измерение расстояния по изменению освещённости

Black_mirror
Пожалуй идея всё таки более реализуема, чем мне показалось вначале.

Температурную нестабильность светодиода можно побороть стабилизацией тока через него, если не хватит простейшего
,
то с помощью комплекта ЦАП + АЦП в xmega можно суперпрецизионный стабилизатор замутить
А фотодиодных каскадов делать два - один неосвещаемый на инвертирующий вход предусилителя - он будет "температурным компенсатором", а второй соответсвенно рабочий на неинвертирующий вход предусилителя.

Алгоритм апробации идеи такой:
1) Взять блестящую упаковку от цветов, скрутить из неё трубочку, в один конец которой соответсвенно фотодиод, и внутри подвигать светодиод.
2) Измерять результат для начала лучше цифровым осциллографом, хотя и мультиметр вполне сойдёт.
3) Поиграть с разными диаметрами трубочки, и сравнить их с трубочкой из белой и чёрной бумаги.
4) Положить девайс минут на 10-15 в морозилку, затем включить и не двигая светодиод посмотреть как будут меняться показания мультиметра по мере его прогрева.

Эти простые опыты сразу дадут ответы на вопросы:
- о принципиальной применимости,
- характере функции выходное напряжение схемы / расстояние,
- какой нужен коэффициент усиления, и если штатный xmega не подойдёт, то поставить дополнительный ОУ собственно не проблема, они и прецизионные недороги и недефицитны.

ЗЫ: Сам бы попробовал из любопытства, но у меня электронная лаборатория временно недоступна.

 

Вот результат математического моделирования. на первом графике красная и синяя линии это k1 и k2 которые медленно изменяются от каких-то факторов. Зелёная и розовая линии это получивниеся для них оценки(с запаздыванием на 50 тактов). Для определения k1 и k2 я брал блоки по 100 измерений, за это время k1 убегает почти на весь диапазон, но в реальности нужно брать блок, на котором k1 убегает не так сильно. Исходный сигнал у меня меняется в диапазоне от -1 до +1 с периодом 30 тактов. То есть за время определения коэффициентов он успевает три раза(в реальности может быть и больше) пробежать весь диапазон. А d было взято равным 2. Ну а на втором графике красная линия это действительное расстояние, синяя это то что получилось через оценки для k1 и k2(результаты измерений я здесь считал точными, устойчивость алгоритма к шумам нам пока не интересна, потому что сначала на реальные шумы нужно посмотреть), а зелёная это просто разность между ними.
А оставшиеся два графика это случай когда измеряемое расстояние меняется случайным образом.

 

Black_mirror
По прежнему не вижу никаких плюсов в перемещении источника света от одного фотоприёмника к другому, а минусов море - неоправданное усложнение и схемы измерения (механической части) и обработки результатов. Имхо гораздо лучше просто приближать/удалять светодиод к фотодиоду, только делать это лучше внутри трубки (зеркальной или белой матовой) - это должно дать хорошо обрабатываемую зависимость выходного сигнала от расстояния. Второй фотодиод полезен только для термокомпенсации, без освещения совсем.

 

Y_Mur
Источник света не требуется перемещать от одного фотодиода к другому, он вообще может уползать в любую точку пространства, в любом случае устройство будет замерять проекцию его перемещения на ось фотодиодов. Можно вообще поставить с одной стороны от фотодиодов перпендикулярно оси отражатель(главное чтобы он был однородным), светить на него диодом с линзой или даже лазером, а фотодиоды будет мерять освещённость от этого пятна. Или даже поставить большую равномерно светящуюся или освещённую площадку, а фотодиоды поместить в чёрную коробку с дыркой, правда в этом случае сложнее устранять фоновую освещёность. Так что никаких сложностей ни в механике ни в математике здесь нет. А вот с трубкой они появляются как только возникает необходимость измерений в условиях поперечных вибраций или перемещений.

 

Black_mirror
Дык поэтому и спрашивал в #14 уточнение ТЗ - понятно что универсально оптимального решения на все случаи нет. Для перемещения вдоль одной оси одно решение, для произвольного перемещения на плоскости другое, для линейного перемещения + поперечная вибрация (которую тоже нужно измерить) третье.
Насколько я понял из #15 у оси колеса одна степень свободы с ходом 50мм? Или всё таки схема измерения нужна более сложная?

