Лазерные датчики расстояния и лазерные датчики перемещения: в чем разница?
Тенденции роста и развития оптических измерительных датчиков
В таких областях, как производство, точные приборы, биомедицина и аэрокосмическая промышленность, спрос на точность и эффективность измерений неуклонно растет. Бесконтактные, цифровые, высокоточные и высокочувствительные оптические измерительные датчики, особенно лазерные датчики расстояния и лазерные датчики смещения, обеспечивают более точные, эффективные и интеллектуальные измерительные решения в различных отраслях.
Основы и классификация технологии лазерного измерения расстояния
Основываясь на фундаментальных принципах лазерного измерения, методы можно разделить на метод времени пролета (ToF) и метод триангуляции. Среди них метод времени пролета можно далее разделить на импульсный метод (ToF) и метод сдвига фаз.
Как показано на схеме ниже.
Импульсный метод (ToF): идеальный выбор для измерений на больших расстояниях и в больших масштабах
Принцип:
Импульсный метод (ToF) основан на измерении времени, необходимого лазерному импульсу для прохождения пути от излучателя до цели и обратно к приемнику. Лазерный импульс испускается, отражается от цели, и разница во времени между испусканием и приемом регистрируется. Используя скорость света 𝑐 и разницу во времени 𝑡 , расстояние 𝑑 до цели можно рассчитать по формуле:
где 𝑑 — расстояние до цели, 𝑐 — скорость света (3 × 10^8 м/с), а 𝑡 — время туда и обратно. Деление на 2 учитывает круговой характер измерения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость света в вакууме, обычно обозначаемая c, является универсальной физической константой, которая в точности равна 299 792 458 метрам в секунду (приблизительно 300 000 километров в секунду; 186 000 миль в секунду; 671 миллион миль в час).
Импульсный метод (ToF) особенно подходит для приложений, требующих измерения больших расстояний или больших площадей, таких как картографирование с помощью дронов, построение трехмерных карт, мониторинг окружающей среды (например, вертикальное распределение загрязняющих веществ в атмосфере), а также обнаружение и обход препятствий в автономных транспортных средствах.
LiDAR (лазерное обнаружение и определение дальности): в таких областях, как автономное вождение, роботизированная навигация, картографирование местности и 3D-моделирование зданий, системы LiDAR используют импульсный метод (ToF) для получения высокоточной трехмерной пространственной информации, предоставляя критически важную информацию для принятия решений.
Авиация и космонавтика: Импульсный метод (ToF) также используется для точного измерения расстояния между космическим аппаратом и землей или целевыми объектами, обеспечивая безопасное выполнение таких миссий, как навигация посадочного модуля и исследование марсохода.
Метод сдвига фаз: надежная технология для высокоточных измерений на средних и малых расстояниях
Принцип:
Метод сдвига фаз включает модуляцию лазерного луча и измерение разности фаз между излучаемым и принимаемым сигналами для расчета расстояния. Лазерный луч модулируется как синусоидальная волна, и измеряется сдвиг фаз Δ 𝜙 между переданной и отраженной волнами. Этот сдвиг фаз напрямую связан с расстоянием до цели, а расстояние 𝑑 можно рассчитать с помощью формулы:
где 𝑑 — расстояние до цели, 𝑐 — скорость света (3 × 10^8 м/с), Δ 𝜙 — фазовый сдвиг, а 𝑓 — частота модуляции.
Метод сдвига фаз обеспечивает более высокую точность измерений, чем импульсный метод (ToF) на средних и коротких расстояниях, что делает его незаменимым инструментом в промышленной автоматизации. Например, датчики сдвига фаз играют решающую роль в точном позиционировании роботизированных рук, выравнивании деталей на автоматизированных сборочных линиях и прецизионной обработке на станках с ЧПУ.
Контроль качества: в производстве фазосдвигающие лазерные датчики используются для измерения плоскостности поверхности, толщины и небольших изменений размеров изделий, помогая контролировать качество и мониторинг процесса.
Научные исследования: В таких областях, как физика и материаловедение, метод сдвига фаз используется для изучения микроскопической структуры и свойств материалов, например, для измерения толщины тонких пленок и анализа шероховатости поверхности.
Метод триангуляции: точный инструмент для измерения на сверхкоротких расстояниях
Принцип:
Метод триангуляции основан на геометрической триангуляции, где известные положения лазерного излучателя и приемника вместе с отраженным лазерным лучом образуют треугольник. Лазерный луч излучается в направлении цели и отражается обратно в приемник. Измеряя угловую разницу 𝜃 между излучаемым и отраженным лучами и используя известное базовое расстояние 𝐿 между излучателем и приемником, расстояние 𝑑 до цели можно рассчитать по формуле:
где 𝐿 — известное базовое расстояние между излучателем и приемником, а 𝜃 — угол отраженного луча.
Триангуляция — это геометрический метод измерения, основанный на треугольных отношениях. В этом методе пятно лазера проецируется на измеряемый объект, а отраженный от объекта свет направляется под определенным углом к элементу датчика CMOS. Положение светового пятна на линии CMOS изменяется в зависимости от расстояния до объекта. Таким образом, даже на очень малых расстояниях можно точно определить расстояние до объекта.
Высокоточное измерение на сверхкоротких расстояниях: метод триангуляции, известный своей чрезвычайно высокой точностью и стабильностью измерений, широко используется в таких областях, как обработка электронных компонентов, производство полупроводников и прецизионная обработка. Он может точно измерять небольшие изменения размеров, такие как ширина линий на чипах и размерные допуски компонентов.
Автомобилестроение: в процессе производства автомобилей триангуляционные лазерные датчики используются для точного выравнивания при сварке кузова, проверки качества поверхности перед покраской и контроля точности сборки деталей.
Робототехника и автоматизация: в роботизированных системах технического зрения лазерные датчики, работающие по принципу триангуляции, используются для трехмерной реконструкции, оценки положения и планирования пути, повышая интеллект роботов.
Солнечная фотоэлектричество: в солнечной фотоэлектрической промышленности триангуляционные лазерные датчики используются для обнаружения плоскостности поверхности, трещин и пятен на фотоэлектрических панелях, гарантируя качество продукции и эффективность выработки электроэнергии.
Лазерные датчики смещения: высокоточные измерения
Лазерные датчики смещения обычно используют метод триангуляции. Этот метод измерения может достигать точности нанометрового уровня, что делает его пригодным для высокоточных измерений на коротких расстояниях. В современных промышленных роботах триангуляция является одним из наиболее часто используемых методов, с линейностью, достигающей до 1 микрона, и разрешением до 0,1 микрона. Лазерные датчики смещения обычно используются для определения геометрических величин, таких как смещение, плоскостность, толщина, вибрация, расстояние и диаметр объектов. Эти датчики играют решающую роль в промышленном производстве, прецизионной обработке и контроле качества.
Диапазон измерения: от 0,1 м до 50 м
Принцип измерения расстояния: метод сдвига фаз
Разрешение: 1 мм
Степень защиты: IP67
Поддерживаемые интерфейсы: RS485 / коммутационный выход / аналоговый ток и напряжение
