規(guī)格：

光學(xué)速度和長(zhǎng)度傳感器ISD-3系列規(guī)格

*校準(zhǔn)后放在物體上，以消除安裝軸線誤差。

**對(duì)于典型路面。在平坦且無(wú)對(duì)比度的表面上，實(shí)際上限可能更小。

***僅受照明燈限制，因?yàn)樗苯佑呻娫垂╇姟Ｌ幚砥鲉卧蛡鞲衅麟娮釉O(shè)備有一個(gè)單獨(dú)的+5V線性穩(wěn)壓器，公差高達(dá)35 V。

激光速度和長(zhǎng)度傳感器ISD-5系列規(guī)格

*剔除傳感器安裝的幾何誤差所需的預(yù)校準(zhǔn)。

原理：

非接觸式速度測(cè)量原理非常簡(jiǎn)單。最原始的“工具”就是人的眼睛。每個(gè)人都可以通過(guò)快速掃視鐵路車廂或汽車窗戶來(lái)評(píng)估物體的運(yùn)動(dòng)速度。大腦會(huì)處理這個(gè)信號(hào)，評(píng)估到某個(gè)物體的距離以及其角速度，或僅僅依賴生活經(jīng)驗(yàn)。傳感器用于評(píng)估相同的參數(shù)，但精度更高。

首先，讓我們考慮激光傳感器，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要一個(gè)移動(dòng)的物體，一個(gè)光源（否則什么都看不見），以及一個(gè)由透鏡和光電探測(cè)器組成的光學(xué)系統(tǒng)，用于注冊(cè)反射信號(hào)。物體表面在顏色和光澤上是不均勻的，因此，當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)器將注冊(cè)與速度成正比的信號(hào)頻率。該頻率的典型值由光電探測(cè)器的注冊(cè)區(qū)域的線性大小和物體穿過(guò)該區(qū)域所需的時(shí)間來(lái)定義。因此，問(wèn)題似乎已經(jīng)解決，但精度仍有待提高。光學(xué)系統(tǒng)注冊(cè)了所謂的低頻信號(hào)。為了提高測(cè)量精度，需要縮小由移動(dòng)物體生成的頻率譜。這可以通過(guò)空間濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)（這一術(shù)語(yǔ)與光柵光學(xué)傳感器相關(guān)）。雖然激光傳感器用于創(chuàng)建條紋（干涉）圖案，即物體在激光光束（檢測(cè)區(qū)域）內(nèi)的周期性調(diào)制。由于激光輻射的相干性，所有光子在光束中是相位一致的，初始光束需要分成兩束，并通過(guò)角度重新合并。這樣會(huì)形成一個(gè)空間濾波器。

現(xiàn)在，任何物體輪廓或顏色的變化通過(guò)該結(jié)構(gòu)濾波器時(shí)，會(huì)生成一個(gè)反射信號(hào)，其強(qiáng)度以以下頻率調(diào)制：照明周期 – 穿越速度。信號(hào)的頻譜隨著生成的周期數(shù)而變窄（周期越多，頻譜越窄）。單一的輪廓或顏色變化將不僅生成一個(gè)脈沖，而是多個(gè)脈沖（脈沖組），脈沖的數(shù)量由條紋圖案的周期數(shù)決定。例如，實(shí)際上，如果光束直徑為5毫米，而條紋周期為0.05毫米，則會(huì)生成100個(gè)光束，并相應(yīng)地產(chǎn)生脈沖組。考慮到頻譜比上述低頻信號(hào)縮小了約100倍，這個(gè)信號(hào)現(xiàn)在就不再連續(xù)，而是中斷的，稱為偽信號(hào)。值得注意的是，通常20到30個(gè)光束就足以達(dá)到0.1%或更高的測(cè)量精度。

在光學(xué)傳感器中，物體通過(guò)均勻光源（燈泡或LED）照射，并且傳感器內(nèi)部有周期性紋理（圖案）。這為圖案提供了額外的保護(hù)（例如滑雪橇與雪車的對(duì)比），但也帶來(lái)了許多問(wèn)題，包括頻率響應(yīng)（注冊(cè)信號(hào)頻率與物體速度之間的比例因子，以Hz/m(m/s)表示）與物體距離的依賴性。提前說(shuō)明，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到了有效解決。

激光和光學(xué)速度傳感器的詳細(xì)分析（空間濾波器生成方法、信號(hào)處理方法等）可以在專著中找到。理論部分包含了約200頁(yè)的內(nèi)容。然而，目前尚無(wú)實(shí)際指南用于制造能夠在真實(shí)惡劣條件下（如溫差較大、表面種類不同或測(cè)量過(guò)程中距離變化）工作的傳感器。

全球有少數(shù)幾家實(shí)際生產(chǎn)非接觸式傳感器的制造商。大約有10家激光傳感器制造商和不到10家光學(xué)傳感器制造商。本文將介紹這兩種類型的傳感器。

