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一文了解激光测距传感器:原理、选型、应用

2021/9/7    来源:宜科        
关键字:AGV  光电传感器  激光测距  智能制造  
在工业自动化中,激光测距传感器是最常见的传感器之一。本文将让您了解它的原理、选型和应用。
       在工业自动化中,激光测距传感器是最常见的传感器之一。不过,您对它真的了解吗?本文将让您了解它的原理、选型和应用。
 
图1
 
  激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器,一般是由激光器,光学零件,和光电器件所构成的,它能把被测物理量(如长度,距离,振动,流量,速度等)转换成光信号,然后应用光电转换器把光信号变成电信号,通过相应电路的过滤,放大,整流得到输出信号,从而算出被测量。

  相比超声波、红外、毫米波等其他传感器,激光传感器无论在测量精度、分辨率,还是抗干扰能力、稳定性、反应速度都具有不可比拟的优势。所以,在测量精度要求较高,比如0.1mm,0.01mm,甚至1um的情况下,激光传感器往往都是首选。

  
激光传感器工作原理

  在工业领域,最常见的激光传感器是激光位移传感器,也称为激光测距传感器,可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化,主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。

  按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量,而激光回波分析法则用于远距离测量,下面分别介绍激光位移传感器原理的两种测量方式。

  01 三角测量法

  激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面,经物体表面散射的激光通过接收器镜头,被内部的CCD线性相机接收,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。
图2

  同时,光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理,并通过微处理器分析,计算出相应的输出值,并在用户设定的模拟量窗口内,按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出,则在设定的窗口内导通,窗口之外截止。另外,模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。

  采取三角测量法的激光位移传感器最高线性度可达1um,分辨率更是可达到0.1um的水平。

  02 回波分析法

  激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器,处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间,以此计算出距离值,该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。即所谓的脉冲时间法测量的。激光回波分析法适合于长距离检测,但测量精度相对于激光三角测量法要低,最远检测距离可达250m。

图3

  如何选择激光传感器

  我们建议大家注意以下三点:

  01 注意被测物结构和材料

  通常激光位移传感器测量需要完整的三角光路。被测物如果有深槽或复杂表面,可能会导致三角光路被遮挡,从而无法测量。还有一些吸光材料,如黑色橡胶等材料,大部分光强会被吸收,这时需要合理调节曝光时间以获得足够测量信号。另外反光很强,或镜面反射被测物,可能会导致光线垂直返回而没有形成漫反射,也会导致测量效果不佳。所以使用激光位移传感器时,一定要先与厂家充分沟通,不要想当然认为可以测,结果却不好。

 
 02 根据需要选择适用的参数指标

  常用于选择激光位移传感器的指标包括传感器的精度,或者叫线性度、绝对误差等,指的是传感器的测量值偏离理论真实值的偏差程度,这个参数直接反应测得准不准。第二个就是分辨率,这个参数指传感器做出示数变化所需要的最小位移变化量,通常分辨率参数值要小于精度。第三个是测量速度,测量速度直接决定测量是否可以跟得上被测物的变化速度,能否完整反应位移变化的全过程。对测量速度要求高的场合常见于振动测量。当然除此以外,还有很多参数可以决定传感器的性能,包括能够承受环境温度指标,能够承受的振动和冲击指标等。

  03 品牌的选择

  激光位移传感器国内外厂商众多,产品质量、精度和分辨率差别也很大。国外知名品牌质量好但价格也很高,而国内小厂的价格不高但稳定性方面又不能保证。所以选择国内厂商中的知名品牌是一个最好的选择,不仅可以实现国产化替代,也可以保证产品的可靠性、稳定性、精度等关键质量指标。

 
 激光传感器的典型应用

  下面我们通过3个实际应用案例,来说明激光测距传感器的典型应用场景。

  01 精确有序,分毫不差——宜科OSM40高性能光电传感器助力AGV智能化升级

  AGV是现代物流中不可或缺的一部分。物流产业巨大的市场潜力,以及智能制造产业化升级,推动AGV面向高速联动前后输送分拣工艺。宜科的OS10、OSM70等光电传感器,在AGV上发挥着限位、防撞等作用。而精确度更为高端的宜科OSM40激光测距传感器,使用在智能AGV上更为关键的部位, 使AGV实现高效、准确运行,加速物流行业自动化的更迭。

