規格：

光學速度和長度傳感器ISD-3系列規格

*校準后放在物體上，以消除安裝軸線誤差。

**對于典型路面。在平坦且無對比度的表面上，實際上限可能更小。

***僅受照明燈限制，因為它直接由電源供電。處理器單元和傳感器電子設備有一個單獨的+5V線性穩壓器，公差高達35 V。

激光速度和長度傳感器ISD-5系列規格

*剔除傳感器安裝的幾何誤差所需的預校準。

原理：

非接觸式速度測量原理非常簡單。最原始的“工具”就是人的眼睛。每個人都可以通過快速掃視鐵路車廂或汽車窗戶來評估物體的運動速度。大腦會處理這個信號，評估到某個物體的距離以及其角速度，或僅僅依賴生活經驗。傳感器用于評估相同的參數，但精度更高。

首先，讓我們考慮激光傳感器，因為它的設計更簡單。為了實現這一點，需要一個移動的物體，一個光源（否則什么都看不見），以及一個由透鏡和光電探測器組成的光學系統，用于注冊反射信號。物體表面在顏色和光澤上是不均勻的，因此，當物體移動時，光電探測器將注冊與速度成正比的信號頻率。該頻率的典型值由光電探測器的注冊區域的線性大小和物體穿過該區域所需的時間來定義。因此，問題似乎已經解決，但精度仍有待提高。光學系統注冊了所謂的低頻信號。為了提高測量精度，需要縮小由移動物體生成的頻率譜。這可以通過空間濾波器來實現（這一術語與光柵光學傳感器相關）。雖然激光傳感器用于創建條紋（干涉）圖案，即物體在激光光束（檢測區域）內的周期性調制。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，并通過角度重新合并。這樣會形成一個空間濾波器。

現在，任何物體輪廓或顏色的變化通過該結構濾波器時，會生成一個反射信號，其強度以以下頻率調制：照明周期 – 穿越速度。信號的頻譜隨著生成的周期數而變窄（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脈沖，而是多個脈沖（脈沖組），脈沖的數量由條紋圖案的周期數決定。例如，實際上，如果光束直徑為5毫米，而條紋周期為0.05毫米，則會生成100個光束，并相應地產生脈沖組。考慮到頻譜比上述低頻信號縮小了約100倍，這個信號現在就不再連續，而是中斷的，稱為偽信號。值得注意的是，通常20到30個光束就足以達到0.1%或更高的測量精度。

在光學傳感器中，物體通過均勻光源（燈泡或LED）照射，并且傳感器內部有周期性紋理（圖案）。這為圖案提供了額外的保護（例如滑雪橇與雪車的對比），但也帶來了許多問題，包括頻率響應（注冊信號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。提前說明，這個問題已經得到了有效解決。

激光和光學速度傳感器的詳細分析（空間濾波器生成方法、信號處理方法等）可以在專著中找到。理論部分包含了約200頁的內容。然而，目前尚無實際指南用于制造能夠在真實惡劣條件下（如溫差較大、表面種類不同或測量過程中距離變化）工作的傳感器。

全球有少數幾家實際生產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家光學傳感器制造商。本文將介紹這兩種類型的傳感器。

傳感器設計的主要特點。激光傳感器采用基于波前分束原理的原始光學單體結構。它提供了一個穩定的條紋圖案，具有抗溫差的能力，并且在物體的較遠距離下，光束的傳播差異為零，確保在廣泛的距離范圍內最大光束偏移。此外，無需調整光學塊。傳感器接收圖案系統的光學圖示完全消除了測量速度與物體距離的依賴性，從而保持了較高的光學照射功率。

最新的微電路和微控制器與信號處理器被用于硬件信號處理，使接收模擬電子產品能夠進行高頻率精確的速度測量，并實現各種輸出模擬、頻率和數字信號。制造了一系列適用于工業應用的傳感器，標準物體距離從15到130厘米，測量速度范圍從0.01到100 m/s，適用于車輛（詳見ISD-3和ISD-5的詳細說明）。

需要注意的是，這兩種傳感器根據測量的速度（速度積分時間）來測量里程（實際上需要的長度）。也就是說，能夠獲得的測量精度（即傳感器在測量頻率方面的能力）已經達到了其實用極限，實際上已經超出了所需需求。因此，技術數據中規定了長度測量精度小于0.1%。然而，這個參數依賴于長度本身，并且能夠獨立檢查這種精度（正如下面給出的例子所示，但實際測量可以更精確）。因此，主要的重點應該放在測量的可靠性上，即設備應能在不同條件和表面類型下正常工作。

另外，關于在標準工業任務下的距離測量，提供以下幾點說明。假設有一個長的移動物體（金屬帶、玻璃板、布料等），它需要被切割成特定長度的部分。當達到該長度時，傳感器應向執行器發出信號。假設有一個數字輸出（以太網、USB），可用于當前測量長度的讀取。例如，在測量頻率為50 Hz且物體速度為1 m/s的情況下，當前長度增量為（1 m/s）/（0.02秒）= 2厘米。但是，這可能不足夠。然而，有一個長度脈沖輸出，其比率為1000 Hz每1 m/s或每米1000個脈沖。這個輸出頻率每秒更新50次，即無論速度如何，測量的距離增量將為1毫米。顯然，這個參數可以設置為每米10000個脈沖，換句話說，這些傳感器的長度測量精度被認為是完美的，最終的精度僅受切割工具規格的限制。

下面是一些傳感器應用的例子，帶有精度評估和測量頻率。

ISD-5激光傳感器在道路上的應用測試。

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）。測量頻率為54.2 Hz，速度測量范圍為0.02–110 km/h。安裝傳感器的車輛在一條1公里長的賽道上行駛（在城市道路上，晴天，環境溫度為-7°C）。車輛的速度變化（0–50 km/h），并有幾次停車。測量結果根據三圈的長度定義——1055.740米、1056.244米和1055.33米，即考慮到路線不完全重復，測量頻率低于0.05%。

兩個傳感器，光學傳感器和激光傳感器一起使用。它們如圖1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，但實際安裝高度為100厘米。在一段平直的瀝青路面上進行四圈測試（每個方向各兩圈），測試路段長度大致相等。測試完成后，評估了兩個傳感器的相對測量差異。結果見表1。

表1. 光學傳感器ISD-3和激光傳感器ISD-5在同一路段的平行測量結果

ISD-5.

因此，安裝在車輛上的兩個傳感器的實際測量質量是相同的，相對測量頻率是基準點。還應指出，光學傳感器在這種類型的應用中更為可取，因為它對外部負面影響（如溫度、雪、雨）的抵抗力更強，特別是它對接收光學元件污染的耐受性更高。這可以與相機進行比較：即使鏡頭臟了，仍然可以拍照。而激光傳感器的光學元件上若有水滴，可能會導致物體上的條紋圖案嚴重失真。

為了評估總體測量質量，圖2展示了一列貨運列車的加速/剎車速度圖（測試地點：Schsherbinskiy鐵路試驗場，ISD-3傳感器，名義距離為80厘米。傳感器安裝在機車底部并指向軌道）。該圖可以評估瞬時速度測量的準確性，因為鐵路車輛的運動是最大平穩速度的一個例子。同時，作為示例，還提供了一些用于汽車輪胎在冰面上剎車測試的有用圖表（該測試在莫斯科地區Mytishy的冰面場地Arena上使用光學傳感器進行）。

圖3a展示了五次使用無釘雪胎的加速/剎車測試。圖3b展示了相同的測試，但使用的是有釘雪胎。請注意，圖表上的小幅速度峰值不是測量噪聲，它們是實際的，因為這是車輛在冰雪路面上行駛的方式。

這些傳感器在工業中也得到了廣泛應用。這里有一個更多的示例：玻璃長度測量。物體是一個由拋光玻璃制成的旋轉盤，表面干凈。在這種情況下，應使用名義工作距離為130厘米的激光傳感器（實際上玻璃表面是熱的，因此測量應從遠距離進行）。盤面上有一個標記，標識圓形測量的起始和停止點，傳感器會讀取該標記。測量的周長為2.173米。進行兩組分別為7次和11次的測量。平均測量長度分別為2.1732米和2.1733米，常規偏差分別為0.034%和0.036%。

我們最近的一個值得提及的開發成果是二維激光傳感器，特別適用于測量在滾動表面上移動的管道的行駛速度。這在管道廠的保溫車間中具有實際應用價值。在眾多獨特產品中，其中最具排他性的一款是能夠測量水下物體相對于周圍環境的速度的傳感器。還有一長串其他產品，但由于本文篇幅有限，獲取更多詳細信息的唯一方式是訪問制造商的官方網站。總之，我們的非接觸式距離/速度傳感器在性能上無與倫比，有時甚至優于全球同類產品，但價格卻低得多。

應用：

鐵路用測試光學速度傳感器ISD-3。

傳感器安裝在電力機車的前部(見圖片),用于測量其動態參數。

將電纜連接到傳感器ISD-3。

安裝傳感器。

光學ISD-3傳感器安裝在機車上。

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

在機車的一個車廂里。

測量正在進行。上半天沒有下雪。

典型速度圖。沒有下雪。

更詳細。

恒定加速度試驗。

用不同的力制動。

一天的后半天。相當大的降雪。靜止時，由于飄雪，一些雪花穿過傳感器的視野區域并產生信號。但在運動時，來自物體表面的信號更多，不再受雪花的影響。

最高速度測試。在高速下，大量蓬松的雪從地面升起，并產生一些額外的噪音，但真實的平均速度仍然可以測量。

暴風雪以恒定的速度行駛著。

在切割管道、配件、電纜、電線和其他長材料時，應用速度和長度傳感器ISD-3和ISD-5。