[發明專利]一種空間濾波測速傳感器裝置及提高測速精度的方法

有效

• 申請號: 201810063677.8
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108279317B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 賈曉東;吳小鋒
• 申請（專利權）人: 江西省智成測控技術研究所有限責任公司
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 張文

本發明公開了一種空間濾波測速傳感器裝置及提高測速精度的方法，該裝置包括照明光源、匯聚透鏡、圖像傳感器、數據采集器、中央處理器、激光位移傳感器和數據輸出接口等；在該方法中計算物體表面粒子運動的速度過程中使用采集圖像頻譜的功率峰值點的頻率，考慮到其它功率值點和其它的頻率點對運動目標引起的頻率的貢獻，使用了對數加權平均算法求解物體表面粒子的運動速度；設置一個功率閾值，當采集圖像頻譜中功率值大于該閾值時該頻率點參與計算運動目標引起的頻率；使用了激光位移傳感器實時精確測量距離運動物體的工作高度，并使用該高度實時修正測量速度以減小工作高度不同引起的速度測量誤差，提高了空間濾波測量傳感器中速度的測量精度。

技術領域

本發明涉及空間濾波測速傳感器技術領域，尤其是涉及一種空間濾波測速傳感器裝置及提高測速精度的方法。

背景技術

由于空間濾波測速傳感器(Spatial Filter Velocimeter,SFV)具有非接觸式測量、高精度等優點，并且光學和機械結構簡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量，在工業生產和科學研究中的多個領域得到了越來越多的應用，民用和軍用領域都具有廣闊的應用前景，在車載組合導航、軋鋼、印刷等高速傳送帶過程測量領域得到了廣泛地應用。

空間濾波測速傳感器是利用運動物體的散射光被空間濾波器調制從而得到一個與物體運動速度成正比的光強信號來獲得物體運動速度的。空間濾波測速的基本概念來源于航空相機控制技術和紅外光學跟蹤技術。1963年美國人Ator在他的研究中通過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，從而開啟了空間濾波測速研究的大門。之后又從相關性理論的角度出發對該方法作了進一步的論證。傳統的空間濾波測速儀的空間濾波器通常由一個透射型光柵構成。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，這種類型的光柵主要缺點就是結構較復雜，加工難度比較大，而且光柵周期不能調整，特別是當要測量二維速度，或者進行差分探測時，要增加另外一路探測子系統，進一步增加了系統結構的復雜性和安裝難度。針對透射型光柵的這一缺點，圖像傳感器被應用到空間濾波測速系統中來，大大簡化了系統結構，提高了系統的靈活性和穩定性。

基于圖像傳感器的空間濾波測速傳感器盡管在上個世紀八十年代就已經被提出，但受限于圖像傳感器的性能，沒有引起廣泛的注意。近年來，半導體技術和成像技術的飛躍發展極大地提升了圖像傳感器的性能，使其在測量領域占據著越來越重要的地位。基于圖像傳感器的SFV再度吸引了研究者的注意，并逐漸成為當今SFV中空間濾波器的主流。圖像傳感器實質上是由一個個小探測元組成的陣列，相比其他類型的空間濾波器，基于圖像傳感器類型的空間濾波器的優勢在于：空間濾波器的空間結構是通過電子電路或者軟件來實現的，具有非常大的靈活性。作為一個空間濾波器，圖像傳感器相對于其它類型的空間濾波器有著許多重要優勢：(1)可以實現多種多樣的透過率函數和濾波窗口；(2)空間濾波器的參數，比如空間周期數量和間隔，即使是在測量過程中也是可以隨時調整和改變的；(3)可以同時實現多路各種類型的空間濾波器。此外，圖像傳感器還扮演著探測器的角色，使得系統結構也得到大大的簡化。

空間濾波測速傳感器的基本結構就是使用一個成像系統將被測物體成像到空間濾波器上，物體的像通過空間濾波器之后，被透鏡匯聚到探測器上，從而使得通過空間濾波器的光強被轉換成電信號，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。運動物體表面某個粒子的像在空間濾波器上運動，從而該粒子的速度信息被空間濾波器轉換成一個頻率與粒子運動速度成正比的光強信號，再通過聚焦透鏡將光強信號匯聚在圖像傳感器上，被圖像傳感器轉換成同頻率的時域信號。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動方向與圖像傳感器方向平行，且為v₀，則物體表面粒子的運動速度v₀與時域信號頻率f₀之間的關系為，

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為成像系統中耦合透鏡的放大倍數。