ОПТОВОЛОКОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ И ДЛИНЫ
FIBRE OPTIC METER OF SPEED AND LENGTH

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости, протяженности и направления движения перемещающихся объектов в различных производственных процессах.
Известны способы бесконтактного измерения скорости на основе корреляционной обработки сигналов с двух приемников (ультразвуковых, оптических и др.), расположенных по направлению движения объекта. По положению максимума взаимокорреляционной функции (ВКФ) сигналов определяют задержку одного сигнала относительно другого и, зная базовое расстояние между приемниками, скорость движения объекта.
Известны оптические методы определения скорости протяженных объектов, основанные на эффекте фильтрации пространственных частот случайной неоднородности поверхности периодической структурой чередующихся прозрачных и непрозрачных элементов (оптическим растром) и определения скорости по частоте сигнала, выделенного растром.
Известны также бесконтактные корреляционные и растровые измерители скорости, построенные на базе высокоскоростных ПЗС матриц. Все они имеют высокую стоимость, сложную конструкцию и недостаточную надежность при работе в сложных эксплуатационных условиях.
Известны способы бесконтактного измерения скорости движущихся объектов, основанные на применении простых и недорогих оптических растров, которые образуются торцами волоконных световодов (например, Патент ФРГ DE 3543785, опубл. 11.06.1987) и в которых величина скорости определяется по максимуму в частотном спектре, выделенном аналоговыми или цифровыми методами. Общим недостатком этих способов является то, что с их помощью не представляется возможным определить направление движения объекта.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для измерения скорости, длины и направления движения (Патент РФ №2160450, опубл. 10.12.2000), которое содержит оптический датчик и электронный блок. Датчик включает передающий и приемный оптические каналы, линейный оптический растр, образованный торцами трех групп оптических волокон, причем каждая группа сдвинута на период растра относительно другой, а выходные торцы волокон каждой из групп подключены к своему фотоприемнику. Электронный блок содержит два сумматора, измеритель фазы, измеритель частоты и вычислительное устройство. Скорость перемещения определяется по частоте разностного сигнала между каналами 1 и 3, а направление движения определяется по фазовому сдвигу пар сигналов в каналах 1 и 3, 2 и 3. Это обеспечивает совмещение функций измерения скорости, длины и направления движения объекта в одном устройстве и позволяет измерять длину объектов, направление движения которых может меняться в процессе измерений.
К недостаткам этого устройства можно отнести сложность его структуры и недостаточную эффективность при малых скоростях перемещения объекта. Устройство содержит три измерительных канала, в том числе фотоприемника, из которых один используется для определения скорости растровым методом, а два других служат только для определения направления движения объекта по сдвигу фаз сигналов. При этом для определения скорости используется только треть растра, что неэффективно, поскольку точность определения скорости прямо пропорциональна количеству элементов растра. Задачу обнаружения объекта, т.е. фиксирование момента начала отсчета длины объекта, данное решение также не решает.
Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства - решение задач обнаружения объекта, измерения его скорости, длины и направления движения, при одновременном повышении точности и упрощении конструкции устройства.
Поставленная цель достигается посредством комбинированного использования растрового и корреляционного методов. Причем первый используется для точного определения скорости в рабочем диапазоне устройства, второй - для измерения малых скоростей, обнаружения объекта, определения направления его движения. Величина перемещения объекта или его длина определяются численным интегрированием значения скорости за требуемый промежуток времени. Обнаружение объекта осуществляется по нескольким критериям: превышению взаимокорреляционной функцией двух сигналов порогового значения, наличию нескольких (>2) кратных максимумов функции взаимной корреляции и равенству значений скоростей, полученных корреляционным и растровым методами. Обратная процедура позволяет зафиксировать конец объекта и тем самым определить его длину.
Устройство работает следующим образом. Собственное тепловое излучение объекта (при его температуре выше 600 К) или отраженное от его поверхности излучение стороннего источника, в том числе специального, воспринимается приемной оптической системой устройства. Объектив системы формирует изображение участка поверхности в плоскости установки оптического растра, образованного входными торцами волоконных световодов, установленных перпендикулярно оптической оси объектива. Выходные концы световодов оптически связаны с фотоприемниками, причем выходные концы первого, третьего,..., n-го световодов оптически связаны с первым фотоприемником, выходные концы второго, четвертого, n+1-го световодов связаны со вторым фотоприемником. Электрические сигналы с фотоприемников проходят усиление, нормировку, частотную фильтрацию, причем граничные частоты полосового фильтра устанавливаются автоматически по результатам вычисления величины скорости перемещения, далее преобразуются в цифровую форму и поступают в вычислительное устройство. Вычислительное устройство работает следующим образом. При появлении в поле зрения датчика объекта корреляционными методами фиксируется появление объекта в соответствии с заранее установленными критериями, по знаку абсциссы максимума функции взаимной корреляции определяется направление движения, а по величине его временного сдвига значение скорости в момент обнаружения.
Далее устройство переключается на растровый метод измерения скорости, набор оптимальных настроек которого (частота дискретизации, длина и количество выборок, метод усреднения, граничные частоты фильтров и т.п.), зависящих от величины скорости и формы взаимокорреляционной функции, хранится в ПЗУ вычислительного устройства. При этом блок корреляционной обработки постоянно контролирует знак корреляционной функции и анализирует ее форму.
Структурная схема устройства изображена на фиг. 1.
Измеритель содержит передающий оптический канал 2, излучение которого сфокусировано на поверхности движущегося объекта 1, приемную оптическую систему 3, растр 4, образованный входными торцами волоконных световодов. Выходные торцы световодов оптически связаны с фотоприемниками 5 и 6. Сигналы с фотоприемников образуют два измерительных канала. Первый измерительный канал состоит из частотного фильтра 7, нормирующего усилителя 9, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11, второй - соответственно из частотного фильтра 8, нормирующего усилителя 10, АЦП 12.
Дальнейшая обработка происходит в вычислительном устройстве 13. Выходы первого и второго измерительных каналов подключены к сумматору 14, с которого суммарный сигнал поступает на блок усреднения сигналов 16, а затем на измеритель частоты сигнала 18. Блок 18 выдает информацию о значении частоты суммарного сигнала, соответствующей максимуму спектральной функции сигнала.
Также выходы первого и второго измерительных каналов подключены к блоку корреляционного измерения 15, выдающему информацию о значении коэффициента взаимной корреляции, величине и знаке временного сдвига максимума функции взаимной корреляции между двумя сигналами.
Полученные из блока 15 значения коэффициента взаимной корреляции, величина и знак временного сдвига максимума функции взаимной корреляции поступают в блок обнаружения объекта 17, в котором фиксируется момент появления (обнаружения) объекта в поле зрения оптической системы устройства и определяется направления его движения.
Блок 19 на основе информации с блоков 15, 17, 18 осуществляет расчет скорости и длины (протяженности) объекта.
Информация о скорости объекта с выхода блока 19 и информация об обнаружении объекта и направлении его движения с выхода блока 17 используется в блоке 20 для задания или коррекции параметров частотных фильтров, усилителей и АЦП, блоков усреднения, вычисления спектра и нахождения корреляции.