СПОСОБ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF SPEED AND MOVEMENT OF OBJECT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области измерения таких динамических параметров объекта, как скорость и перемещение, и может быть использовано в различных областях, в том числе и в задачах строительства и машиностроения для исследования деформационных характеристик грунтов, моделирования взаимодействия рабочих органов строительных машин с грунтом.
Из существующего уровня техники известен способ измерения скорости объекта (и устройство для его осуществления), использующий пучок когерентного излучения, перемещаемый по линии, параллельной направлению движения объекта с заданной частотой и амплитудой, далее формируют реализации принятых сигналов, синхронизированные с перемещением пучка, и по величине задержки между сигналами определяют мгновенную скорость объекта (RU 2262112, МПК G01P 3/68, C2, опубл. 20.05.2005). Недостатками данного способа являются: соосное расположение элементов устройства для перемещения когерентного излучения и направления движения исследуемого объекта, а также возможность одновременного слежения только за одним объектом.
Также известен способ регистрации быстропротекающих процессов (и устройство для его реализации), сущность которого заключается в том, что выполняют съемку в однокадровом режиме с требуемым для данного процесса исследования временем экспозиций выбранного участка области исследования путем применения электронно-оптической видеокамеры с подсветкой выбранного участка в момент срабатывания регистрирующей аппаратуры, при этом дополнительно осуществляют съемку в однокадровом режиме, по крайней мере, еще одного локального участка области исследования с помощью дополнительной электронно-оптической видеокамеры с источником подсветки данного участка и дополнительно регистрируют теневое изображение выбранных локальных участков области исследования за счет использования рентгеновского излучения, при этом осуществляют покадровую видеосъемку области исследования дополнительной скоростной видеокамерой с длительностью регистрации, соответствующей длительности процесса исследования (RU 2438119, МПК G01N 23/04, C1, опубл. 27.12.2011).
Недостатками данного способа являются: использование нескольких видеокамер для регистрации динамики процесса, причем каждая камера выполняет съемку в однокадровом режиме.
Задачей изобретения является упрощение процесса регистрации динамики процесса, позволяющее производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров.
max
Данный технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры исследуемый объект, освещенный источником подсветки области исследования - «осветителем», жестко закрепляют на штоке, перемещающемся по направляющим с горизонтальной меткой, видеокамеру устанавливают по отношению к исследуемому объекту таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта и направлена на горизонтальную метку, а максимальное расстояние L между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><msup><mo>'</mo><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mi>г</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
где
Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;
f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;
доп
d - величина допустимого диаметра кружка нерезкости в плоскости исследуемого объекта;
г
К - диафрагменное число,
max
максимальное расстояние S между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>м</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mi>о</mi></msub><mfrac><mrow><mi>δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>E</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow>
где
м
ρ - коэффициент отражения исследуемого объекта;
0
τ - коэффициент пропускания объектива;
δ - световая отдача осветителя;
u
N - электрическая мощность осветителя;
α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;
с
Е - чувствительность сенсора видеокамеры, одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:
V=Δh·n,
где
Δh - перемещение исследуемого объекта; n - скорость видеосъемки.
max
Значение максимального расстояния L между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом получаем, используя следующие величины.
доп
m
Величину допустимого диаметра кружка нерезкости d в плоскости объекта наблюдения определяем требованиями точности определения линейных размеров объекта наблюдения d:
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Поскольку объектом съемки является пространственная модель, имеющая линейные ортогональные размеры съемки, то для гарантированной регистрации движения всех точек объекта съемки необходимо обеспечить в процессе экспериментальных исследований выполнение условия (1). Соблюдение этого требования должна обеспечить соответствующая величина глубины резкости изображаемого пространства (РИП) Δp:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
зад
p - расстояния до задней границы РИП, м;
пер
p - расстояния до передней границы РИП, м.
зад
Расстояния до задней границы РИП p определяют по формуле [Проектирование фото- и киноприборов. / С.В.Кулагин, Е.М.Апарин. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с., стр.55]:
<mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>f</mi><mo>'</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≅</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где D - диаметр входного зрачка объектива, м;
f′ - заднее фокусное расстояние, м;
нав
p - расстояние от плоскости входного зрачка до плоскости наводки, м.
пер
Расстояния до передней границы РИП p определяют по формуле [Проектирование фото- и киноприборов. / С.В.Кулагин, Е.М.Апарин. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с., стр.55]:
<mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>f</mi><mo>'</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≅</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, подставляя формулы (3) и (4) в уравнение (2), глубину РИП можно определить с помощью следующей приближенной формулы:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≅</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Поскольку регистрацию ударного воздействия модели на грунт предполагается производить с расстояния, исключающего повреждение объектива и видеокамеры частицами грунта и обеспечивающего минимальное вибрационное воздействие удара на процесс съемки, то с достаточной степенью точности можно принять следующее условие:
<mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>≅</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
набл
где l - расстояние наблюдения от передней поверхности объектива видеокамеры до объекта съемки, м.
С учетом вышесказанного глубина РИЛ равна:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>l</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>л</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Как правило, все объективы снабжены диафрагмой - устройством для регулировки относительного отверстия, которое позволяет изменять количество проходящего через объектив света, а также устанавливать необходимую глубину резкости, то есть регулировать глубину РИП. Поэтому с учетом равенства [Вычислительная оптика: Справочник / М.М.Русинов, А.П.Грамматин, П.Д.Иванов и др. Под общ. Ред. М.М.Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1984. - 423 с., стр.5]:
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>К</mi><mi>г</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mrow><mi>f</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
г
где К - диафрагменное число, уравнение (7) будет иметь следующий вид:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>l</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>л</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mi>г</mi></msub></mrow><mrow><mi>f</mi><msup><mo>'</mo><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
Таким образом, максимальное расстояние наблюдения L можно рассчитать по формуле:
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><msup><mo>'</mo><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mi>г</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
где
Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;
f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;
доп
d - величина допустимого диаметра кружка нерезкости в плоскости исследуемого объекта;
г
К - диафрагменное число.
с
Для обеспечения нормальных условий работы скоростной видеокамеры необходимо обеспечить освещенность E ее сенсора не меньше пороговой величины Е, указанной в паспорте:
<mrow><mi>E</mi><mo>≥</mo><msub><mi>E</mi><mi>c</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Освещенность E сенсора видеокамеры можно определить по формуле [Вычислительная оптика: Справочник / М.М.Русинов, А.П.Грамматин, П.Д.Иванов и др. Под общ. Ред. М.М.Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. - 423 с., стр.91]:
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>м</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mi>о</mi></msub><mfrac><mrow><mi>J</mi><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
м
где ρ - коэффициент отражения исследуемого объекта;
0
τ - коэффициент пропускания объектива скоростной видеокамеры;
J - сила света источника, кд;
α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на источник, град.;
r - расстояние от источника света до сенсора видеокамеры вдоль ее оптической оси, м.
Силу света источника J рассчитывают по формуле [Инженерная оптика / И.Л.Сакин. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1976. - 288 с, стр.134]:
<mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mi>u</mi></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>13</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
u
где Ф - световой поток, создаваемый источником освещения, лм;
π - математическая константа, π=3,14159…
u
Значения светового потока для различных источников приводят в их паспортах. При отсутствии паспортных данных на данный источник его световой поток можно определить, умножая значение световой отдачи δ на величину электрической мощности N источника излучения [Справочник по элементарной физике. / Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. - 8-е изд. перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 208 с., стр.173].
<mrow><msub><mi>Ф</mi><mi>u</mi></msub><mo>=</mo><mi>δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>14</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>s</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>в</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>15</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Расстояние r от источника до сенсора видеокамеры вдоль ее оптической оси равно:
max
где L - максимальное расстояние между видеокамерой и объектом наблюдения, м;
осв
S - расстояние от источника света до освещаемого объекта, м.
С учетом уравнений (13)-(15) уравнение (12) будет иметь следующий вид:
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>м</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mi>о</mi></msub><mfrac><mrow><mi>δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>s</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>в</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>16</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
Таким образом, максимальное расстояние S между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>м</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mi>о</mi></msub><mfrac><mrow><mi>δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>E</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow>
где
м
ρ - коэффициент отражения исследуемого объекта;
0
τ - коэффициента пропускания объектива;
δ - световая отдача осветителя;
u
N - электрическая мощность осветителя;
π - математическая константа, π=3,14159…;
α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;
с
Е - чувствительность сенсора видеокамеры.
Одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:
V=Δh·n,
где
Δh - перемещение исследуемого объекта;
n - скорость видеосъемки.
m
доп
м
Так как в экспериментальных исследованиях используется песок средней крупности (грунт) со средним размером частиц 0,38 мм, то регистрацию перемещения частиц грунта под действием внешней силы планируется выполнять с точностью до d=d=0,1 мм. Коэффициент отражения песка (отношение отраженной энергии к падающей на объект энергии) зависит от его дисперсности и увеличивается от 0,4 до 0,8 с уменьшением размера частиц. Для песка средней крупности принимаем ρ=0,4.
с
Для видеосъемки предлагается использовать скоростную видеокамеру ТМС-6740 GE. Чувствительность сенсора видеокамеры ТМС-6740 GE равна Е=1,4 лк.
Совместно с камерой предлагается использовать объектив Navitar DO-5095, который имеет следующие основные характеристики:
- фокусное расстояние f′=50 мм;
г
- диафрагменное число К=0,95÷16;
- угловое поле в пространстве предметов 2ω(H×V)=14°36′×11°00′;
o
- коэффициента пропускания τ=0,785.
г
Диафрагменное число объектива примем равным К=5. Глубину РИП примем равной диаметру основания объекта съемки - конической модели - Δp=45 мм.
u
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>13,8</mn><mtext> </mtext><mi>л</mi><mi>м</mi></mrow><mrow><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow></mfrac></mrow>
В качестве источника света предлагается использовать лампу накаливания Б220-230-100 (ГОСТ Р МЭК 60064-99) мощностью N=100 Вт со световой отдачей
. Для удобства работы и с целью предотвращения прямой засветки видеокамеры отраженным от светопрозрачного экрана светом источник освещения разместим под углом 45° к месту наблюдения - α=45°.
max
Тогда максимальное расстояние L между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом будет равно:
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>⋅</mo><mi>f</mi><msup><mo>'</mo><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mi>г</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>45</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>50</mn></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>0,1</mn><mo>⋅</mo><mn>5</mn></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>335</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mo>=</mo><mn>0,335</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi></mrow>
max
Максимальное расстояние S между осветителем и исследуемым объектом будет равно:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>S</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>м</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mi>о</mi></msub><mfrac><mrow><mi>δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>E</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>0,4</mn><mo>⋅</mo><mn>0,785</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>13,8</mn><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msup><mrow><mn>45</mn></mrow><mo>∘</mo></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mn>1,4</mn></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>−</mo><mn>0,335</mn><mo>≅</mo><mn>3,84</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi></mtd></mtr></mtable>
На фиг.1 изображена схема устройства для бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта.
Для реализации способа бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры исследуемый объект 1 с мерной линейкой 2 с делениями жестко закреплен на штоке 3 с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в направляющих 4.
max
max
На направляющих 4 жестко закреплена горизонтальная метка 5, перекрывающая деления мерной линейки 2 на величину Δ. На расстоянии Lот оси исследуемого объекта 1 расположена видеокамера 6, установленная на штативе 7. Для освещения исследуемого объекта 1 используется источник подсветки области исследования «осветитель» 8, расположенный на расстоянии S от исследуемого объекта 1 под углом α, образованным нормалью к плоскости освещения, совпадающей с оптической осью видеокамеры, и направлением на «осветитель» 8.
max
max
Рассмотрим конкретный пример реализации предлагаемого способа. На расстоянии L от исследуемого объекта 1 устанавливают видеокамеру 6 так, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта 1 и направлена на горизонтальную метку 5. На расстоянии S от исследуемого объекта устанавливают «осветитель» 8 под углом α к оптической оси видеокамеры 6. Одновременно с началом движения исследуемого объекта 1 включают видеокамеру 6, которая покадрово фиксирует перемещение в поле зрения видеокамеры 6 относительно горизонтальной метки 5 делений мерной линейки 2, жестко связанной штоком 3 с исследуемым объектом 1. После окончания покадровой видеосъемки сравнивают значения делений мерной линейки 2, совпадающих с горизонтальной меткой 5, на следующих друг за другом кадрах и рассчитывают текущее перемещение Δh исследуемого объекта 1 за промежуток времени, равный смене одного кадра другим. Учитывая перемещение Δh исследуемого объекта 1 от кадра к кадру и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта 1.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет усовершенствовать процесс регистрации динамики процесса и позволяет производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров.