Detección del reflejo IR de una esfera brillante a distancia

Question

Tengo una bola rodando por una pista acanalada y necesito determinar su velocidad. Las velocidades típicas están en el rango de 2-20 m/s. Las bolas son relativamente brillantes (piensa en una bola de bolos pulida).

Una solución común sería utilizar un par de sensores de haz de rotura fijados a la pista y calcular la velocidad determinando el tiempo que el borde de ataque de la bola tarda en atravesar la distancia entre el par de sensores.

Desgraciadamente, mi aplicación requiere que el equipo esté por encima de la vía y que no esté más cerca de 1-4 metros. Es decir, algunos permiten estar tan cerca como 1 metro, otros requieren hasta 4 metros.

Estoy pensando en crear una especie de sensor de haz de rotura a distancia. Un LED IR se enfoca en una línea que cruza la pista. Cuando la pelota pase por el plano de luz IR, reflejará momentáneamente un punto de luz (reflexión especular) hacia el equipo donde algún tipo de sensor fotoeléctrico puede detectar ese reflejo. Tenga en cuenta que en este caso, cambiamos vanguardia para punto de reflexión momentáneo .

Para ello se utilizará una Raspberry Pi. No puedo controlar el entorno en el que se instala la pista. Temo que un fototransistor sólo funcione en determinadas condiciones de iluminación, por lo que espero escribir un software que filtre la entrada continua de un sensor fotoeléctrico analógico para detectar el reflejo de la luz en una amplia gama de entornos de iluminación ambiental.

Mis preguntas:

1. ¿Es este un enfoque factible/razonable? ¿O hay una solución mejor/común que desconozco?

2. ¿Existen sensores suficientemente sensibles para esta aplicación con tiempos de respuesta adecuados?

Answer 1

Las condiciones de iluminación ambiental pueden abordarse cortando la fuente de infrarrojos a alguna frecuencia alta. Esta es una solución utilizada por Mando a distancia de la TV emisores/detectores de infrarrojos: pican a unos 40 kHz. Podrías considerar jugar con estos chips IR-remote... son muy fáciles de interconectar con un RPI, pero como son monolíticos, hay poco que puedas hacer para modificar su salida. Su alcance puede ser de hasta 10 metros en el caso directo de LED a detector... pero el rebote en una superficie también funciona.

He hecho el rojo-LED del techo al suelo y de la espalda al techo sistema de bloqueo del haz, pero tenía la ventaja de tener un retro-reflector de papel de aluminio cuadrado de 3 pulgadas pegado al suelo - no se permite tal dispositivo. En mi caso, se añadió una óptica al LED rojo para confinar el haz. Se utilizó un fototransistor con una pequeña lente de cristal como detector (amplificado).
El diseño óptico no es realmente parte del EESE, pero considere que la reflexión especular de una esfera será muy débil a 4m de distancia. La perturbación óptica de la bola puede ser más detectable como ha sugerido @BenVoigt.

Answer 2

A este nivel de restricciones, se está realmente llevando al límite de lo posible.

El problema del láser a esta escala y en estas condiciones es que puede dañar a las personas. La bola brillante dejará un pequeño punto caliente en la retina de la gente, si el láser es de más de unos pocos milivatios y la gente está cerca y mira la bola. Al mismo tiempo, unos pocos milivatios reflejados en una bola brillante podrían ser demasiado pocos para ser detectables bajo la luz del sol, incluso si se utiliza luz modulada.

La solución es fea, pero oye, no es que tengas muchas opciones. Necesitas formar una viga mucho más ancha. Idealmente del tamaño de una pelota. Y utilizar la suficiente potencia para iluminarlo. Los IR están bien para este objetivo. La idea es que la luz sea suficiente para que se pueda ver la pelota desde lejos, y que la gente que esté cerca no tenga puntos calientes en la retina. Y hacer un haz amplio es la única opción. Se puede utilizar un láser potente de esta manera, con una lente grande para ampliar el haz de láser a una densidad de potencia segura. Pero el láser puede ser tan fácilmente concentrado de nuevo en un punto si algunas ópticas de lujo estará en un camino. Así que, además de un haz amplio, hay que asegurarse de que se destruya su capacidad de concentración. Una fina película de plástico de color blanco, en particular de polietileno, puede hacer esto. La alternativa es utilizar el LED que es mucho peor en la formación del punto apretado en el primer lugar. Aún así, yo sugeriría utilizar el difusor, película de plástico delgada, de todos modos. Dado que no se preocupan por la precisión y la óptica es necesaria de todos modos, yo sugeriría utilizar el LED. También menos riesgo si el dispositivo está parcialmente roto. Tanto la lámpara LED como el láser de diodo pueden ser modulados también.

Ahora, una vez que tienes suficiente potencia, en la escala de 1w, puedes usar luz modulada. Y detectar la bola de bolos incluso a la luz del sol, y al mismo tiempo no quemar los ojos de la gente, o sus cámaras. La lente en el detector ayuda a evitar que la luz de otras zonas le afecte, igual que ayuda con el emisor de luz.

Asegúrate de que la densidad de potencia de tu instalación está por debajo de la luz solar, preferiblemente mucho más baja. Y asegúrese de que ninguna óptica extravagante pueda reunir una densidad que se acerque a lo que podría hacer con la luz solar.