Способ для бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта и устройство для его реализации

Изобретение относится к области измерения таких динамических параметров объекта, как скорость и перемещение. Исследуемый объект, освещенный осветителем, закрепляют на штоке, перемещающемся по направляющим с горизонтальной меткой. Видеокамеру устанавливают по отношению к исследуемому объекту таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта и направлена на горизонтальную метку. Одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах и, учитывая перемещение исследуемого объекта и скорость видеосъемки, рассчитывают скорость исследуемого объекта. Изобретение позволяет усовершенствовать процесс регистрации динамики процесса и позволяет производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерения таких динамических параметров объекта, как скорость и перемещение, и может быть использовано в различных областях, в том числе и в задачах строительства и машиностроения для исследования деформационных характеристик грунтов, моделирования взаимодействия рабочих органов строительных машин с грунтом.

Из существующего уровня техники известен способ измерения скорости объекта (и устройство для его осуществления), использующий пучок когерентного излучения, перемещаемый по линии, параллельной направлению движения объекта с заданной частотой и амплитудой, далее формируют реализации принятых сигналов, синхронизированные с перемещением пучка, и по величине задержки между сигналами определяют мгновенную скорость объекта (RU 2262112, МПК G01P 3/68, C2, опубл. 20.05.2005). Недостатками данного способа являются: соосное расположение элементов устройства для перемещения когерентного излучения и направления движения исследуемого объекта, а также возможность одновременного слежения только за одним объектом.

Также известен способ регистрации быстропротекающих процессов (и устройство для его реализации), сущность которого заключается в том, что выполняют съемку в однокадровом режиме с требуемым для данного процесса исследования временем экспозиций выбранного участка области исследования путем применения электронно-оптической видеокамеры с подсветкой выбранного участка в момент срабатывания регистрирующей аппаратуры, при этом дополнительно осуществляют съемку в однокадровом режиме, по крайней мере, еще одного локального участка области исследования с помощью дополнительной электронно-оптической видеокамеры с источником подсветки данного участка и дополнительно регистрируют теневое изображение выбранных локальных участков области исследования за счет использования рентгеновского излучения, при этом осуществляют покадровую видеосъемку области исследования дополнительной скоростной видеокамерой с длительностью регистрации, соответствующей длительности процесса исследования (RU 2438119, МПК G01N 23/04, C1, опубл. 27.12.2011).

Недостатками данного способа являются: использование нескольких видеокамер для регистрации динамики процесса, причем каждая камера выполняет съемку в однокадровом режиме.

Задачей изобретения является упрощение процесса регистрации динамики процесса, позволяющее производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров.

Данный технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры исследуемый объект, освещенный источником подсветки области исследования - «осветителем», жестко закрепляют на штоке, перемещающемся по направляющим с горизонтальной меткой, видеокамеру устанавливают по отношению к исследуемому объекту таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта и направлена на горизонтальную метку, а максимальное расстояние Lmax между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом определяется по формуле:

L max = Δ p f ' 2 2 d д о п К г ,

где

Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;

f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;

dдоп - величина допустимого диаметра кружка нерезкости в плоскости исследуемого объекта;

Кг - диафрагменное число,

максимальное расстояние Smax между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:

S max = ρ м τ о δ N u cos α 4 π E c L max

где

ρм - коэффициент отражения исследуемого объекта;

τ0 - коэффициент пропускания объектива;

δ - световая отдача осветителя;

Nu - электрическая мощность осветителя;

α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;

Ес - чувствительность сенсора видеокамеры, одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:

V=Δh·n,

где

Δh - перемещение исследуемого объекта; n - скорость видеосъемки.

Значение максимального расстояния Lmax между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом получаем, используя следующие величины.

