi ocenić prędkość ruchu, rzucając szybkie spojrzenie przez okno wagonu kolejowego lub samochodu. Mózg przetwarza sygnał, oceniając odległość do określonego obiektu i jego prędkość kątową lub po prostu na podstawie doświadczenia życiowego. Czujniki służą do oceny tych samych parametrów, ale z wyższą dokładnością.

Najpierw rozważmy czujnik laserowy ze względu na jego prostszą konstrukcję. Aby to zrobić, potrzebny jest poruszający się obiekt, źródło światła (w przeciwnym razie nic nie będzie widać) oraz układ optyczny składający się z soczewki i fotodetektora rejestrującego sygnał odbity. Powierzchnia obiektu jest nierównomierna pod względem koloru i wykończenia, dlatego podczas ruchu fotodetektor rejestruje częstotliwość sygnału, która jest proporcjonalna do prędkości. Typowa wartość tej częstotliwości jest określona przez liniowy rozmiar obszaru rejestracji fotodetektora oraz okres czasu potrzebny obiektowi na przebycie tego obszaru. Tym samym zadanie można uznać za rozwiązane, jednak dokładność pozostawia wiele do życzenia. Układ optyczny zarejestrował tak zwany sygnał niskoczęstotliwościowy. Aby zwiększyć dokładność pomiaru, konieczne jest zawężenie widma częstotliwości generowanego przez poruszający się obiekt. Można to zrealizować za pomocą filtra przestrzennego (termin związany z optycznymi czujnikami rastrowymi). Natomiast czujnik laserowy służy do utworzenia wzoru prążkowego (interferencyjnego), tj. okresowej modulacji oświetlenia obiektu w obrębie wiązki laserowej (obszaru detekcji). Jest to możliwe dzięki właściwości koherencji promieniowania laserowego, ponieważ wszystkie fotony w wiązce są zgodne w fazie. Początkową wiązkę należy podzielić na dwie i ponownie połączyć je pod kątem. W takim przypadku utworzy ona filtr przestrzenny.

Teraz każda zmiana profilu lub koloru obiektu przekraczająca ten filtr strukturalny generuje sygnał odbity o intensywności modulowanej następującą częstotliwością: okres oświetlenia — prędkość przekraczania. Widmo sygnału staje się węższe w zależności od liczby generowanych okresów (im więcej okresów, tym węższe widmo). Pojedyncza zmiana profilu lub koloru generuje nie tylko jeden impuls, lecz większość impulsów (grupę impulsów), których liczba jest określona przez liczbę okresów wzoru prążkowego. Na przykład w praktyce średnica wiązki wynosząca 5 mm i okres prążków wynoszący 0,05 mm wygenerują 100 wiązek, a odpowiednio grup impulsów. Biorąc pod uwagę, że widmo zostało zawężone około 100 razy w porównaniu z wymienionym powyżej sygnałem niskoczęstotliwościowym, sygnał ten jest teraz niedoborowy, przerywany i nazywany jest sygnałem fałszywym. Należy zauważyć, że zwykle 20-30 wiązek wystarcza do uzyskania dokładności pomiaru do 0,1% i wyższej.

W przypadku czujników optycznych obiekt jest oświetlany równomiernym źródłem światła (żarówką lub diodą LED), a okresowa tekstura (wzór) znajduje się wewnątrz czujnika. Zapewnia to dodatkową ochronę wzoru (jasnym przykładem będą sanki vs. bobslej), prowadzi jednak do wielu problemów, w tym charakterystyki częstotliwościowej (współczynnik proporcjonalności między zarejestrowaną częstotliwością sygnału a prędkością obiektu w Hz/m(m/s)) — zależności od odległości do obiektu. Wybiegając naprzód, należy zauważyć, że problem ten został już skutecznie rozwiązany.

