СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2013

Принцип бесконтактного измере ния скорости заключается в форми ровании изображения движущегося объекта на фоточувствительном эле менте (ФЧЭ) и применении специаль ной периодической структуры – про странственного фильтра, который формирует периодический электри ческий сигнал, частота которого про порциональна скорости объекта. В классическом варианте, пространст венный фильтр состоит из решётки фотоприёмников, установленных в плоскости изображения объекта и соединённых через один (две вло женных гребёнки ФЧЭ). Выходные сигналы ФЧЭ подаются на входы дифференциального усилителя. При движении изображения по такой структуре оно последовательно попа дает на ФЧЭ гребёнок и формирует синусоидальный сигнал, пропорци ональный скорости движения объек та. Обзор принципов измерений, основанных на пространственных фильтрах, и методов их реализации приведён в [1]. При изменении расстояния до объ екта частотный отклик (коэффици СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 18 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2013 ент пропорциональности между ско ростью объекта и частотой генериру емого сигнала, выражается в Гц/(м/с)) существенно изменяется, посколь ку изменяется увеличение оптичес кой системы (отношение расстояния от главной оптической плоскости до плоскости изображения к рассто янию до объекта). Это является основ ным недостатком датчиков такого типа. Частично проблему решает теле центрическая оптическая схема, ко торая в небольших пределах обеспе чивает постоянство размера изобра жения за счёт диафрагмирования оптики. В центре фокальной плос кости системы устанавливают ди афрагму, и чем она меньше, тем боль ше диапазон расстояний до объекта, при которых изменением масштаба изображения можно пренебречь (в пределах 0,1%). Однако наличие ди афрагмы приводит к значительно му уменьшению светового потока, т.к. в основном проходят лучи, парал лельные оптической оси. На практике диаметр диафрагмы составляет всего 1…2 мм для достижения пределов ра бочих расстояний 15…20% от номи нального, и приходится использовать мощные источники подсветки объек та для достижения приемлемых уров ней выходного сигнала датчика. Альтернативные решения, например использование сложных широко угольных телецентрических объек тивов или применение отдельного датчика расстояния, приводят к усложнению системы, но радикально не решают проблему. Однако недавно было найдено ре шение [2], преодолевающее основной недостаток классического варианта и позволяющее создавать датчики, час тотный отклик которых принципи ально не зависит от расстояния до объекта. Оказалось, что если отделить пространственный фильтр от плос кости ФЧЭ и переместить его ближе к оптике, принцип формирования сиг нала, частота которого пропорцио нальна скорости объекта, существен но изменяется. Теперь не период ФЧЭ определяет частоту сигнала, а период растрового фильтра, которым являет ся амплитудная решётка с чередова нием прозрачных и непрозрачных полос. При движении объекта за растром возникает перемещающаяся теневая картина (как тень от забора, освещае мого фарами проезжающего автомо биля), и фотоприёмник генерирует электрический сигнал, частота кото рого определяется периодом теневой картины и её линейной скоростью на ФЧЭ, установленных в фокальной плоскости. При уменьшении расстоя ния до объекта линейная скорость те ни возрастает, но ровно настолько же увеличивается период теневой карти ны, в результате частотный отклик ос таётся постоянным, – это следует из тригонометрического расчёта пофор мулам линзы. Для расчёта параметров оптической системы была создана специальная программа, позволяющая определить конкретную конфигурацию системы при заданных параметрах (период растра, его положение, фокусное рас стояние оптической системы, пара метры ФЧЭ и т.п.). Алгоритм вычисле ний является достаточно простым, но объёмным, поэтому здесь не приво дится. На рисунке 1 показан пример расчё та изменения параметров системы в зависимости от расстояния до объекта. Расчёт проводился для безразмерных относительных величин, поскольку интерес представляют исключитель но их изменения. На графике 1 пред ставлено изменение периода теневой структуры от растра, расположенного между линзой и плоскостью ФЧЭ. На графике 2 – соответствующее измене ние линейной скорости теневой струк туры в плоскости ФЧЭ при перемеще нии объекта с некоторой постоянной скоростью. На графике 3 для срав 2,5 Величины параметров, отн. ед. 2 1,5 1 0,5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Расстояние до объекта, см 1 2 3 4 Рис. 1. Расчёт зависимости параметров оптической системы от расстояния до объекта для упрощённой конфигурации датчика скорости 1 – период теневой структуры в плоскости ФЧЭ, 2 – линейная скорость её перемещения в той же плоскости, 3 – увеличение оптической системы, 4 – частотный отклик (отношение графиков 1 и 2) Усовершенствование бесконтактного оптического датчика скорости Станислав Растопов (Москва) Оптические датчики скорости используются при измерении динамических характеристик транспортных средств. В статье описана новая схема реализации пространственных фильтров, позволяющая существенно улучшить качество измерений, в частности, устранить зависимость измеренной скорости от расстояния до объекта.