图4

  举升式AGV带有可升降式举升平台。举升平台机构,是智能AGV进行分拣输送中,对接传送轨道或举升托盘高度控制的关键部位。平台举升高度、倾斜度、速度、加速度等控制,对举升式AGV是否能稳定、可靠、安全运行起到了决定性作用。

  宜科OSM40-KL800系列模拟量高精度激光传感器应用在举升平台机构中,用于举升位置信号反馈。一个AGV使用2-4只OSM40,安装在举升平台下方,位置朝上来检测平台底部。平台上下移动时,OSM40将位置信号实时反馈到控制器,从而指导执行机构,控制倾斜度、加速度、以及举升高度,精密定位控制在一毫米以内。

  02 高性能激光测距传感器,为智能化数据存储保驾护航

  大数据时代,非结构化数据的增速非常惊人。为了实现低成本、安全可靠承载企业庞大的数据总量,大数据光存储系统 — 智能光盘库应运而生,并且广泛应用于金融、广电、医疗、安防监控等领域。智能光盘库具有极少能耗,低运营成本,高稳定性的特点,是长期保存数据的理想之选。

图5

  光盘库是采用机械手进行自动换盘的光盘网络共享设备,由光盘架、换盘机构(机械手)、驱动器三部分组成。在光盘库智能化设计中,应用光电传感器进行测量检测、精准定位,并结合机械设计、磁盘存储、人机界面操控,实现数据的高速存储与读取。

  宜科OSM40光电传感器为光盘库高效、稳定运行提供坚实后盾。

图6

  光盘库安装一只宜科OSM40-KL800激光传感器和两只OSM40-KL70激光传感器进行检测监控,检测距离分别为800mm和70mm。

图7

  应用长距离OSM40的模拟量检测,控制升降机构位置,对机械手高低位进行监控;短距离OSM40的开关量进行光驱托盘限位检测,利用黑白衰减小,实现深色托盘位置监控,避免撞击损坏;另一只用于检测光盘存在,利用0.01mm的分辨率可以充分判断一张光盘厚度。

  宜科高性能OSM40光电传感器,具有精确测距、黑白衰减小、高精度开关量等特点,使光盘库长期运转中信号稳定可靠,增加设备耐用性,同时减少介质转换时间,提升效率,通过对内置结构冗余检测,避免关键位置机械故障损伤,确保数据安全。

  03 激光传感器实现木工机械行业精工细作

  木材加工领域,看似粗犷,但实际上对光电传感器的性能要求更为严格。尤其在木工机械板材打孔设备上,需要用高精度的传感器对木板型材进行扫描以及高精度定位,并记录孔位。

图8

  应用挑战:
  ■板材颜色分为深色、浅色、彩色;
  ■板材本身带有不规则花纹;
  ■孔内表面粗糙、反光度低;
  ■检测速度跟效率挂钩,设备运行速度快;
  ■有设备应用需要进行孔深探测,模拟量信号采集。
 
图9

  从核心算法入手,宜科全新打造的适用于木工机械领域的OSM40-KL70系列光电传感器,兼具多种功能,无惧任何复杂检测挑战。

  最大检测距离70mm,分辨率进一步提升到最高0.01mm,实现不同颜色,不同厚度木板的稳定检测。

  采用红色激光作为检测光源,带有LED数码显示和试教功能。

  该产品具备优异的抗外界光源能力,可以同时提供PNP、NPN、模拟量电流、模拟量电压输出。

 
图10

  宜科高性能OSM40光电传感器具备激光定位准、分辨率高、相应频率高、色差衰减小等特点,用于木工机械行业,有力保证了产品品质及稳定性,助力木工机械行业智能化升级。

  
激光传感器的国产化替代

  高精度、高性能的激光测距传感器技术门槛高,国内厂商的产品在检测复杂物料时,测量精度往往达不到要求,因此一直以来,这一高端市场被欧美厂商所垄断。

  现如今,国内光电传感器领先厂商宜科电子经过多年潜心研发,推出了高性能的激光测距传感器OSM40。其测量精度最高可达0.01mm,能用于检测高精度需求场合和精密物料,且检测距离最高可达800mm,可谓是激光测距领域内极具性价比的产品,因此也成了激光测距传感器国产化替代的最佳选择之一。
责任编辑:杨培
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