Szczegółową analizę działania laserowych i optycznych czujników prędkości (metody generowania filtrów przestrzennych, metody przetwarzania sygnałów itp.) można znaleźć w monografii*. Część teoretyczna została przedstawiona na dwustu stronach. Niemniej jednak nie jest dostępny żaden praktyczny przewodnik dotyczący wytwarzania czujnika, który ma działać w rzeczywistych i niekorzystnych warunkach (takich jak duża różnica temperatur, różne powierzchnie czy zmiany odległości podczas procesu pomiaru).

Na świecie istnieje niewielu rzeczywistych producentów czujników bezkontaktowych. Jest około 10 producentów czujników laserowych i mniej niż dziesięciu producentów czujników optycznych. W tym artykule omówimy czujniki obu typów.

Główne cechy konstrukcyjne czujników. W czujniku laserowym zastosowano oryginalny optyczny monoblok oparty na zasadzie podziału wiązki czoła fali. Zapewnia on stabilny wzór prążkowy, odporny na różnice temperatur i charakteryzujący się zerową różnicą drogi wiązki, co skutkuje maksymalnym zakresem przesunięcia wiązek w szerokim zakresie odległości do obiektu. Nie jest również wymagana regulacja bloku optycznego. Schemat optyczny układu odbiorczego czujnika całkowicie eliminuje zależność mierzonej prędkości od odległości obiektu, zachowując przy tym wysoką moc oświetlającą optyki.

Najnowocześniejsze mikroukłady i mikrokontrolery z procesorami sygnałowymi są również wykorzystywane do sprzętowego przetwarzania sygnałów w odbiorczych analogowych układach elektronicznych, umożliwiając dokładny pomiar prędkości o wysokiej częstotliwości oraz realizację różnych wyjściowych sygnałów analogowych, częstotliwościowych i cyfrowych. Wytwarzany jest szeroki asortyment czujników obu typów o nominalnej odległości od obiektu od 15 do 130 cm i zakresie mierzonej prędkości od 0,01 do 100 m/s do zastosowań przemysłowych na pojazdach (szczegółowy opis patrz ISD-3 i ISD-5).

Należy zauważyć, że oba czujniki mierzą przebieg (długość, która jest praktycznie wymagana) na podstawie mierzonej prędkości (całki prędkości po czasie). Co więcej, osiągalna dokładność pomiaru (rozumiana jako możliwości czujnika pod względem częstotliwości pomiarów) osiągnęła swoją praktyczną granicę i faktycznie przekracza wymagane potrzeby. Tym samym dane techniczne określają dokładność pomiaru długości poniżej 0,1%. Parametr ten zależy jednak od samej długości oraz od możliwości niezależnego sprawdzenia tej dokładności (jak widać na przykładach podanych poniżej, ale rzeczywiste pomiary mogą być znacznie dokładniejsze). W konsekwencji główny nacisk należy położyć na niezawodność pomiarów, tj. urządzenie powinno być wolne od usterek w różnych warunkach i przy różnych typach powierzchni.

I jeszcze kilka uwag dotyczących pomiaru odległości przy standardowych zadaniach przemysłowych. Załóżmy, że istnieje poruszający się obiekt o dużej długości (taśma metalowa, płyta szklana, tkanina itp.), który ma być cięty na kawałki o określonej długości. Czujnik ma przesłać sygnał do siłownika po osiągnięciu tej wartości. Niech istnieje wyjście cyfrowe (Ethernet, USB), które można wykorzystać do odczytu bieżącej zmierzonej długości. Na przykład przyrost danych bieżącej długości (1 m/s)/(0,02 s) = 2 cm przy częstotliwości pomiarów równej 50 Hz i prędkości obiektu 1 m/s. Ale to może nie wystarczyć. Istnieje jednak wyjście impulsowe długości o przeliczniku 1000 Hz na 1 m/s lub 1000 impulsów na metr. Ta częstotliwość wyjściowa jest aktualizowana 50 razy na sekundę, tj. przyrost mierzonej odległości będzie równy 1 mm przy dowolnej prędkości. Oczywiście parametr ten można ustawić na 10 tysięcy impulsów na metr, innymi słowy dokładność pomiaru długości realizowanego przez te czujniki uznaje się za doskonałą, podczas gdy końcowa dokładność jest ograniczona wyłącznie przez specyfikację narzędzia tnącego.

Poniżej przedstawiono kilka przykładów zastosowania czujników z oceną dokładności i częstotliwością pomiarów.

Test zastosowania laserowego czujnika ISD-5 na drodze.

Przybliżona wysokość montażu czujnika wynosi 50 cm (dopuszczalny zakres od 35 do 65 cm). Częstotliwość pomiarów wynosi 54,2 Hz, zakres pomiaru prędkości wynosi 0,02–110 km/h. Pojazd z zamontowanymi czujnikami poruszał się po torze okrężnym o długości 1 km (na drodze miejskiej, w słoneczny dzień, przy temperaturze otoczenia —7 ˚C). Pojazd poruszał się ze zmienną prędkością (0–50 km/h) z kilkoma postojami. Wyniki pomiarów wyznaczono na podstawie trzech okrążeń — 1055,740 m, 1056,244 m i 1055,33 m, tj. powtarzalność pomiaru była niższa niż 0,05 %, biorąc pod uwagę, że trasa nie była idealnie powtarzana.

Rys. 1. Optyczny czujnik ISD-3 i laserowy czujnik ISD-5 zamontowane na pojeździe do jazdy testowej.

Zastosowano wspólnie dwa czujniki — optyczny i laserowy. Zostały one zamontowane na pojeździe, jak pokazano na Rysunku 1. Nominalna wysokość montażu czujnika ISD-3 wynosi 50 cm od podłoża, a laserowego czujnika ISD-5 — 130 cm od podłoża, lecz został on zamontowany na wysokości 100 cm. Wykonano cztery okrążenia na prostym odcinku nawierzchni asfaltowej (po 2 okrążenia w każdym kierunku) o w przybliżeniu jednakowej długości. Po teście oceniono względną różnicę pomiarów czujników. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1.

Tabela 1. Wyniki równoległych pomiarów uzyskane na tej samej trasie przez optyczny ISD-3 i laserowy ISD-5.

Tym samym rzeczywista jakość pomiarów obu czujników zastosowanych na pojeździe jest jednakowa, a względna powtarzalność pomiarów jest na poziomie punktu bazowego. Należy również zauważyć, że czujnik optyczny jest bardziej preferowany do tego typu zastosowań, ponieważ jest bardziej odporny na zewnętrzne negatywne oddziaływania (temperatura, śnieg, deszcz), w szczególności jest znacznie bardziej tolerancyjny na zanieczyszczenia optyki odbiorczej. Można to porównać z aparatem fotograficznym: nawet jeśli obiektyw jest brudny, można nadal zrobić zdjęcie. Tymczasem kropla wody na optyce czujnika laserowego może skutkować silnym zaburzeniem wzoru prążkowego na obiekcie.

Aby ocenić ogólną jakość pomiarów, na Rysunku 2 przedstawiono wykres prędkości przyspieszania/hamowania lokomotywy z pociągiem towarowym (poligon kolejowy w Szczerbince, czujnik ISD-3, odległość nominalna wynosi 80 cm. Czujnik został zamontowany w dolnej części lokomotywy i skierowany na szyny). Wykres pozwala ocenić dokładność pomiaru prędkości chwilowej, ponieważ ruch wagonów kolejowych jest przykładem maksymalnie płynnej prędkości. Jako przykład podano również kilka przydatnych wykresów z testów hamowania opon samochodowych na lodzie (przeprowadzonych na lodowisku Arena w Mytiszczi w obwodzie moskiewskim z czujnikiem optycznym).

Rys. 2. Wykres prędkości przyspieszania i hamowania lokomotywy z pociągiem towarowym.

Rysunek 3a przedstawia pięć testowych przejazdów przyspieszania/hamowania na oponach zimowych bez kolców. Rysunek 3b przedstawia te same testy, ale na oponach z kolcami. Należy zwrócić uwagę, że niewielkie szczyty prędkości na wykresie nie są szumem pomiarowym, są rzeczywiste, ponieważ w taki sposób pojazd porusza się po oblodzonej drodze.

