פיתוח של מוצר הנדסי חדש הוא תהליך רב שלבי מורכב וממושך. אחד מהשלבים החשובים ביותר בו הוא שלב הבדיקות והניסויים. זאת כיוון שכל מוצר הנדסי באשר הוא צריך לעמוד בפרמטרים כאלו ואחרים שנקבעים עוד לפני תחילת תהליך הפיתוח. בשלב הבדיקות והניסויים בודקים האם אכן המוצר שקרם עור וגידים לאורך התהליך, אכן עומד בפרמטרים השונים שהוגדרו עבורו. בפרויקטים רבים, אחד הפרמטרים החשובים ביותר הנמדדים בשלב זה הוא המהירות.

מדידת מהירות המוצר, הגוף או החלקיק מאפשרת לנו לצפות את המסלול הבליסטי שלו, להבין כיצד התאוצה שלו עשויה להשפיע על ריסון ועמידות חלקי המערכת השונים, ללמוד על האפשרות של שחיקה פלסטית כתוצאה מכוחות חיכוך/גרר ועוד. כך לדוגמה כאשר מפתחים קליע או כלי טיס משוגר, מבלי למדוד את מהירות היציאה של הקליע או מהירות התעופה של הכלי באוויר לצורך העניין, לא ניתן יהיה לקבוע האם המוצר החדש מתנהג לפי התוכניות שהתוו מהנדסי הפיתוח. יתרה מכך, לא נגזים אם נכתוב כי מבלי לבצע מדידות מהירות, לא תהיה אפשרות להוציא את המוצר לשוק.

כדי שהמהירות הנמדדת תהיה קרובה ככול האפשר למהירות האמיתית של המוצר, מלאכת המדידה צריכה להתבצע באופן כזה שלא תשפיע על המהירות. לפיכך לרוב במסגרת המדידות לא מתקיים מגע פיזי בין המוצר לבין ציוד המדידה. סך הכול נהוג לסווג את שיטות המדידה לאחת משתי קבוצות: מדידות ישירות (שערים אופטיים, צילום וידאו מהיר וכיו"ב) ומדידות עקיפות (גזירה של מדידת מיקום, אינטגרציה על מדידת תאוצה וכיו"ב). בפוסט שלפניכם נפרט אודות כלים שונים המאפשרים לבצע מדידות מהירות מדויקות בצורה בלתי רגילה, הנכללים בשתי הקבוצות.

שיטות ישירות למדידת מהירות

צילום וידאו מהיר
מצלמת וידאו ביתית סטנדרטית, מצלמת בקצב של 60-25 פריימים לשנייה כאשר מרווח הזמן בין כל תמונה ותמונה (Interval) שווה  כל עוד נצלם אירועים יומיומיים או עצמים הנעים במהירות שאינה גבוהה במיוחד, לא ניתקל בשום בעיה. לעומת זאת אם ננסה לצלם עצמים הנעים במהירות גבוהה מאוד, יתכן בהחלט שהעצם יחלוף על פני עדשת המצלמה בפרק זמן שיהיה קצר יותר מהאינטרבל שבין זוג פריימים. במצב זה יתכן מאוד שהמצלמה כלל לא תקלוט את האובייקט.

לאור כל זה, לצורך צילום תופעות פיזיקליות מהירות או אירועים מהירים באופן כללי, נדרשת הפעלה של מצלמות וידאו מהירות. עיקרון הפעולה שלהן זהה בעיקרון לעיקרון הפעולה של המצלמות הביתיות. ההבדל הוא שקצב הצילום נע בערכים שבין 50-1.3 מיליון תמונות לשנייה, מה שמקטין בכמה סדרי גודל את מרווח הזמן שבין תמונה לתמונה.

שימוש במצלמות מהירות דורש לא רק ציוד מתאים הכולל בין היתר מערכות ייזום (טריגר) מדויקות מאוד אלא גם מפעילים מקצועיים בעלי ידע נרחב וניסיון רב בתחום. מעבר לכך, כדי שניתן יהיה להפיק מידע מהמדידות והצילומים, יש לבצע עבודת פענוח וחישוב, הדורשת אף היא מיומנות רבה. בגדול התהליך המורכב כולל את השלבים העיקריים הבאים:

1. הקמת מערך צילום והגדרת שדה הראייה של המצלמה – בין היתר קובעים את שדה הראייה בהתאם לגודל החיישן, אורך המוקד של העדשה ומרחק המצלמה מהאובייקט הנע.
2. תכנון אות הייזום – חשוב לתכנן את האות בצורה מדויקת ככול האפשר על מנת שעדשת המצלמה אכן תספיק לקלוט את האובייקט בפרק זמן קצרצר.
3. כיול של גודל הפיקסל – הכוונה היא למעבר מיחידות מדידה בפיקסלים ליחידת אורך תקנית כמו מ"מ, ס"מ או מ'.
4. בחירה של נקודה על הגוף בפריים מסוים.
5. בחירה של אותה נקודה על הגוף בפריים אחר.
6. חישוב המהירות של הגוף – מהירות הגוף היא המנה של המרחק אותו עברה הנקודה (בין שני הפריימים) מחולק בהפרש הזמנים בין שני הפריימים.

מטבע הדברים המהירות המתקבלת באופן זה היא מהירות ממוצעת בלבד. אי לכך, יש לבחור את הנקודות המתאימות ואת הטווחים הרלוונטיים בהתאם לדרישות הספציפיות של הניסוי. היתרון המרכזי של מדידת מהירות באמצעות מצלמות וידאו מהירות בא לידי ביטוי בכך שהמצלמה יכולה להיות ממוקמת במרחק רב מהגוף המצולם. הודות לכך, השיטה אינה רגישה לסביבה שבה מתבצע הניסוי.

שערים/גלאים אופטיים
גלאים אופטיים הם כלי נוסף המשמש כיום למדידת מהירות. הגלאים האופטיים מפיקים סיגנל חשמלי בעת שינוי בכמות האור המגיעה לחיישן. מדידת מהירות באמצעות גלאים אופטיים כוללת בגדול שלושה שלבים להלן:

1. פריסת השערים האופטיים לאורך מסלול הגוף – מדובר לכל הפחות בשני חיישנים.
2. מדידת המרחקים בין השערים האופטיים – ישנה חשיבות עליונה לבצע מדידות מדויקות לחלוטין.
3. ביצוע הניסוי.

בכל פעם שהגוף שמהירותו נמדדת חולף על פני השער האופטי, הוא גורם לשינוי בעוצמת האור הנקלטת בחיישן. במהלך הניסוי מערכת הניהול של השערים האופטיים מתעדת את נקודות הזמן שבהן הגוף חלף על פני כל אחד מהשערים. בסיום הניסוי, כדי לחשב את מהירות האובייקט, מחלקים את המרחק שבין כל שער אופטי לזה הממוקם אחריו במסלול, בהפרש הזמנים המתועדים במערכת הניהול. באופן הזה מתקבלת המהירות הממוצעת של הגוף בזמן התנועה שלו בין כל זוג חיישנים.

גם לשיטה זו ישנם מספר יתרונות ומובן שגם חסרונות. כך לדוגמה ככול שהשערים יהיו קרובים יותר האחד לשני, כך המהירות הממוצעת שתימדד תהיה קרובה יותר למהירות הרגעית. מצד שני, ככול שהשערים האופטיים יהיו קרובים יותר, כך גם מדידת המרחק צפויה לגרור שגיאות מדידה גדולות יותר בהתאם. בנוסף מדידת מהירות באמצעות שערים אופטיים אפשרית אך ורק במקרים שבהם האובייקט הנמדד גדול מספיק על מנת לגרום לשינוי בכמות האור הנקלטת בחיישן. מעבר לכך, על מנת שהמדידה תהיה מדויקת, על סביבת הניסוי להיות נקייה לחלוטין מרסיסים או מרשף, שעשויים חלילה לפגוע בציוד הרגיש והיקר.

מכ"ם
מערכות מכ"ם (מגלה כיוון מרחק) או רדאר (RADAR – Radio Detection And Ranging) הן מערכות לגילוי מיקום של עצמים, הפועלות על בסיס "אפקט דופלר": תופעה הבאה לידי ביטוי בשינוי התדירות הנצפית של גל כפועל יוצא מתנועה יחסית בין הצופה למקור הגל. כדי למדוד את מהירות האובייקט, ציוד המכ"מ משדר גלים אלקטרומגנטיים לכיוון הגוף הנמצא בתנועה. אלומת הגלים פוגעת בגוף וחלק מהגלים חוזרים למערכת. תדירות הגלים הנקלטים במערכת משתנה עם תנועת הגוף והמערכת מחשבת את מהירותו וכיוונו, בהתאם לשינויים בתדירות הגלים. המכ"ם מסוגל לספק נתונים נוספים מעבר למהירות הגוף. כך למשל ניתן לקבל מהמערכת מידע הנוגע לצורתו של הגוף, זווית וכיוון התנועה שלו ועוד.

שיטות עקיפות למדידת מהירות

מדידים

• מדיד תאוצה (Accelerometer) – מדיד (מד) תאוצה הוא גלאי המשמש אותנו למדידה של תאוצה קווית. מנגנון המדידה של מדיד התאוצה מבוסס על החוק השליש של ניוטון, הידוע גם כ"חוק הפעולה והתגובה": מדידי התאוצה המודרניים מודדים ירידה או עלייה במוליכות החשמלית, במתח החשמלי או בזרם החשמלי באופן יחסי לתאוצה. כדי לחשב את התאוצה של הגוף, יש להצמיד אליו את מדיד התאוצה, אך חשוב רק להתאים את מדיד התאוצה מראש לטווח התאוצות הצפויות כדי להימנע מהגעה למצב של "רוויה". לאחר הניסוי כדי לקבל את נתוני המהירות, יש לבצע פעולת אינטגרציה על המידע שנאסף. שיטה זו מצריכה נקודת מדידה ידועה מראש ולכן לרוב נבחר במהירות 0 לפני תחילת הניסוי.
• מדידי מיקום – בדומה למדיד התאוצה, מדיד המיקום מפיק מתח כתלות בשינוי המיקום. לאחר הניסוי, פעולת גזירה תציג את מהירות הגוף בכל רגע נתון במהלך הניסוי.

בפוסט זה סקרנו בקצרה מספר שיטות מדידת מהירות נבחרות. חשוב לדעת כי ישנן עוד שיטות מדידה רבות ומגוונות. אנו בחברת "טק-בל", נשמח לעמוד לשירותכם, החל משלב התכנון, דרך שלב הביצוע ועד שלב פענוח התוצאות ואספקת הטכנולוגיות המתאימות.