[發(fā)明專(zhuān)利]一種空間濾波測(cè)速傳感器裝置及提高測(cè)速精度的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810063677.8
• 申請(qǐng)日: 2018-01-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108279317B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈曉東;吳小鋒
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 江西省智成測(cè)控技術(shù)研究所有限責(zé)任公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01P3/36
• 分類(lèi)號(hào): G01P3/36
• 代理公司: 江西省專(zhuān)利事務(wù)所 36100
• 代理人: 張文

本發(fā)明公開(kāi)了一種空間濾波測(cè)速傳感器裝置及提高測(cè)速精度的方法，該裝置包括照明光源、匯聚透鏡、圖像傳感器、數(shù)據(jù)采集器、中央處理器、激光位移傳感器和數(shù)據(jù)輸出接口等；在該方法中計(jì)算物體表面粒子運(yùn)動(dòng)的速度過(guò)程中使用采集圖像頻譜的功率峰值點(diǎn)的頻率，考慮到其它功率值點(diǎn)和其它的頻率點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)引起的頻率的貢獻(xiàn)，使用了對(duì)數(shù)加權(quán)平均算法求解物體表面粒子的運(yùn)動(dòng)速度；設(shè)置一個(gè)功率閾值，當(dāng)采集圖像頻譜中功率值大于該閾值時(shí)該頻率點(diǎn)參與計(jì)算運(yùn)動(dòng)目標(biāo)引起的頻率；使用了激光位移傳感器實(shí)時(shí)精確測(cè)量距離運(yùn)動(dòng)物體的工作高度，并使用該高度實(shí)時(shí)修正測(cè)量速度以減小工作高度不同引起的速度測(cè)量誤差，提高了空間濾波測(cè)量傳感器中速度的測(cè)量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空間濾波測(cè)速傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種空間濾波測(cè)速傳感器裝置及提高測(cè)速精度的方法。

背景技術(shù)

由于空間濾波測(cè)速傳感器(Spatial Filter Velocimeter,SFV)具有非接觸式測(cè)量、高精度等優(yōu)點(diǎn)，并且光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及使用非相干光源，可以用于流體、氣體和固體表面速度的非接觸測(cè)量，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的多個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，民用和軍用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，在車(chē)載組合導(dǎo)航、軋鋼、印刷等高速傳送帶過(guò)程測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

空間濾波測(cè)速傳感器是利用運(yùn)動(dòng)物體的散射光被空間濾波器調(diào)制從而得到一個(gè)與物體運(yùn)動(dòng)速度成正比的光強(qiáng)信號(hào)來(lái)獲得物體運(yùn)動(dòng)速度的。空間濾波測(cè)速的基本概念來(lái)源于航空相機(jī)控制技術(shù)和紅外光學(xué)跟蹤技術(shù)。1963年美國(guó)人Ator在他的研究中通過(guò)仿真的方法從理論上證明了基于平行狹縫組的空間濾波器的可行性，從而開(kāi)啟了空間濾波測(cè)速研究的大門(mén)。之后又從相關(guān)性理論的角度出發(fā)對(duì)該方法作了進(jìn)一步的論證。傳統(tǒng)的空間濾波測(cè)速儀的空間濾波器通常由一個(gè)透射型光柵構(gòu)成。透射型光柵有可能是一組間隔相等的平行狹縫組成，或者由一組棱鏡組成，這種類(lèi)型的光柵主要缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工難度比較大，而且光柵周期不能調(diào)整，特別是當(dāng)要測(cè)量二維速度，或者進(jìn)行差分探測(cè)時(shí)，要增加另外一路探測(cè)子系統(tǒng)，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和安裝難度。針對(duì)透射型光柵的這一缺點(diǎn)，圖像傳感器被應(yīng)用到空間濾波測(cè)速系統(tǒng)中來(lái)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

基于圖像傳感器的空間濾波測(cè)速傳感器盡管在上個(gè)世紀(jì)八十年代就已經(jīng)被提出，但受限于圖像傳感器的性能，沒(méi)有引起廣泛的注意。近年來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)和成像技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地提升了圖像傳感器的性能，使其在測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。基于圖像傳感器的SFV再度吸引了研究者的注意，并逐漸成為當(dāng)今SFV中空間濾波器的主流。圖像傳感器實(shí)質(zhì)上是由一個(gè)個(gè)小探測(cè)元組成的陣列，相比其他類(lèi)型的空間濾波器，基于圖像傳感器類(lèi)型的空間濾波器的優(yōu)勢(shì)在于：空間濾波器的空間結(jié)構(gòu)是通過(guò)電子電路或者軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有非常大的靈活性。作為一個(gè)空間濾波器，圖像傳感器相對(duì)于其它類(lèi)型的空間濾波器有著許多重要優(yōu)勢(shì)：(1)可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的透過(guò)率函數(shù)和濾波窗口；(2)空間濾波器的參數(shù)，比如空間周期數(shù)量和間隔，即使是在測(cè)量過(guò)程中也是可以隨時(shí)調(diào)整和改變的；(3)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路各種類(lèi)型的空間濾波器。此外，圖像傳感器還扮演著探測(cè)器的角色，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也得到大大的簡(jiǎn)化。

空間濾波測(cè)速傳感器的基本結(jié)構(gòu)就是使用一個(gè)成像系統(tǒng)將被測(cè)物體成像到空間濾波器上，物體的像通過(guò)空間濾波器之后，被透鏡匯聚到探測(cè)器上，從而使得通過(guò)空間濾波器的光強(qiáng)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如圖1所示。空間濾波器為一黑白相間的光柵，其中黑色部分為擋光部分，白色部分為透光部分。運(yùn)動(dòng)物體表面某個(gè)粒子的像在空間濾波器上運(yùn)動(dòng)，從而該粒子的速度信息被空間濾波器轉(zhuǎn)換成一個(gè)頻率與粒子運(yùn)動(dòng)速度成正比的光強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)聚焦透鏡將光強(qiáng)信號(hào)匯聚在圖像傳感器上，被圖像傳感器轉(zhuǎn)換成同頻率的時(shí)域信號(hào)。圖像傳感器的方向與空間濾波器光柵方向垂直，如果物體表面的粒子的運(yùn)動(dòng)方向與圖像傳感器方向平行，且為v₀，則物體表面粒子的運(yùn)動(dòng)速度v₀與時(shí)域信號(hào)頻率f₀之間的關(guān)系為，

式中，p為濾波器中平行狹縫之間間隔的寬度，也即透射光柵的寬度；Q為成像系統(tǒng)中耦合透鏡的放大倍數(shù)。