В статье проводится обзор технических особенностей лазерных и оптических систем измерения пути-скорости серии ИСД, рассказывается о принципах их работы, оценивается потенциал практического применения, а также затрагивается тема новых перспективных разработок производственно-технического предприятия «Сенсорика-М» – создателя данного решения.
ООО «ПТП «Сенсорика-М», г. Москва
Российская компания ПТП «Сенсорика-М» – один из немногих отечественных разработчиков бесконтактных датчиков пути и скорости – оптических и лазерных. В ее измерительном оборудовании применены уникальные технические решения, позволяющие значительно повысить точность измерений. Системы на основе таких датчиков востребованы в автомобилестроении и тестировании транспортных средств, логистике, трубной, сталепрокатной, кабельной и других отраслях промышленности. Причем отечественные разработки обходятся потребителям гораздо дешевле зарубежных аналогов и при этом совершенно не уступают им по характеристикам, а по некоторым параметрам даже превосходят благодаря применению не только известных передовых, но и оригинальных собственных решений.
Об одной из таких разработок – оптическом моноблоке – стоит рассказать подробней. Оптический моноблок для лазерного датчика, основанный на принципе деления пучка по волновому фронту, обеспечивает стабильную интерференционную картину, нечувствительную к изменениям температуры, с нулевой разностью хода пучков, что обеспечивает максимальный контраст штрихов в большом диапазоне расстояний до объекта. При этом совершенно не требуются какие-либо операции по коррекции оптического блока. На базе лазерного датчика с таким оптическим моноблоком построены оптические системы ИСД-5. Рассмотрим их назначение, области применения и возможности.
ИСД - 5
Лазерная система измерения длины и пройденного пути ИСД-5 (рис. 1) предназначена для бесконтактных измерений в металлургической, кабельной, химической, целлюлозно-бумажной, текстильной и деревообрабатывающей промышленности, для применения в автоматизированных системах раскроя и учета, а также контроля линейной скорости транспортных средств.
Рис. 1. Лазерная система измерения длины и пройденного пути ИСД-5
Для измерения скорости и пройденного пути чувствительный сенсор устанавливается на подвижном (обслуживаемом) объекте, например на рельсовом кране, автомобиле, вагоне и т. д. Таким образом, ИСД-5 способен измерять скорости и линейные размеры движущихся с различной скоростью транспортных средств, подвижных устройств и конструкций.
Принцип измерения – лазерный интерференционный, который основан на методике измерения скорости с помощью пространственного фильтра. Поверхность измеряемого предмета облучается двумя разделенными и модулированными пучками лазера, направленными под углом друг к другу, что позволяет получить интерференционную картину (решетку), которая создает пространственный фильтр. Отраженный сигнал становится модулированным, а его частота зависит от скорости перемещения контролируемого предмета. Длина вычисляется как интеграл скорости по времени.
В настоящее время ООО «ПТП «Сенсорика-М» выпускает две версии модели ИСД-5 с различными рабочими конфигурациями для обеспечения номинальных рабочих расстояний до объекта от 20 до 1300 мм. По желанию заказчика производитель также может поставить модель с заказными конфигурациями.
Основные отличительные черты ИСД-5:
- прецизионные измерения: погрешность 0,05–0,15 % (в зависимости от абсолютной скорости и частоты измерения);
- возможность работы с любыми поверхностями, включая прозрачное стекло;
- широкий диапазон номинальных расстояний до поверхности: от 20 до 130 см и более;
- оригинальный моноблочный расщепитель пучка, обеспечивающий стабильность интерференционной картины и широкий диапазон допустимых изменений расстояния до объекта (до ±25 % от номинального);
- термокомпенсированная конструкция, обеспечивающая стабильность измерений в широком диапазоне температур без термостабилизации измерителя. В диапазоне температур измерителя +15…+50 °C температурный дрейф отсутствует. При низких температурах может использоваться система термостабилизации (опция);
- небольшая потребляемая мощность как датчика (0,5–2 Вт в зависимости от используемого лазера), так и микроконтроллерного блока обработки сигнала (1 Вт);
- широкий динамический диапазон освещенности объекта (от темноты до яркого солнечного света) и нечувствительность к резким перепадам освещенности (включая люминесцентное освещение) и яркости объекта;
- незначительные габариты и вес датчика (300–400 г), степень защиты IP67.
ИСД - 3
Оптическая система ИСД-3 (рис. 2) предназначена для высокоточного, бесконтактного измерения скорости и пройденного пути транспортным средством относительно дороги (в транспортной индустрии), а также для измерения скорости и длины материалов, движущихся относительно датчика. Применяется в различных отраслях промышленности.
Рис. 2. Оптическая система ИСД-3
Принцип измерения – растровая пространственная фильтрация изображения объекта. Обслуживаемый объект освещается однородным источником (лампочка или светодиод), а периодическая структура (растр) находится внутри датчика. ИСД этого типа создает растровый пространственный фильтр для изображения контролируемого предмета.
