Czujniki odległości laserowe a czujniki przemieszczenia laserowego: jaka jest różnica?
Rozwój i trendy rozwojowe czujników pomiarowych optycznych
W takich dziedzinach jak produkcja, instrumenty precyzyjne, biomedycyna i lotnictwo, zapotrzebowanie na dokładność i wydajność pomiarów stale rośnie. Bezkontaktowe, cyfrowe, wysoce precyzyjne i wysoce czułe optyczne czujniki pomiarowe, zwłaszcza laserowe czujniki odległości i laserowe czujniki przemieszczenia, zapewniają bardziej precyzyjne, wydajne i inteligentne rozwiązania pomiarowe w różnych branżach.
Podstawy i klasyfikacja technologii pomiaru odległości laserowej
Na podstawie podstawowych zasad pomiaru laserowego metody można podzielić na metodę Time of Flight (ToF) i metodę triangulacji. Spośród nich metodę Time of Flight można dalej podzielić na metodę Pulse (ToF) i metodę Phase-Shift.
Jak pokazano na poniższym schemacie.
Metoda impulsowa (ToF): idealny wybór do pomiarów na duże odległości i na dużą skalę
Zasada:
Metoda Pulse (ToF) opiera się na pomiarze czasu, jaki zajmuje impulsowi laserowemu przebycie drogi od emitera do celu i z powrotem do odbiornika. Impuls laserowy jest emitowany, odbija się od celu, a różnica czasu między emisją a odbiorem jest rejestrowana. Korzystając z prędkości światła 𝑐 i różnicy czasu 𝑡 , odległość 𝑑 do celu można obliczyć za pomocą wzoru:
gdzie 𝑑 jest odległością do celu, 𝑐 jest prędkością światła (3 ×10^8 m/s), a 𝑡 jest czasem podróży w obie strony. Podział przez 2 uwzględnia charakter podróży w obie strony pomiaru.
UWAGA: Prędkość światła w próżni, powszechnie oznaczana jako c, jest uniwersalną stałą fizyczną równą dokładnie 299 792 458 metrów na sekundę (około 300 000 kilometrów na sekundę; 186 000 mil na sekundę; 671 milionów mil na godzinę).
Metoda impulsowa (ToF) jest szczególnie przydatna w zastosowaniach wymagających pomiaru dużych odległości lub obszarów, takich jak mapowanie za pomocą dronów, tworzenie map 3D, monitorowanie środowiska (np. pionowego rozkładu zanieczyszczeń w atmosferze) oraz wykrywanie i omijanie przeszkód w pojazdach autonomicznych.
LiDAR (laserowe wykrywanie i określanie odległości): W takich dziedzinach jak autonomiczne prowadzenie pojazdów, nawigacja robotyczna, mapowanie terenu i trójwymiarowe modelowanie budynków, systemy LiDAR wykorzystują metodę impulsową (ToF) w celu uzyskania trójwymiarowych informacji przestrzennych o wysokiej precyzji, zapewniając kluczowe wsparcie danych w procesie podejmowania decyzji.
Lotnictwo i kosmonautyka: Metoda impulsowa (ToF) jest również wykorzystywana do precyzyjnego pomiaru odległości między statkiem kosmicznym a ziemią lub obiektami docelowymi, co zapewnia bezpieczne wykonywanie misji, takich jak nawigacja lądowników czy eksploracja łazików marsjańskich.
Metoda przesunięcia fazowego: niezawodna technologia do pomiarów o wysokiej precyzji na średnie i krótkie odległości
Zasada:
Metoda przesunięcia fazowego polega na modulacji wiązki laserowej i pomiarze różnicy faz między emitowanymi i odbieranymi sygnałami w celu obliczenia odległości. Wiązka laserowa jest modulowana jako fala sinusoidalna, a przesunięcie fazowe Δ 𝜙 między falami transmitowanymi i odbitymi jest mierzone. To przesunięcie fazowe jest bezpośrednio związane z odległością do celu, a odległość 𝑑 można obliczyć za pomocą wzoru:
gdzie 𝑑 jest odległością do celu, 𝑐 jest prędkością światła (3 ×10^8 m/s), Δ 𝜙 jest przesunięciem fazowym, a 𝑓 jest częstotliwością modulacji.
Metoda przesunięcia fazowego zapewnia większą dokładność pomiaru niż metoda impulsowa (ToF) na średnich i krótkich dystansach, co czyni ją niezbędnym narzędziem w automatyce przemysłowej. Na przykład czujniki laserowe z przesunięciem fazowym odgrywają kluczową rolę w precyzyjnym pozycjonowaniu ramion robota, ustawianiu części na zautomatyzowanych liniach montażowych i precyzyjnej obróbce w maszynach CNC.
Kontrola jakości: W produkcji czujniki laserowe z przesunięciem fazowym służą do pomiaru płaskości powierzchni, grubości i niewielkich zmian wymiarów produktów, co ułatwia kontrolę jakości i monitorowanie procesów.
Badania naukowe: W takich dziedzinach jak fizyka i materiałoznawstwo metoda przesunięcia fazowego jest wykorzystywana do badania mikroskopowej struktury i właściwości materiałów, np. do pomiaru grubości cienkich warstw i analizy chropowatości powierzchni.
Metoda triangulacji: precyzyjne narzędzie do pomiaru na bardzo krótkich odległościach
Zasada:
Metoda triangulacji opiera się na triangulacji geometrycznej, w której znane położenia emitera i odbiornika lasera, wraz z odbitą wiązką lasera, tworzą trójkąt. Wiązka lasera jest emitowana w kierunku celu i odbijana z powrotem do odbiornika. Mierząc różnicę kątową 𝜃 między emitowanymi i odbitymi wiązkami i używając znanej odległości bazowej 𝐿 między emiterem i odbiornikiem, odległość 𝑑 do celu można obliczyć za pomocą wzoru:
gdzie 𝐿 jest znaną odległością linii bazowej między nadajnikiem i odbiornikiem, a 𝜃 jest kątem odbitej wiązki.
Triangulacja to geometryczna metoda pomiaru oparta na relacjach trójkątnych. W tej metodzie plamka lasera jest rzutowana na mierzony obiekt, a odbite światło od obiektu jest kierowane pod pewnym kątem w stronę elementu czujnika CMOS. Położenie plamki światła na linii CMOS zmienia się w zależności od odległości obiektu. W ten sposób, nawet przy bardzo małych odległościach, odległość do obiektu może być precyzyjnie określona.
Ultrakrótkie pomiary o wysokiej precyzji: Metoda triangulacji, znana z niezwykle wysokiej dokładności i stabilności pomiaru, jest szeroko stosowana w takich dziedzinach jak przetwarzanie komponentów elektronicznych, produkcja półprzewodników i precyzyjna obróbka. Może dokładnie mierzyć małe zmiany wymiarowe, takie jak szerokości linii na chipach i tolerancje wymiarowe komponentów.
Produkcja samochodów: W procesie produkcji samochodów czujniki laserowe triangulacyjne są wykorzystywane do precyzyjnego ustawienia podczas spawania karoserii, kontroli jakości powierzchni przed lakierowaniem oraz kontroli dokładności montażu części.
Robotyka i automatyka: W systemach wizyjnych robotów czujniki laserowe oparte na zasadzie triangulacji są wykorzystywane do rekonstrukcji 3D, szacowania postawy i planowania ścieżki, co zwiększa inteligencję robotów.
Fotowoltaika słoneczna: W branży fotowoltaiki słonecznej czujniki laserowe wykorzystujące triangulację służą do wykrywania płaskości powierzchni, pęknięć i plam na panelach fotowoltaicznych, co zapewnia jakość produktu i wydajność wytwarzania energii.
Czujniki przemieszczenia laserowego: pomiary o wysokiej precyzji
Czujniki przemieszczenia laserowego zazwyczaj wykorzystują metodę triangulacji. Ta metoda pomiaru może osiągnąć precyzję na poziomie nanometrów, dzięki czemu nadaje się do precyzyjnych pomiarów na krótkich dystansach. W obecnych zastosowaniach robotów przemysłowych triangulacja jest jedną z powszechnie stosowanych technik, z liniowością sięgającą do 1 mikrona i rozdzielczością do 0,1 mikrona. Czujniki przemieszczenia laserowego są powszechnie stosowane do wykrywania wielkości geometrycznych, takich jak przemieszczenie, płaskość, grubość, drgania, odległość i średnica obiektów. Czujniki te odgrywają kluczową rolę w produkcji przemysłowej, precyzyjnej obróbce i kontroli jakości.
Zakres pomiaru: 24 mm do 400 mm
Rozdzielczość: Min. 2 μm; Maks. 75 μm
Stopień ochrony: IP64
Obsługiwane interfejsy: RS485 / Wyjście przełączające / Prąd i napięcie analogowe
Czujniki odległości laserowe: szerokie zastosowanie w automatyce przemysłowej
Czujniki odległości laserowej zazwyczaj wykorzystują metodę impulsową (ToF) lub metodę przesunięcia fazowego, a ze względu na ich przydatność do szerszego zakresu potrzeb pomiaru odległości są szeroko stosowane w automatyzacji produkcji przemysłowej. Czujniki te nie tylko spełniają wymagania dotyczące pomiaru na duże odległości, ale także charakteryzują się wysoką precyzją i szybkim czasem reakcji. W dziedzinie automatyki przemysłowej czujniki odległości laserowej są szeroko stosowane do sterowania położeniem i nawigacji, pomiaru konturów i kontroli powierzchni, ochrony bezpieczeństwa, logistyki i zarządzania magazynem, a także automatycznego spawania i cięcia. Dostarczają niezawodnych danych pomiaru odległości dla systemów automatyki, pomagając zwiększyć wydajność produkcji, dokładność i bezpieczeństwo. Wykazują również wyjątkowe zalety w powstających dziedzinach, takich jak inteligentny transport i autonomiczna jazda.
Zakres pomiaru: 0,1 m do 50 m
Zasada pomiaru odległości: metoda przesunięcia fazowego
Rozdzielczość: 1 mm
Stopień ochrony: IP67
Obsługiwane interfejsy: RS485 / Wyjście przełączające / Prąd i napięcie analogowe
