Misura ottica di velocità e lunghezza

La misura ottica di velocità e lunghezza serve a sapere quanto veloce scorre un materiale e quanto ne è passato, senza appoggiare nulla sulla sua superficie. Al posto della ruota di misura, che deve premere sul materiale e che può slittare, sporcarsi e consumarsi, si mette un sensore che guarda la superficie: la luce diffusa dalla sua granulosità naturale forma sul sensore un’immagine che si sposta insieme al materiale. Da quello spostamento si ricava la velocità, e dalla velocità la lunghezza. Il metodo non richiede riferimenti stampati sul materiale né tarature legate al singolo prodotto, e funziona anche su superfici calde, bagnate o delicate.

Questa pagina spiega i due principi che stanno dietro a questa misura, il filtro spaziale e la correlazione, il ruolo dell’illuminazione a LED bianco e le condizioni entro cui il risultato resta affidabile. È una guida per il tecnico che deve misurare velocità o lunghezza in linea continua.

Il filtro spaziale: dalla superficie a una frequenza

Il principio del filtro spaziale sfrutta l’effetto di filtraggio di una struttura a reticolo. La superficie in movimento viene illuminata e la luce che diffonde è proiettata su un sensore CCD, i cui elementi sensibili, disposti a righe regolari, realizzano essi stessi la modulazione a reticolo: la superficie che scorre davanti al reticolo fa variare periodicamente la luce raccolta. Il segnale che ne risulta ha una frequenza proporzionale alla velocità dell’oggetto misurato, e lo strumento non deve fare altro che rilevarla. Poiché ciò che genera il segnale è la struttura naturale della superficie, cioè la sua granulosità, il metodo si applica a quasi tutti i materiali: metallo, carta, legno, ceramica, tessuti, plastica, gomma. Anelli di regolazione interni adattano di continuo tempo di esposizione e luminosità alle condizioni della superficie, così il segnale resta utilizzabile anche quando il materiale cambia aspetto lungo la linea.

La correlazione: due letture della stessa superficie

Il secondo principio è la correlazione. L’ottica proietta l’immagine della superficie su un sensore di traccia che la legge in due punti distanti fra loro di una quantità nota. Lo stesso dettaglio della superficie passa prima davanti alla prima lettura e poi davanti alla seconda: confrontando i due segnali si trova il ritardo con cui il secondo ripete il primo, e dal rapporto fra la distanza nota e quel ritardo si ricava direttamente la velocità. Il confronto fra due letture ha due conseguenze pratiche. La prima è che la misura riconosce il verso del moto e ne segue i cambi di direzione. La seconda è che non esiste una velocità minima al di sotto della quale il metodo smette di funzionare: la misura resta valida fino all’arresto del materiale, condizione utile su linee che partono, rallentano e si fermano di frequente. L’uscita tipica è incrementale, con due fasi in quadratura per ciascun verso, e questo consente di sostituire una ruota di misura o un encoder rotativo senza riscrivere la logica a valle.

Principio	Caratteristica
Filtro spaziale	Frequenza del segnale proporzionale alla velocità
Correlazione	Ritardo fra due letture a distanza nota
Comune	Nessun contatto, lunghezza per integrazione

Illuminazione a LED bianco, senza luce laser

Entrambi i principi hanno bisogno che la superficie sia illuminata, e l’illuminazione è affidata a un LED a luce bianca integrato, regolato automaticamente. Non c’è alcun fascio laser: il costruttore lo dichiara esplicitamente fra le caratteristiche dei sensori. La conseguenza pratica è concreta e vale la pena dirla senza enfasi: non essendoci emissione laser, non c’è una classe laser da gestire in fase di installazione, nessuna schermatura o segnaletica dedicata, nessuna limitazione all’accesso degli operatori nella zona di misura. Il LED è un componente di durata dichiarata pluriennale e, nelle esecuzioni che lo prevedono, sostituibile. Un metodo ottico diverso, che ricava la velocità dallo spostamento di frequenza della luce laser diffusa — l’effetto Doppler — esiste ed è documentato in letteratura, ma non è il principio descritto in questa pagina né quello impiegato dagli strumenti che vi fanno riferimento.

• La superficie è osservata, non toccata: nessuno slittamento, nessuna usura.
• Il filtro spaziale con sensore CCD converte il moto in una frequenza.
• La correlazione confronta due letture a distanza nota e riconosce il verso.
• Illuminazione a LED bianco, nessuna luce laser da gestire.
• La lunghezza si ottiene integrando la velocità nel tempo.

Dalla velocità alla lunghezza

La grandezza misurata direttamente è sempre la velocità; la lunghezza si ricava per integrazione nel tempo, sommando istante per istante il cammino percorso. Questo spiega perché la qualità della misura di lunghezza dipenda interamente dalla continuità della misura di velocità: ogni intervallo in cui il segnale si perde è materiale conteggiato male. È anche il motivo per cui un metodo che continua a misurare fino a velocità nulla si comporta meglio, sulle lunghezze totali, di uno che perde il segnale quando la linea rallenta. Sulla base della lunghezza cumulata si costruiscono le funzioni di taglio a misura, di posizionamento e di conteggio, che nella pratica sono la ragione per cui la misura viene installata.

Affidabilità della misura

L’incertezza dichiarata dai costruttori per questi sensori vale in condizioni di prova costanti: distanza di lavoro, temperatura, velocità e illuminazione stabili, su una lunghezza di riferimento definita. È una precisazione che va letta come un vincolo di installazione, non come una formalità. Il parametro più critico è la distanza di lavoro: ogni sensore ha una distanza nominale con una tolleranza stretta, e fuori da quella finestra la prestazione peggiora, come il costruttore stesso dichiara indicando campi di misura diversi per il campo di lavoro esteso. Contano poi la stabilità meccanica del supporto, perché le vibrazioni della testa entrano nel segnale, e la pulizia della finestra ottica in ambienti polverosi, dove si ricorre a soffi d’aria e custodie di protezione. Documentare distanza, orientamento e condizioni di prova rende le misure confrontabili nel tempo e fra impianti diversi.

Dalla tecnologia allo strumento: cosa serve in pratica

Questo tema appartiene all’area Tecnologie laser e ottiche del ramo Tecnologie e principi di misura, ed è collegato alla triangolazione laser. Per la strumentazione il riferimento è il Catalogo prodotti.

Nel catalogo la misura ottica di velocità e lunghezza fa capo ai misuratori ottici di velocità e lunghezza, nella famiglia sensori di processo, velocità, lunghezza, distanza e colore. Se devi misurare velocità o lunghezza senza contatto, il modulo di richiesta consente di ricevere un’indicazione mirata.