 

Если степеней свободы две то пара линейных датчиков с шарнирным закреплением всё равно лучше твоей задумки, потому что будут иметь более удобную и стабильную функцию выходной сигнал / перемещение, и кроме того каждый датчик имеет собственный простой в изготовлении и закреплении корпус, что лучше сложного корпуса охватывающего твою оптическую систему.
Для трёх степеней свободы ничего не мешает сделать пирамиду из трёх линейных датчиков. Три простых типовых элемента будет и дешевле и практичнее одного навороченного.

 

А может использовать тензорезистор приклееный
к стальной линейке? Изгиб (и соответственно сопротивление)
будет зависеть от перемещения подвижного конца.

 

Y_Mur
kropalik
Ну не подходят там механические измерители. Там на скорости 70км/ч вертикальные перемещения от оси до тележки 20 миллиметров, а от тележки до основания вагона все 50. Эту величину тоже нужно мерять, но из-за горизонтальных перемещений тележки на поворотах над этой задачей потом будем думать. Но конструктивные проблемы пока отложим, и вернёмся к математической части.
Система с двумя фотодиодами позволяет определять проекцию перемещения на ось фотодиодов и еще расстояние светодиода до этой оси. Если добавить третий фотодиод, то можно замерять перемещения в пространстве. Если фотодиоды сидят в точках A,B и C, а светодиод находится в точке P, то получится систем из трёх квадратных уравнений с тремя неизвестными:
|P-A|^2=k1/m1
|P-B|^2=k2/m2
|P-C|^2=k3/m3
Кто может подсказать как такую систему решать относительно P?

 

А может измерять индуктивность катушки (типа как
в металлодетекторах) ?

 

kropalik

железяки кругом, хотя радиоспособ был бы интереснее и надежнее тут чем фотосп

Black_mirror
нельзя ли эскиз самого объекта для наблюдения? с указанием что там и куда может двигаться?
(както плохо представляю себе жд колесо в тележке с 2мя и больше степенями свободы аж на 5 см.)

 

Black_mirror
Конструктивное исполнение в виде трубка+шток с сальником и шарнирами на обоих концах - это аналог корпуса автомобильного аммортизатора, который прекрасно работает в подвеске
Что внутри этого корпуса:
- оптика аналогово измеряющая освещённость
- оптика считающая деления линейки
- плавно меняющаяся индуктивность
- датчик считающий магнитные деления (от штангенциркуля)
и т.д.
не столь важно - лишь бы стабильно выдавало требуемый результат.

Эту систему совершенно точно решать не нужно )
Потому что:
- реальная оптика поведёт себя по другому и система уравнений будет на порядок сложнее
- компоновка источников и приёмников света совершенно бесперспективна для практического применения.

Правильнее строить треугольники (2D измерения) или пирамиды (3D измерения) из описанных выше линейных датчиков с шарнирами на концах. Получение координат из их показаний - элементарная школьная тригонометрия (треугольник однозначно определяется длинами его трёх сторон).

qqwe
Индуктивность тоже хорошее решение, но только не как в металлодетекторах и концевых выключателях - там те-же проблемы с сильной нелинейностью магнитного поля как и в решении Black_mirror, а сердечник на разную глубину входящий в катушку - он даст и почти линейность измерения перемещений и стабильную точность. Когда эта катушка в правильном корпусе (как я описал выше) то этот же железный корпус прекрасно её заэкранирует (проверял). Хотя оптика имхо может оказаться технологичнее и имеет смысл сделать и то и другое и сравнить что будет лучше по всему блоку параметров, а не на уровне концептов.

ключевое слово там "на поворотах".
На счёт степеней свободы и дипазонов перемещений тут вряд-ли стоит сомневаться в том что пишет Black_mirror.
PS: только почему-то эту информацию из него приходится выжимать маленькими кусочками

 

qqwe
С радиоспособом у нас уже несколько лет бьются, результата пока не видно.

Вот здесь нашёл хорошие картинки, и на одной из них попытался изобразить как это всё выглядит.
В общем около каждого колеса цепляется по 2 датчика, один смотит вверх, а второй вниз. На уровне оси колеса(и еще снизу вагона) ставятся площадки, на которые смотрять датчики, это может быть либо просто отражающая площадка(в случае лазерных датчиков), либо на неё цепляется источник, перемещение которого мы будем отслеживаем. Вообще нас интересуют только вертикальные перемещения. Но на поворотах или при наезде на плохой стык(ступенька) вполне могут быть и горизонтальные. Там конечно никаких 50 миллиметров не будет, но миллиметров 10 может быть вполне. А вот датчики которые смотрят вверх, видят не только вертикальные перемещения, но и то, как тележка поворачивается относительно вагона на поворотах(лазерные датчики этого не видят, потому что для них пятно всегда на одной оси). Кстати поворот тележки относительно вагона тоже величина интересная, но сейчас её замеряют механически, так что пока эта задача не актуальна.