Czujniki te są również szeroko stosowane w przemyśle. Oto jeszcze jeden poglądowy przykład: pomiar długości szkła. Obiektem jest obracająca się tarcza wykonana z polerowanego szkła o czystej powierzchni. W tym przypadku należy zastosować czujnik laserowy o nominalnej odległości roboczej 130 cm (w rzeczywistości powierzchnia szkła jest gorąca, dlatego pomiar należy wykonywać z dużych odległości). Tarcza posiada znacznik wyznaczający punkt rozpoczęcia i zakończenia pomiaru obwodowego, który jest odczytywany przez czujnik. Zmierzony obwód wynosi 2,173 m. Wykonano dwie serie 7 i 11 pomiarów. Średnia zmierzona długość wynosiła 2,1732 i 2,1733 m z regularnym odchyleniem odpowiednio 0,034 i 0,036%.

Rys. 3. Dokładność pomiaru prędkości przyspieszania i hamowania samochodu na lodzie uzyskana za pomocą optycznego czujnika ISD-3: a — pojazd na oponach zimowych bez kolców; b — pojazd na oponach z kolcami.

Jednym z naszych ostatnich osiągnięć wartym wspomnienia są dwuwymiarowe czujniki laserowe, umożliwiające w szczególności pomiar prędkości ruchu rury poruszającej się po powierzchni tocznej. Znajdzie to praktyczne zastosowanie w działach izolacji w zakładach produkcji rur. Wśród wielu unikalnych produktów jednym z najbardziej wyjątkowych jest czujnik zdolny do pomiaru prędkości jednostek podwodnych względem otaczającego środowiska. Istnieje długa lista innych pozycji, jednak ze względu na ograniczony zakres tego artykułu jedynym sposobem na uzyskanie dalszych szczegółów jest odwiedzenie strony internetowej producenta. Podsumowując, nasze bezkontaktowe czujniki odległości/prędkości są niezrównane pod względem zalet, a czasami są nawet lepsze w porównaniu z odpowiednikami światowymi, lecz przy znacznie niższej cenie.

Test optycznego czujnika prędkości ISD-3 do zastosowań kolejowych.

Czujnik został zamontowany w przedniej części lokomotywy elektrycznej (patrz zdjęcia) w celu pomiaru jej parametrów dynamicznych. Miejsce: poligon kolejowy w Szczerbince, obwód moskiewski. Pogoda: -12 ºC, wietrznie, bez opadów / opady śniegu.

Podłączenie kabla do czujnika ISD-3.

Montaż czujnika.

Optyczny czujnik ISD-3 zamontowany na lokomotywie.

Czujnik: odległość od podłoża ok. 60 cm (tolerancja ± 20 – 25 cm), częstotliwość pomiarów 24,6 Hz.

W kabinie lokomotywy.

Pomiary w toku. Bez opadów śniegu w pierwszej połowie dnia.

Typowy wykres prędkości. Bez opadów śniegu.

Bardziej szczegółowo.

Test stałego przyspieszenia.

Hamowanie z różnymi siłami.

Druga połowa dnia. Dość intensywne opady śniegu. W bezruchu, z powodu zawiei śnieżnej, niektóre płatki śniegu przekraczają pole widzenia czujnika i generują sygnały. Jednak podczas ruchu sygnał z powierzchni właściwej jest znacznie silniejszy i nie ma już wpływu płatków śniegu.

Test maksymalnej prędkości. Przy dużej prędkości z podłoża unosi się dużo puszystego śniegu i generuje pewne dodatkowe szumy, ale rzeczywistą prędkość średnią nadal można zmierzyć.

Jazda ze stałą prędkością, zamieć śnieżna.

Zastosowanie czujników prędkości i długości ISD-3 i ISD-5 podczas cięcia rur, kształtek, kabli, drutów i innych materiałów o dużej długości.