Основные отличительные черты ИСД-3:
- прецизионные измерения: погрешность 0,05–0,15 %;
- широкий диапазон номинальных расстояний до поверхности: от 20 до 150 см;
- большая светосила оптики, поскольку нет необходимости диафрагмирования. Как следствие, для освещения объекта достаточно 10 Вт галогенной лампы, а во многих случаях даже 1,2 Вт инфракрасного диода;
- широкий динамический диапазон яркости объекта – при измерениях она может изменяться до 100 000 раз, и резкие перепады яркости не искажают измерений;
- низкая чувствительность к загрязнению оптики;
- легкий, но прочный и герметичный корпус, степень защиты от окружающей среды – IP67.
Область применения ИСД-5 и ИСД-3
Как промышленные устройства, ИСД-5 и ИСД-3 соответствуют всем строгим требованиям и стандартам по электромагнитной совместимости и лазерной безопасности. Однако, анализируя различия в их конструктивных особенностях и принципе работы, следует учитывать, что оптическая система ИСД-3 лучше приспособлена для эксплуатации на открытом воздухе и при жестких климатических условиях (широкий температурный диапазон, повышенная влажность, запыленность). Ее оптический датчик способен измерять более высокие скорости движения при значительных колебаниях объекта, и у него очень низкая чувствительность к загрязнению. Лазерный датчик ИСД-5 больше подходит для закрытых пространств, например цехов промышленных предприятий, где он применяется для систем раскроя и учета. Загрязнения для этого устройства критичны, потому что сильно искажают периодическую структуру на подконтрольном объекте. Лазерная система позволяет измерять малые скорости движения контролируемых объектов или небольшие длины, а также проводить вибрационные измерения поперечных колебаний с высоким разрешением.
Двухмерная перспектива
В настоящее время производитель находится на завершающем этапе разработки нового высокотехнологичного продукта, получившего предварительное название «двухмерный (двухосевой) датчик 2-Д».
Выпускающиеся сейчас продукты ИСД-5/ИСД-3 измеряют только прямолинейный путь в одну сторону – вперед или назад. Новая система рассчитана на измерение движения в обе стороны. Для этой цели в конструкции 2-Д предусматривается дополнительный сенсор реверсного хода. Направление движения в двухмерной системе будет определяться автономно по оптическому сигналу. По словам генерального директора ООО «ПТП «Сенсорика-М» М. И. Макаренко, главная конструктивная особенность новинки заключается в том, что в системе измерений будет использоваться позиционирование трех датчиков, каждый из которых измеряет в своем диапазоне еще и вектор скорости. Таким образом, будут измеряться не только направление движения и линейная скорость, но и вектор скорости в любой момент времени. Зная его величину, можно выстроить траекторию движения подконтрольного объекта относительно начальной точки исчисления.
По сути, система 2-Д способна обеспечить так называемую локальную навигацию внутри замкнутых помещений и территорий без какого-либо дополнительного оборудования и дополнительных меток направления движения. С помощью двухосевого датчика будет выстраиваться необходимая траектория движения, благодаря которой любая единица транспортного средства сможет работать автономно как самодвижущийся робот. Самодвижущиеся тележки, кары, погрузчики, штабелёры и другая автономная робототехника получит безошибочную интерактивную карту перемещений в огромных складских хабах без помощи спутниковой навигации.
Локальная навигация – это перспективное направление для роботизированных транспортных средств. Зарубежные разработчики пытаются внедрить подобные продукты, но их решения на данном этапе остаются весьма дорогостоящими. Поэтому перед отечественной системой 2-Д открываются широкие перспективы применения не только в нашей стране, но и за рубежом. С введением векторного измерения отпадает необходимость в использовании GPS-навигации и кластерной ориентации помещений. Это значит, что в скором времени исчезнет потребность в монтаже дорогостоящих напольных датчиков и светоотражающего оборудования на огромных территориях современных складских комплексов, двухосевая система будет самостоятельно выстраивать траекторию перемещения относительно поверхности движения, опираясь на траекторные динамические измерения собственных датчиков.
Универсальное решение о совмещении нескольких датчиков в единую систему фактически позволяет измерять и контролировать перемещение по двум осям. Укомплектование 2-Д инерциальными акселерометрами и гироскопами вкупе с оригинальными математическими алгоритмами, совмещающими эти сигналы для получения достоверной оценки скорости, позволит измерительной системе эффективней работать даже при далеко не идеальном напольном покрытии. Как следует из всего сказанного, по функциональности 2-Д можно приравнять к новому типу оптического навигационного прибора, на данный момент не имеющего аналогов ни в отечественном, ни в зарубежном приборостроении.
Конструкция датчиков и их характеристики постоянно улучшаются благодаря плодотворной исследовательской работе специалистов компании, поэтому надеемся, что в ближайшем будущем мы познакомим читателей с новыми прогрессивными и перспективными разработками
.
Опубликовано_в журнале ИСУП № 3(93)_2021
ООО «ПТП «Сенсорика-М», г. Москва,
тел.: +7 (499) 753-3990,
e-mail: info@sensorika.com,
сайт: sensorika.com
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")