Главная | Обратная связь

Корреляционные экстремальные измерители скорости (КЭС).

КЭС, также как и ДИС, являются бесконтактными датчиками. Принцип действия таких измерителей основан на измерении времени  прохождения объектом заданного базового расстояния (рис. 2.17). Так если за базу на автомобиле принять расстояние между передней и задней осями подвески и измерять время  от момента прохождения характерной точки А рельефа дороги передней (положение 1) и задней (положение 2) осями, то можно оценить скорость автомобиля.

(2.32)

Бесконтактность КЭС обеспечивается индикацией характерных точек А поверхности за счет дистанционного измерения характеристик ее физических полей. В качестве характеристик физических полей используются, например, отражающая способность поверхности, ее магнитные свойства, рельеф. Так установив на объекте два излучателя ИЭ₁ и ИЭ₂, и приемники П₁ и П₂ отраженной от поверхности энергии (рис. 2.18), можно записать непрерывные сигналы, принимаемые приемниками П₁ и П₂.

Рис. 2.16 Принципиальная схема измерений методом “динамического подобия”.

 

1 – упругая пружина.

m – опорное тело.

Р – действующие на объект силы

а – ускорение объекта

Рис. 2.17 Схема прохождения объектом базового расстояния .

Рис. 2.18 Схема установки излучателей ИЭ и приемников П корреляционного измерителя скорости.

 

 

Пример такой записи представлен на рис. 2.19, а, где наглядно видно, что графики сигналов Uп₁(t) и Uп₂(t) повторяют форму друг друга, но сдвинуты по времени один относительно другого на время _Т, называемое транспортным запаздыванием.

(2.33)

Аппаратные средства для измерения временных интервалов _Т представляет собой корреляционные устройства и поэтому измерители скорости называются корреляционными. Если коррелятор вычисляет взаимнокорреляционную функцию R() двух сигналов Uп₁(t) и Uп₂(t) в соответствии с зависимостью:

(2.34)

то ее максимум будет при =_Т (рис. 2.19, б). В связи с тем, что отсчет _Т производят в момент достижения взаимнокорреляционной функции максимального значения, такие системы называют экстремальными.

где: T – время усреднения;

 - время задержки.

При наличии излучателей корреляционные измерители называют активными. Если излучатели отсутствуют, и приемники измеряют естественный уровень физических полей, то измерители называют пассивными. В зависимости от типа излучателя различают оптические, ультразвуковые и радиолокационные активные корреляционные измерители.

Рассмотрим принцип устройства КЭС с излучателем СВЧ энергии (рис. 2.20). Излучающая рупорная антенна ИЭ направлена перпендикулярно поверхности Земли. Земля, находящиеся на ней предметы являются отражающей поверхностью. Отраженные в точке А₃ сигналы воспринимаются двумя приемными рупорными антеннами П₁ и П₂, расположенными на расстоянии друг относительно друга. Сигнал отраженный от точки А₃, принимается передней антенной П₁ при положении антенн AXC. При положении антенн A`C`X` сигнал отраженный от точки А₃ будет принят задней антенной П₂. Продетектированные сигналы Uп₁(t) и Uп₂(t), получаемые на выходе приемников П₁ и П₂, идентичны по форме но сдвинуты друг относительно друга на время _Т, равное времени прохождения объектом расстояния /2. Сигналы Uп₁(t) и Uп₂(t) попадают на коррелятор, состоящий из блока регулирования задержки (БРЗ), множительного устройства (МУ) и фильтра (Ф). Регулируемую задержку  изменяют до тех пор, пока она не станет равной транспортному запаздыванию _Т. Коррелятор вычисляет величину R() в соответствии с зависимостью (2.24). Величина взаимнокорреляционной функции R() сигналов Uп₁(t) и Uп₂(t) достигает максимума при =_Т. Максимум R() определяют по показателю измерительного прибора (ИП). После этого скорость объекта может быть определена по соотношению: , где –расстояние между электрическими центрами антенн; =_Т – регулируемая задержка, соответствующая максимуму корреляционной функции R(). Для автоматического отслеживания измерения скорости движения необходима замкнутая система автоматического регулирования, в которой коррелятор будет объектом регулирования. Экстремальный регулятор ЭР подключается к выходу коррелятора и воздействует на БРЗ, изменяя регулирующее воздействие (t) так, чтобы поддерживалось максимальное значение взаимной корреляционной функции R().

КЭС свойственна флюктуационная погрешность, обусловленная временем усреднения Т при вычислении взаимнокорреляционной функции.

(2.35)

где - среднеквадратическая относительная погрешность определения скорости объекта;

K –конструктивный коэффициент (К 0,3 0,4);

λ - длина волны излучения;

Δα - эффективная ширина диаграммы направленности антенн.

l – измерительная база

T – время усреднения.

Рис. 2.20 Блок-схема корреляционного измерителя скорости.

 

А – передняя приемная антенна;

С – задняя приемная антенна;

Х – антенна излучателя;

П₁ – приемник передней антенны;

ИЭ – бортовой СВЧ излучатель;

П₂ – приемник задней антенны;

БРЗ – блок регулирования задержки;

МУ – множительное устройство;

Ф – фильтр;

АХС – начальное положение антенны;

А`Х`С` - положение антенны через время t;

 

Корреляционные измерители, построенные по описанному принципу, применяются для измерения скоростей движения судов (в диапазоне СВЧ – относительно поверхности воды, в диапазоне ультразвука – относительно поверхности дна), самолетов (в диапазоне СВЧ – относительно земной поверхности). В оптическом диапазоне корреляционные измерители применяются для измерения скорости лент, прутков, листов в момент горячего металлопроката, для железнодорожных платформ и вагонов – по отраженному от рельс сигналу.

Для наземных объектов (НО) корреляционные измерители используют особенности рельефа дороги, вызывающего колебательные движения кузова на подвесках передней и задней оси. В качестве физического поля при этом могут использоваться, например, возникающие при движении линейные вертикальные ускорения, обусловленные неровностями рельефа. Принцип работы такого корреляционного измерителя поясним по схеме его устройства представленной на рис. 2.21. Линейная модель подвески колесного НО представлена на рис. 2.22. Здесь в качестве чувствительных элементов корреляционного измерителя использованы измерители линейных вертикальных ускорений z₁ и z₂ – акселерометры А₁ и А₂, установленные на передней и задней осях подвески НО. Колебания передней и задней осей движущейся колесной машины близки по форме, но имеют сдвиг по времени. Временное запаздывание  воздействия контактных участков рельефа дороги на заднее колесо по отношению к времени воздействия на переднее колесо равно: , где - база НО; V - скорость движения. С выхода акселерометров А₁ и А₂ отфильтрованные электрические сигналы вертикальных ускорений передней z₁(t) и задней z₂(t) неподрессоренных масс поступают на экстрематор-преобразователь. В случае наличия экстремума на данном такте выдается электрический сигнал “1”, при отсутствии экстремума – “0”. Время преобразования задается генератором тактовых импульсов. Частота генерирования определяется из условия получения необходимой точности измерений в диапазоне эксплуатационных скоростей движения. Преобразованная экстрематором функция z₁(t) заносится в запоминающее устройство в виде числа временных тактов от начала отсчета, определяемого по сигналам одометрического датчика, до первого, второго и т.д. экстремумов функции z₁(t). Устройство управления обеспечивает взаимодействие ЗУ и коррелятора, который формирует положительные разности между числом временных тактов, соответствующих экстремуму процесса z₂(t) от того же начала отсчета, и соответствующими данными о положительных экстремумах процесса z₁(t), хранящимися в ЗУ. В специальном устройстве производится усреднение этих положительных разностей, числовое выражение которых пропорционально текущей скорости движения ОН на отрезке усреднения. Устройство управления считыванием позволяет определять количество N пройденных баз и выдает на индикатор пройденный путь .

Технические характеристики действующего образца устройства: габаритные размеры: 350х300х500 мм; масса – 8 кг; потребляемая мощность – не более 20 Вт; электрическое питание от источника постоянного напряжения (275 В). Входные сигналы – функции вертикальных ускорений передней и задней неподрессоренных масс амплитудой не более 50 мВ и дискретные сигналы одометрического датчика. Выходной сигнал – показания счетчика, фиксирующего пройденный путь в числе баз машины.

 

 

Рис. 2.21 Блок-схема корреляционного измерителя пройденного пути ОН.