傳感器設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。激光傳感器采用基于波前分束原理的原始光學(xué)單體結(jié)構(gòu)。它提供了一個(gè)穩(wěn)定的條紋圖案，具有抗溫差的能力，并且在物體的較遠(yuǎn)距離下，光束的傳播差異為零，確保在廣泛的距離范圍內(nèi)最大光束偏移。此外，無(wú)需調(diào)整光學(xué)塊。傳感器接收?qǐng)D案系統(tǒng)的光學(xué)圖示完全消除了測(cè)量速度與物體距離的依賴性，從而保持了較高的光學(xué)照射功率。

最新的微電路和微控制器與信號(hào)處理器被用于硬件信號(hào)處理，使接收模擬電子產(chǎn)品能夠進(jìn)行高頻率精確的速度測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)各種輸出模擬、頻率和數(shù)字信號(hào)。制造了一系列適用于工業(yè)應(yīng)用的傳感器，標(biāo)準(zhǔn)物體距離從15到130厘米，測(cè)量速度范圍從0.01到100 m/s，適用于車輛（詳見ISD-3和ISD-5的詳細(xì)說(shuō)明）。

需要注意的是，這兩種傳感器根據(jù)測(cè)量的速度（速度積分時(shí)間）來(lái)測(cè)量里程（實(shí)際上需要的長(zhǎng)度）。也就是說(shuō)，能夠獲得的測(cè)量精度（即傳感器在測(cè)量頻率方面的能力）已經(jīng)達(dá)到了其實(shí)用極限，實(shí)際上已經(jīng)超出了所需需求。因此，技術(shù)數(shù)據(jù)中規(guī)定了長(zhǎng)度測(cè)量精度小于0.1%。然而，這個(gè)參數(shù)依賴于長(zhǎng)度本身，并且能夠獨(dú)立檢查這種精度（正如下面給出的例子所示，但實(shí)際測(cè)量可以更精確）。因此，主要的重點(diǎn)應(yīng)該放在測(cè)量的可靠性上，即設(shè)備應(yīng)能在不同條件和表面類型下正常工作。

另外，關(guān)于在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)任務(wù)下的距離測(cè)量，提供以下幾點(diǎn)說(shuō)明。假設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)的移動(dòng)物體（金屬帶、玻璃板、布料等），它需要被切割成特定長(zhǎng)度的部分。當(dāng)達(dá)到該長(zhǎng)度時(shí)，傳感器應(yīng)向執(zhí)行器發(fā)出信號(hào)。假設(shè)有一個(gè)數(shù)字輸出（以太網(wǎng)、USB），可用于當(dāng)前測(cè)量長(zhǎng)度的讀取。例如，在測(cè)量頻率為50 Hz且物體速度為1 m/s的情況下，當(dāng)前長(zhǎng)度增量為（1 m/s）/（0.02秒）= 2厘米。但是，這可能不足夠。然而，有一個(gè)長(zhǎng)度脈沖輸出，其比率為1000 Hz每1 m/s或每米1000個(gè)脈沖。這個(gè)輸出頻率每秒更新50次，即無(wú)論速度如何，測(cè)量的距離增量將為1毫米。顯然，這個(gè)參數(shù)可以設(shè)置為每米10000個(gè)脈沖，換句話說(shuō)，這些傳感器的長(zhǎng)度測(cè)量精度被認(rèn)為是完美的，最終的精度僅受切割工具規(guī)格的限制。

下面是一些傳感器應(yīng)用的例子，帶有精度評(píng)估和測(cè)量頻率。

ISD-5激光傳感器在道路上的應(yīng)用測(cè)試。

傳感器安裝的近似高度為50厘米（允許的限度為35到65厘米）。測(cè)量頻率為54.2 Hz，速度測(cè)量范圍為0.02–110 km/h。安裝傳感器的車輛在一條1公里長(zhǎng)的賽道上行駛（在城市道路上，晴天，環(huán)境溫度為-7°C）。車輛的速度變化（0–50 km/h），并有幾次停車。測(cè)量結(jié)果根據(jù)三圈的長(zhǎng)度定義——1055.740米、1056.244米和1055.33米，即考慮到路線不完全重復(fù)，測(cè)量頻率低于0.05%。

兩個(gè)傳感器，光學(xué)傳感器和激光傳感器一起使用。它們?nèi)鐖D1所示安裝在一輛車輛上。ISD-3傳感器的安裝名義高度為離地面50厘米，而ISD-5激光傳感器的安裝名義高度為130厘米，但實(shí)際安裝高度為100厘米。在一段平直的瀝青路面上進(jìn)行四圈測(cè)試（每個(gè)方向各兩圈），測(cè)試路段長(zhǎng)度大致相等。測(cè)試完成后，評(píng)估了兩個(gè)傳感器的相對(duì)測(cè)量差異。結(jié)果見表1。

表1. 光學(xué)傳感器ISD-3和激光傳感器ISD-5在同一路段的平行測(cè)量結(jié)果

ISD-5.

因此，安裝在車輛上的兩個(gè)傳感器的實(shí)際測(cè)量質(zhì)量是相同的，相對(duì)測(cè)量頻率是基準(zhǔn)點(diǎn)。還應(yīng)指出，光學(xué)傳感器在這種類型的應(yīng)用中更為可取，因?yàn)樗鼘?duì)外部負(fù)面影響（如溫度、雪、雨）的抵抗力更強(qiáng)，特別是它對(duì)接收光學(xué)元件污染的耐受性更高。這可以與相機(jī)進(jìn)行比較：即使鏡頭臟了，仍然可以拍照。而激光傳感器的光學(xué)元件上若有水滴，可能會(huì)導(dǎo)致物體上的條紋圖案嚴(yán)重失真。

為了評(píng)估總體測(cè)量質(zhì)量，圖2展示了一列貨運(yùn)列車的加速/剎車速度圖（測(cè)試地點(diǎn)：Schsherbinskiy鐵路試驗(yàn)場(chǎng)，ISD-3傳感器，名義距離為80厘米。傳感器安裝在機(jī)車底部并指向軌道）。該圖可以評(píng)估瞬時(shí)速度測(cè)量的準(zhǔn)確性，因?yàn)殍F路車輛的運(yùn)動(dòng)是最大平穩(wěn)速度的一個(gè)例子。同時(shí)，作為示例，還提供了一些用于汽車輪胎在冰面上剎車測(cè)試的有用圖表（該測(cè)試在莫斯科地區(qū)Mytishy的冰面場(chǎng)地Arena上使用光學(xué)傳感器進(jìn)行）。

圖3a展示了五次使用無(wú)釘雪胎的加速/剎車測(cè)試。圖3b展示了相同的測(cè)試，但使用的是有釘雪胎。請(qǐng)注意，圖表上的小幅速度峰值不是測(cè)量噪聲，它們是實(shí)際的，因?yàn)檫@是車輛在冰雪路面上行駛的方式。

這些傳感器在工業(yè)中也得到了廣泛應(yīng)用。這里有一個(gè)更多的示例：玻璃長(zhǎng)度測(cè)量。物體是一個(gè)由拋光玻璃制成的旋轉(zhuǎn)盤，表面干凈。在這種情況下，應(yīng)使用名義工作距離為130厘米的激光傳感器（實(shí)際上玻璃表面是熱的，因此測(cè)量應(yīng)從遠(yuǎn)距離進(jìn)行）。盤面上有一個(gè)標(biāo)記，標(biāo)識(shí)圓形測(cè)量的起始和停止點(diǎn)，傳感器會(huì)讀取該標(biāo)記。測(cè)量的周長(zhǎng)為2.173米。進(jìn)行兩組分別為7次和11次的測(cè)量。平均測(cè)量長(zhǎng)度分別為2.1732米和2.1733米，常規(guī)偏差分別為0.034%和0.036%。

我們最近的一個(gè)值得提及的開發(fā)成果是二維激光傳感器，特別適用于測(cè)量在滾動(dòng)表面上移動(dòng)的管道的行駛速度。這在管道廠的保溫車間中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在眾多獨(dú)特產(chǎn)品中，其中最具排他性的一款是能夠測(cè)量水下物體相對(duì)于周圍環(huán)境的速度的傳感器。還有一長(zhǎng)串其他產(chǎn)品，但由于本文篇幅有限，獲取更多詳細(xì)信息的唯一方式是訪問(wèn)制造商的官方網(wǎng)站。總之，我們的非接觸式距離/速度傳感器在性能上無(wú)與倫比，有時(shí)甚至優(yōu)于全球同類產(chǎn)品，但價(jià)格卻低得多。

應(yīng)用：

鐵路用測(cè)試光學(xué)速度傳感器ISD-3。

傳感器安裝在電力機(jī)車的前部(見圖片),用于測(cè)量其動(dòng)態(tài)參數(shù)。

將電纜連接到傳感器ISD-3。

安裝傳感器。

光學(xué)ISD-3傳感器安裝在機(jī)車上。

傳感器:到地面的距離ab。60厘米(20-25厘米公差)，測(cè)量頻率24.6赫茲。

在機(jī)車的一個(gè)車廂里。

測(cè)量正在進(jìn)行。上半天沒有下雪。

典型速度圖。沒有下雪。

更詳細(xì)。

恒定加速度試驗(yàn)。

用不同的力制動(dòng)。

一天的后半天。相當(dāng)大的降雪。靜止時(shí)，由于飄雪，一些雪花穿過(guò)傳感器的視野區(qū)域并產(chǎn)生信號(hào)。但在運(yùn)動(dòng)時(shí)，來(lái)自物體表面的信號(hào)更多，不再受雪花的影響。

最高速度測(cè)試。在高速下，大量蓬松的雪從地面升起，并產(chǎn)生一些額外的噪音，但真實(shí)的平均速度仍然可以測(cè)量。

暴風(fēng)雪以恒定的速度行駛著。

在切割管道、配件、電纜、電線和其他長(zhǎng)材料時(shí)，應(yīng)用速度和長(zhǎng)度傳感器ISD-3和ISD-5。