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一、傳輸時(shí)間激光距離傳感器的發(fā)展 激光在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,技術(shù)含量十分豐富,對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和生活的影響也十分明顯。激光測(cè)距是激光最早的應(yīng)用之一。這是由于激光具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點(diǎn)。1965年前蘇聯(lián)利用激光測(cè)地球和月球之間距離（380103km）誤差只有250m。1969年美國(guó)人登月后置反射鏡于月面,也用激光測(cè)量地月之距,誤差只有15cm。 利用激光傳輸時(shí)間來測(cè)量距離的基本原理是通過測(cè)量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來確定目標(biāo)距離。 傳輸時(shí)間激光測(cè)距雖然原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但以前主要用于軍事和科學(xué)研究方面,在工業(yè)自動(dòng)化方面卻很少見。由于激光測(cè)距傳感器售價(jià)太高,一般在幾千美元,高昂的價(jià)格一直是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要原因。然而最近,激光測(cè)距傳感器由于技術(shù)上取得了重大進(jìn)展,使其價(jià)格已降到幾百美元,從而使它今后有可能成為許多長(zhǎng)距離檢測(cè)場(chǎng)合最經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)手段。 造成這樣大幅度降價(jià)的主要原因是最近兩種消費(fèi)產(chǎn)品的急劇增長(zhǎng)。 其一是蜂窩電話。蜂窩移動(dòng)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(shí)間計(jì)時(shí)器。 其二是DVD播放機(jī)。DVD播放機(jī)的發(fā)展推動(dòng)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(shí)現(xiàn)超高密度數(shù)字存儲(chǔ)。與僅僅幾年前為CD機(jī)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(shù)和清潔廉價(jià)的電源等,才使傳輸時(shí)間激光距離傳感器的發(fā)展躍上新臺(tái)階。 實(shí)際上,所有工業(yè)用戶都在尋找一種能在較遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)精密距離檢測(cè)的傳感器。因?yàn)樵S多情況下近距離安裝傳感器會(huì)受物理位置及生產(chǎn)環(huán)境的限制,如今的傳輸時(shí)間激光測(cè)距傳感器將為這類場(chǎng)合的工程師排憂解難。 二、工作原理 傳輸時(shí)間激光傳感器工作時(shí),先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)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(xué)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(xué)傳感器,因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定目標(biāo)距離。傳輸時(shí)間激光傳感器必須極其精確地測(cè)定傳輸時(shí)間,因?yàn)楣馑偬臁? 例如,光速約為3108m/s,要想使分辨率達(dá)到1mm,則傳輸時(shí)間測(cè)距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時(shí)間： 0.001m(3108m/s)=3ps 要分辨出3ps的時(shí)間,這是對(duì)電子技術(shù)提出的過高要求,實(shí)現(xiàn)起來造價(jià)太高。但是如今廉價(jià)的傳輸時(shí)間激光傳感器巧妙地避開了這一障礙,利用一種簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,即平均法則實(shí)現(xiàn)了1mm的分辨率,并且能保證響應(yīng)速度。 三、解決其它技術(shù)無法解決的問題 傳輸時(shí)間激光距離傳感器可用于其它技術(shù)無法應(yīng)用的場(chǎng)合。例如,當(dāng)目標(biāo)很近時(shí),計(jì)算來自目標(biāo)反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測(cè)任務(wù)。但是,當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)內(nèi)或目標(biāo)顏色變化時(shí),普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。 雖然先進(jìn)的背景噪聲抑制傳感器和三角測(cè)量傳感器在目標(biāo)顏色變化的情況下能較好地工作,但是,在目標(biāo)角度不固定或目標(biāo)太亮?xí)r,其性能的可預(yù)測(cè)性變差。此外,三角測(cè)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(cè)距離較遠(yuǎn)的物體,而且由于它不是光學(xué)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(cè)量距離的,因此存在一些固有的缺點(diǎn),不能用于以下場(chǎng)合。 ①待測(cè)目標(biāo)與傳感器的換能器不相垂直的場(chǎng)合。因?yàn)槌暡z測(cè)的目標(biāo)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(chǎng)合。因?yàn)橐话愠暡ㄊ陔x開傳感器2m遠(yuǎn)時(shí)直徑為0.76cm。 ③需要可見光斑進(jìn)行位置校準(zhǔn)的場(chǎng)合。 ④多風(fēng)的場(chǎng)合。 ⑤真空?qǐng)龊稀? ⑥溫度梯度較大的場(chǎng)合。因?yàn)檫@種情況下會(huì)造成聲速的變化。 ⑦需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 而激光距離傳感器能解決上述所有場(chǎng)合的檢測(cè)。 四、在自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛用途 如今,自動(dòng)檢測(cè)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(gè)能解決長(zhǎng)距離測(cè)量和檢驗(yàn)的新方法—傳輸時(shí)間激光距離傳感器。它為各種不同場(chǎng)合提供了應(yīng)用的靈活性,這些場(chǎng)合可包括如下： ①設(shè)備定位。 ②測(cè)量料包的料位。 ③測(cè)量傳送帶上的物體距離和物體高度。 ④測(cè)量原木直徑。 ⑤保高架起重機(jī)免于碰撞。 ⑥無誤差檢查場(chǎng)合。 五、幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例 1、測(cè)量傳送帶上箱子的寬度 使用兩個(gè)發(fā)散型傳輸時(shí)間激光傳感器,在傳送帶的兩側(cè)面對(duì)面安裝。因?yàn)槌叽缱兓南渥勇涞絺魉蛶系奈恢檬遣还潭ǖ?這樣,每個(gè)傳感器都測(cè)量出自己與箱子的距離,設(shè)一個(gè)距離為L(zhǎng)1,另一個(gè)為L(zhǎng)2。此信息送給PLC,PLC將兩個(gè)傳感器間總的距離減去L1和L2,從而可計(jì)算出箱子的寬度W。 2、保護(hù)液壓成型沖模 機(jī)械手把一根預(yù)成型的管材放進(jìn)液壓成型機(jī)的下部沖模中,操作者必須保證每次放的位置準(zhǔn)確。在上部沖模落下之前,一個(gè)發(fā)散型傳感器測(cè)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(jī)定位 用兩個(gè)反射型傳感器面對(duì)反射器安裝,反射器安裝在橋式起重機(jī)的兩個(gè)移動(dòng)單元上。一個(gè)單元前后運(yùn)動(dòng),另一個(gè)左右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)起重機(jī)驅(qū)動(dòng)板架輥時(shí),兩個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)各自到反射器的距離,通過PLC能連續(xù)跟蹤起重機(jī)的精確位置。 有了這種新式廉價(jià)傳輸時(shí)間激光測(cè)距傳感器,反射性或多顏色的目標(biāo)長(zhǎng)距離位置檢測(cè)即使在檢測(cè)角度變化的情況下也沒問題了。 |