Величину допустимого диаметра кружка нерезкости dдоп в плоскости объекта наблюдения определяем требованиями точности определения линейных размеров объекта наблюдения dm:

d д о п d m ( 1 )

Поскольку объектом съемки является пространственная модель, имеющая линейные ортогональные размеры съемки, то для гарантированной регистрации движения всех точек объекта съемки необходимо обеспечить в процессе экспериментальных исследований выполнение условия (1). Соблюдение этого требования должна обеспечить соответствующая величина глубины резкости изображаемого пространства (РИП) Δp:

Δ p = p з а д p п е р , ( 2 )

где

pзад - расстояния до задней границы РИП, м;

pпер - расстояния до передней границы РИП, м.

Расстояния до задней границы РИП pзад определяют по формуле [Проектирование фото- и киноприборов. / С.В.Кулагин, Е.М.Апарин. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с., стр.55]:

p з а д = D f ' p н а в D f ' ( p н а в f ' ) d д о п D f ' p н а в D f ' p н а в d д о п , ( 3 )

где D - диаметр входного зрачка объектива, м;

f′ - заднее фокусное расстояние, м;

pнав - расстояние от плоскости входного зрачка до плоскости наводки, м.

Расстояния до передней границы РИП pпер определяют по формуле [Проектирование фото- и киноприборов. / С.В.Кулагин, Е.М.Апарин. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с., стр.55]:

p п е р = D f ' p н а в D f ' + ( p н а в f ' ) d д о п D f ' p н а в D f ' + p н а в d д о п ( 4 )

Таким образом, подставляя формулы (3) и (4) в уравнение (2), глубину РИП можно определить с помощью следующей приближенной формулы:

Δ p = p з а д p п е р 2 p н а в 2 d д о п D f ' ( 5 )

Поскольку регистрацию ударного воздействия модели на грунт предполагается производить с расстояния, исключающего повреждение объектива и видеокамеры частицами грунта и обеспечивающего минимальное вибрационное воздействие удара на процесс съемки, то с достаточной степенью точности можно принять следующее условие:

p н а в l н а б л , ( 6 )

где lнабл - расстояние наблюдения от передней поверхности объектива видеокамеры до объекта съемки, м.

С учетом вышесказанного глубина РИЛ равна:

Δ p = 2 l н а б л 2 d д о п D f ' ( 7 )

Как правило, все объективы снабжены диафрагмой - устройством для регулировки относительного отверстия, которое позволяет изменять количество проходящего через объектив света, а также устанавливать необходимую глубину резкости, то есть регулировать глубину РИП. Поэтому с учетом равенства [Вычислительная оптика: Справочник / М.М.Русинов, А.П.Грамматин, П.Д.Иванов и др. Под общ. Ред. М.М.Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1984. - 423 с., стр.5]:

1 К г = D f ' , ( 8 )

где Кг - диафрагменное число, уравнение (7) будет иметь следующий вид:

Δ p = 2 l н а б л 2 d д о п К г f ' 2 . ( 9 )

Таким образом, максимальное расстояние наблюдения Lmax можно рассчитать по формуле:

L max = Δ p f ' 2 2 d д о п К г

где

Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;

f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;

dдоп - величина допустимого диаметра кружка нерезкости в плоскости исследуемого объекта;

Кг - диафрагменное число.

Для обеспечения нормальных условий работы скоростной видеокамеры необходимо обеспечить освещенность E ее сенсора не меньше пороговой величины Ес, указанной в паспорте:

E E c ( 11 )

Освещенность E сенсора видеокамеры можно определить по формуле [Вычислительная оптика: Справочник / М.М.Русинов, А.П.Грамматин, П.Д.Иванов и др. Под общ. Ред. М.М.Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. - 423 с., стр.91]:

E = ρ м τ о J cos α r 2 , ( 12 )

где ρм - коэффициент отражения исследуемого объекта;

τ0 - коэффициент пропускания объектива скоростной видеокамеры;

J - сила света источника, кд;

α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на источник, град.;

r - расстояние от источника света до сенсора видеокамеры вдоль ее оптической оси, м.

