傳輸時間激光距離傳感器的工作原理及發(fā)展情況

一、傳輸時間激光距離傳感器的發(fā)展

激光在檢測領域中的應用十分廣泛，技術含量十分豐富，對社會生產(chǎn)和生活的影響也十分明顯。激光測距是激光最早的應用之一。這是由于激光具有方向性強、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點。1965年前蘇聯(lián)利用激光測地球和月球之間距離（380103km）誤差只有250m。1969年美國人登月后置反射鏡于月面，也用激光測量地月之距，誤差只有15cm。

利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離。

傳輸時間激光測距雖然原理簡單、結構簡單，但以前主要用于軍事和科學研究方面，在工業(yè)自動化方面卻很少見。由于激光測距傳感器售價太高，一般在幾千美元，高昂的價格一直是阻礙其廣泛應用的主要原因。然而最近，激光測距傳感器由于技術上取得了重大進展，使其價格已降到幾百美元，從而使它今后有可能成為許多長距離檢測場合最經(jīng)濟有效的檢測手段。

造成這樣大幅度降價的主要原因是最近兩種消費產(chǎn)品的急劇增長。

其一是蜂窩電話。蜂窩移動通信自70年代出現(xiàn)以來，發(fā)展異常迅速，用戶幾乎年年翻番，尤其是近年來發(fā)展更為驚人。蜂窩電話的發(fā)展促使電信工業(yè)提供出性能極佳的低噪聲放大器。這種放大器的核心部件就是傳輸時間計時器。

其二是DVD播放機。DVD播放機的發(fā)展推動了低成本可見光二極管激光器的發(fā)展。這種二極管激光器發(fā)出的激光具有更好的聚焦特性，能實現(xiàn)超高密度數(shù)字存儲。與僅僅幾年前為CD機研制的紅外激光二極管相比，其聚焦特性要好許多倍。

正是這些新器件的出現(xiàn)再加上表面安裝電路板技術和清潔廉價的電源等，才使傳輸時間激光距離傳感器的發(fā)展躍上新臺階。

實際上，所有工業(yè)用戶都在尋找一種能在較遠距離實現(xiàn)精密距離檢測的傳感器。因為許多情況下近距離安裝傳感器會受物理位置及生產(chǎn)環(huán)境的限制，如今的傳輸時間激光測距傳感器將為這類場合的工程師排憂解難。

二、工作原理

傳輸時間激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定目標距離。傳輸時間激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間，因為光速太快。

例如，光速約為3108m/s，要想使分辨率達到1mm，則傳輸時間測距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時間：

0.001m（3108m/s）=3ps

要分辨出3ps的時間，這是對電子技術提出的過高要求，實現(xiàn)起來造價太高。但是如今廉價的傳輸時間激光傳感器巧妙地避開了這一障礙，利用一種簡單的統(tǒng)計學原理，即平均法則實現(xiàn)了1mm的分辨率，并且能保證響應速度。

三、解決其它技術無法解決的問題

傳輸時間激光距離傳感器可用于其它技術無法應用的場合。例如，當目標很近時，計算來自目標反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測任務。但是，當目標距離較遠內(nèi)或目標顏色變化時，普通光電傳感器就難以應付了。

雖然先進的背景噪聲抑制傳感器和三角測量傳感器在目標顏色變化的情況下能較好地工作，但是，在目標角度不固定或目標太亮時，其性能的可預測性變差。此外，三角測量傳感器一般量程只限于0.5m以內(nèi)。

超聲波傳感器雖然也經(jīng)常用于檢測距離較遠的物體，而且由于它不是光學裝置，所以不受顏色變化的影響。但是，超聲波傳感器是依據(jù)聲速測量距離的，因此存在一些固有的缺點，不能用于以下場合。

①待測目標與傳感器的換能器不相垂直的場合。因為超聲波檢測的目標必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以內(nèi)。

②需要光束直徑很小的場合。因為一般超聲波束在離開傳感器2m遠時直徑為0.76cm。

③需要可見光斑進行位置校準的場合。

④多風的場合。

⑤真空場合。

⑥溫度梯度較大的場合。因為這種情況下會造成聲速的變化。

⑦需要快速響應的場合。

而激光距離傳感器能解決上述所有場合的檢測。

四、在自動化領域的廣泛用途

如今，自動檢測和控制的方法中，除了超聲波傳感器和普通光電傳感器外，又增加了一個能解決長距離測量和檢驗的新方法—傳輸時間激光距離傳感器。它為各種不同場合提供了應用的靈活性，這些場合可包括如下：

①設備定位。

②測量料包的料位。

③測量傳送帶上的物體距離和物體高度。

④測量原木直徑。

⑤保護高架起重機免于碰撞。

⑥無誤差檢查場合。

五、幾個應用實例

1、測量傳送帶上箱子的寬度

使用兩個發(fā)散型傳輸時間激光傳感器，在傳送帶的兩側(cè)面對面安裝。因為尺寸變化的箱子落到傳送帶上的位置是不固定的，這樣，每個傳感器都測量出自己與箱子的距離，設一個距離為L1，另一個為L2。此信息送給PLC，PLC將兩個傳感器間總的距離減去L1和L2，從而可計算出箱子的寬度W。

2、保護液壓成型沖模

機械手把一根預成型的管材放進液壓成型機的下部沖模中，操作者必須保證每次放的位置準確。在上部沖模落下之前，一個發(fā)散型傳感器測量出距離管子臨界段的距離，這樣可保證沖模閉合前處于正確位置。

3、二軸起重機定位

用兩個反射型傳感器面對反射器安裝，反射器安裝在橋式起重機的兩個移動單元上。一個單元前后運動，另一個左右運動。當起重機驅(qū)動板架輥時，兩個傳感器監(jiān)測各自到反射器的距離，通過PLC能連續(xù)跟蹤起重機的精確位置。

有了這種新式廉價傳輸時間激光測距傳感器，反射性或多顏色的目標長距離位置檢測即使在檢測角度變化的情況下也沒問題了。