 

Y_Mur
Масса вагода в 10 раз больше массы колёсных пар, это значит что при наезде на стыки пружины будут давить на колёса с силой, создающей ускорение 10g. Лазерные датчики показывали стабильное подпрыгивание на стыках в 5 миллиметров(максимум 10). sqrt(0.005*2/10g)=10мс. То есть ускорение в 10g действует в течении времени 10 мс, ну а вертикальная скорость за такое время на 1м/с может измениться. Вы мне можете назвать цену датчика, который может замерять перемещения со скоростью 1 м/с, причём их направление меняется за это время 100 раз?

 

не думаю, что недорогие механические соединения будут долго жить. высокая вибрация и ударная нагрузка. например на стрелках.
оптические - грязь, пыль. достаточно посмотреть на вагон снизу.
электромагнитные по типу металоискателя, да и радио будут иметь кучу помех от обилия железа, а если электричка, то и от искр. не забываем и о возможности грозы

я бы остановился на датчиках ускорений как на самых надежных в данном случае, простых и дешевых + фиксированные контрольные точки для автоподстройки. и полностью цифровых линиях связи.

 

магнитные с подвижным сердечником. как не полностью вдвинутым, так и конусным, и вращающимся можно отнести к датчикам с механической связью. не забываем, что пружины при поворотах на высокой скорости будут довольно сильно и смещаться по всем 3м осям, и изгибаться.

 

если же допустима мех связь, то могу предложить еще на рассмотрение вариант с жестко закрепленными на одном основании оптический источник и приемник и подвижную гребенку (предлагалось уже выше). или подвижное постепенно темнеющее скажем, стекло.

или подвижный источник и закрепленный протяженый приемник разбитый на сектора. или протяженный сплошной приемник закрытый или гребенкой или постепенно темнеющим светофильтром

но долго ли будут они жить на наших жд - вопрос, имхо. имхо, надо чтото более дубовое и надежное

 

Вот поэтому я и предложил сперва тензорезистор, который
к томуже можно установить на саму подвеску (если правильно выбрать
место установки). В любом случае есть элементы подвески деформация
(изгиб) которых пропорциональны измеряемому перемещению.
Хотя проблема может возникнуть из-за инерционности тензорезистора
(успеет ли он среагировать на импульс в несколько мс ?)

Второй вариант (магнитный) можно реализовать множеством способов
(выбрать подходящий)
1. например использовать готовый датчик типа такого:
http://www.sensor.p-d-o.ru/product_274.html
2. приклеить к подвижной части магнит, на неподвижной
мерить магнитное поле например датчиком холла.
...

 

kropalik
пойдите на жд станцию, поглядите на эту беду в жизни
покатайтесь на электричке по разным маршрутам. главное, чтобы отловить поворот на скорости на нескольких подрядидущих стрелках, экстренное торможение итд. дабы понять необходимость повышенной надежности

 

kropalik
те, из вашей ссылки я бы присмотрелся к
http://www.sensor.p-d-o.ru/category_55.html
(не смотрел на цены, быстродействия и проч. подробности)
так, одного 3х координатного хватит на обе искомые оси.
а для автоподстройки - сделать несколько фиксированных меток.

 

kropalik
C тензорезисторами игрался - очень капризная штука и в дешёвом исполнении надёжной не будет - существуют функционально законченные измерители на базе тензорезисторов, но они и очень дорогие и применяются не для таких задач.

Black_mirror
В автомобиле аммортизатор работает в таких же условиях (проезд лежачего полицейского, когда не успел затормозить ). Но там там он работает как силовой элемент, а здесь это просто корпус - направляющая, соответсвенно нагрузки на порядки меньше (см. 3й закон ньютона: нет противодействия - нет нагрузки).
Внутри корпуса сам датчик может быть и бесконтатным (вот зацени вариант правда цену не узнавал - но на нём свет клином не сошёлся можно много чего подобного только попроще найти готового да и сделать не особо сложно (для параметров ТЗ: 50мм х 0,1мм х 1000Гц))

ЗЫ: В изготовлении опытных образцов (только корпус или весь датчик) могу помочь (о цене вопроса и гарантиях надёжности договоримся). Решение я предлагаю реально рабочее, лучшее конечно всегда возможно, но пока я его не вижу.

ЗЗЫ: Аналоговая оптика (в отличие от лазерного дальномера) без пылезащитного корпуса работать не будет полюбому, а защитить твою схему изерения простыми методами практически не реально.