Силу света источника J рассчитывают по формуле [Инженерная оптика / И.Л.Сакин. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1976. - 288 с, стр.134]:

J = Ф u 4 π , ( 13 )

где Фu - световой поток, создаваемый источником освещения, лм;

π - математическая константа, π=3,14159…

Значения светового потока для различных источников приводят в их паспортах. При отсутствии паспортных данных на данный источник его световой поток можно определить, умножая значение световой отдачи δ на величину электрической мощности Nu источника излучения [Справочник по элементарной физике. / Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. - 8-е изд. перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 208 с., стр.173].

Ф u = δ N u ( 14 )

Расстояние r от источника до сенсора видеокамеры вдоль ее оптической оси равно: r = L max + s о с в . , ( 15 )

где Lmax - максимальное расстояние между видеокамерой и объектом наблюдения, м;

Sосв - расстояние от источника света до освещаемого объекта, м.

С учетом уравнений (13)-(15) уравнение (12) будет иметь следующий вид:

E = ρ м τ о δ N u cos α 4 π ( L max + s о с в . ) 2 ( 16 )

Таким образом, максимальное расстояние Smax между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:

S max = ρ м τ о δ N u cos α 4 π E c L max

где

ρм - коэффициент отражения исследуемого объекта;

τ0 - коэффициента пропускания объектива;

δ - световая отдача осветителя;

Nu - электрическая мощность осветителя;

π - математическая константа, π=3,14159…;

α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;

Ес - чувствительность сенсора видеокамеры.

Одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:

V=Δh·n,

где

Δh - перемещение исследуемого объекта;

n - скорость видеосъемки.

Так как в экспериментальных исследованиях используется песок средней крупности (грунт) со средним размером частиц 0,38 мм, то регистрацию перемещения частиц грунта под действием внешней силы планируется выполнять с точностью до dm=dдоп=0,1 мм. Коэффициент отражения песка (отношение отраженной энергии к падающей на объект энергии) зависит от его дисперсности и увеличивается от 0,4 до 0,8 с уменьшением размера частиц. Для песка средней крупности принимаем ρм=0,4.

Для видеосъемки предлагается использовать скоростную видеокамеру ТМС-6740 GE. Чувствительность сенсора видеокамеры ТМС-6740 GE равна Ес=1,4 лк.

Совместно с камерой предлагается использовать объектив Navitar DO-5095, который имеет следующие основные характеристики:

- фокусное расстояние f′=50 мм;

- диафрагменное число Кг=0,95÷16;

- угловое поле в пространстве предметов 2ω(H×V)=14°36′×11°00′;

- коэффициента пропускания τo=0,785.

Диафрагменное число объектива примем равным Кг=5. Глубину РИП примем равной диаметру основания объекта съемки - конической модели - Δp=45 мм.

В качестве источника света предлагается использовать лампу накаливания Б220-230-100 (ГОСТ Р МЭК 60064-99) мощностью Nu=100 Вт со световой отдачей δ = 13,8 л м В т . Для удобства работы и с целью предотвращения прямой засветки видеокамеры отраженным от светопрозрачного экрана светом источник освещения разместим под углом 45° к месту наблюдения - α=45°.

Тогда максимальное расстояние Lmax между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом будет равно:

L max = Δ p f ' 2 2 d д о п К г = 45 50 2 2 0,1 5 = 335 м м = 0,335 м

Максимальное расстояние Smax между осветителем и исследуемым объектом будет равно:

S max = ρ м τ о δ N u cos α 4 π E c L max = = 0,4 0,785 13,8 100 cos 45 4 π 1,4 0,335 3,84 м

На фиг.1 изображена схема устройства для бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта.

Для реализации способа бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры исследуемый объект 1 с мерной линейкой 2 с делениями жестко закреплен на штоке 3 с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в направляющих 4.

На направляющих 4 жестко закреплена горизонтальная метка 5, перекрывающая деления мерной линейки 2 на величину Δ. На расстоянии Lmax от оси исследуемого объекта 1 расположена видеокамера 6, установленная на штативе 7. Для освещения исследуемого объекта 1 используется источник подсветки области исследования «осветитель» 8, расположенный на расстоянии Smax от исследуемого объекта 1 под углом α, образованным нормалью к плоскости освещения, совпадающей с оптической осью видеокамеры, и направлением на «осветитель» 8.

Рассмотрим конкретный пример реализации предлагаемого способа. На расстоянии Lmax от исследуемого объекта 1 устанавливают видеокамеру 6 так, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта 1 и направлена на горизонтальную метку 5. На расстоянии Smax от исследуемого объекта устанавливают «осветитель» 8 под углом α к оптической оси видеокамеры 6. Одновременно с началом движения исследуемого объекта 1 включают видеокамеру 6, которая покадрово фиксирует перемещение в поле зрения видеокамеры 6 относительно горизонтальной метки 5 делений мерной линейки 2, жестко связанной штоком 3 с исследуемым объектом 1. После окончания покадровой видеосъемки сравнивают значения делений мерной линейки 2, совпадающих с горизонтальной меткой 5, на следующих друг за другом кадрах и рассчитывают текущее перемещение Δh исследуемого объекта 1 за промежуток времени, равный смене одного кадра другим. Учитывая перемещение Δh исследуемого объекта 1 от кадра к кадру и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта 1.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет усовершенствовать процесс регистрации динамики процесса и позволяет производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров.

1. Способ бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры заключается в том, что исследуемый объект, освещенный осветителем, закрепляют на штоке, перемещающемся по направляющим с горизонтальной меткой, видеокамеру устанавливают по отношению к исследуемому объекту таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта и направлена на горизонтальную метку, а максимальное расстояние Lmax между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом определяется по формуле:
L max = Δ p f ' 2 2 d д о п К г
где
Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;
f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;
dдоп - величина допустимого диаметра кружка контрастности в плоскости исследуемого объекта;
Кг - диафрагменное число,
а максимальное расстояние Smax между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:
S max = ρ м τ о δ N u cos α 4 π E c L max
где
ρм - коэффициент отражения исследуемого объекта;
τ0 - коэффициента пропускания объектива;
δ - световая отдача осветителя;
Nu - электрическая мощность осветителя;
α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;
Eс - чувствительность сенсора видеокамеры,
одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:
V=Δh·n,
где
Δh - перемещение исследуемого объекта;
n - скорость видеосъемки.

2. Устройство для бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры, включающее видеокамеру, источник подсветки области исследования - «осветитель» и исследуемый объект, отличающееся тем, что исследуемый объект жестко закреплен на штоке с мерной линейкой с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в направляющих, на которых жестко закреплена горизонтальная метка, перекрывающая деления мерной линейки на величину Δ, видеокамера устройства установлена на расстоянии Lmax от оси исследуемого объекта на штативе, а источник подсветки области исследования - «осветитель» расположен на расстоянии Smax от исследуемого объекта под углом α, образованным нормалью к плоскости освещения, совпадающей с оптической осью видеокамеры, и направлением на «осветитель».



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптико-спектральных измерений быстропротекающих процессов и может найти применение для измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменных потоков, скорости разлета светящихся частиц и осколков при детонации и взрыве.

Изобретение относится к фотограмметрическим методам определения скорости движения объектов при проведении аэробаллистических, террадинамических, ударных, осколочных и других видов испытаний.

Изобретение относится к полигонным испытаниям боеприпасов и может быть использовано, в частности, для измерения характеристик осколочного поля снаряда. .

Изобретение относится к области исследования быстропротекающих процессов, а конкретно к испытаниям боеприпасов. .

Изобретение относится к контрольной измерительной технике и может быть использовано для определения скорости и ускорения метаемого элемента. .

Изобретение относится к области определения внешнебаллистических параметров (координат, скорости и углового положения метательных элементов - пуль и снарядов) при стрельбе прямой наводкой по вертикальным преградам (мишеням).

Изобретение относится к области определения внешнебаллистических параметров (координат, скорости и углового положения метательных элементов - пуль и снарядов) при стрельбе прямой наводкой по вертикальным преградам (мишеням) и может использоваться при экспериментальном определении пробивной способности пуль и снарядов и качества брони в процессе их отработки или контроля при изготовлении.

Изобретение относится к области измерения динамических параметров объекта и может быть использовано в различных областях, в том числе и в задачах строительства для исследования вибраций, деформационных характеристик грунтов, осадки строительных конструкций.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных системах, при регистрации оптических объектов в заданной точке, при исследовании их формы и характера оптического излучения в инфракрасном диапазоне длин волн.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к способам определения скорости железнодорожного состава. Способ заключается в том, что регистраторы, представляющие собой два расположенные на заданной высоте от железнодорожного полотна видеорегистратора, производят съемку железнодорожного полотна синхронно, в каждый момент времени запоминается текущий кадр с первого видеорегистратора, определяется кадр с тем же фрагментом железнодорожного полотна в видеопоследовательности со второго видеорегистратора, вычисляется сдвиг между этими кадрами, и по разнице порядковых номеров кадров и сдвигу между ними определяется скорость по формуле V = F ⋅ S + Δ L Δ N , где F - темп съемки видеорегистраторов (количество кадров в секунду), S - смещение между видеорегистраторами, ΔL - сдвиг между кадрами с одинаковым фрагментом железнодорожного полотна с двух видеорегистраторов, ΔN - разность номеров кадров с одинаковым фрагментом железнодорожного полотна со второго и первого видеорегистраторов. 5 ил.

Изобретение относится к измерительным приборам космического аппарата (КА) и может использоваться для высокоточного определения малого приращения скорости поступательного движения КА. Измеритель имеет полый шарообразный корпус (1), на внешней поверхности которого находятся электромагниты (2). На внутренней поверхности корпуса (1) расположена сеть адресных фотоприемников, а внутри корпуса - инерционная масса (5). Электромагнитный подвес массы (5) выполнен в виде встроенных электромагнитов (6), взаимодействующих с электромагнитами (2). Датчик положения массы (5) представляет собой оптрон из трех оптопар. В оптопарах излучателями служат светодиоды внутри массы (5) с оптическими осями (27). Излучение вдоль этих осей попадает на указанные фотоприемники корпуса. Светодиоды питаются от аккумулятора гелиевого типа, встроенного в массу (5). Он заряжается от токов в обмотках электромагнитов (6). Режимы работы устройства задаются оператором (10) через блок контроля и управления (7) с программным обеспечением (9). Питание осуществляется от источника (8). Технический результат изобретения состоит в создании высокоточного (погрешность менее 6 %) прибора для измерения приращений скорости при действии ускорений негравитационной природы порядка (10-6-10-10) м/с2. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области технической физики и касается способа и устройства для исследования воздушной взрывной волны. В исследуемой среде создают насыщенный пар, близкий к критической точке фазового перехода. Пропускают через среду плоские лазерные лучи, проходящие через источник взрывной волны, и регистрируют оптическое поле перпендикулярно плоскости прохождения луча. Дополнительно, в среду распространения добавляют пыль для образования центров конденсации или образуют их с помощью ионизирующего излучения. Устройство для реализации способа содержит источник взрывной волны, находящийся в замкнутом сферическом объеме. Сферический объем через трубки связан с источниками пара и пыли. В нижней части сферы установлены: ионизирующий источник, нагреватель, датчики давления и температуры. В верхней части сферы расположен оптический регистратор (телекамера). В горизонтальной плоскости под углом 90 градусов установлены 4 лазера с плоскими расширительными линзами. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности и точности измерений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх