激光感应传感器(高精度长距离测量的首选——激光测距传感器)

Posted 2023-06-01

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激光感应传感器(高精度长距离测量的首选——激光测距传感器)

激光测距传感器安装在堆垛机的桅杆上，以毫米精度测量堆垛机的操作位置。

图片来源：虹科

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近几年来，激光测距传感器在电子技术、激光技术、光学技术等高新技术的快速发展，为激光测距传感器的改进获取了关键基础。

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有许多应用中，需要以高精度和尽可能快的速度测量大距离，以完成定位、测量或监测任务。典型应用范围从配送中心的存储和检索系统和ASRS穿梭车(自动存储和检索系统)，从大型储罐或筒仓中的边缘控制到机械工程，例如用于加工金属管道或机械切割梁或板时。

即使是门式起重机或港口起重机,也依赖于高精度的长距离测量，甚至隧道掘进机也需要这种快速、精确的距离测量解决方案。近几年来，激光测距传感器在电子技术、激光技术、光学技术等高新技术的快速发展，为激光测距传感器的改进获取了关键基础。目前激光测距传感器技术型发展方向主要包括微型化、复合化、数据化等几个方面。它的技术加工非常精细,而且技术的成熟度相对较高，在各种复合化功能中也达到相关要求，通过单个传感模块实现了多种功能。

激光距离传感器通常是测量光束的飞行时间或相移。光的飞行是快速的，且由于测量时间相当复杂，通常不够准确。相移的测量取决于距离，且明显更准确，但由于计算评估更复杂，不像测量飞行时间那样快速。

因此，虹科的合作伙伴Dimetix AG通过评估运动时间和相位偏移，将两种测量方法的优点结合到激光测距传感器中。为了实现高测量速度，该方法使用激光振幅的高频调制，并评估这些调制高频信号(脉冲串)的相位位置和间距。为此，激光束以短间隔进行调幅(图1)。这使得单个脉冲束的传播时间随距离变化的情况、以及被调制的脉冲束内单个波的相位变化可以被极快地测量出来。因此,传感器的测量速度比平时更快，即使在很远的距离（500米）也能提供精确的值。测量速度范围高达250 Hz, 输出率为1kHz。

▎图1 由于激光束的振幅调制，传感器的测量速度比平时快，即使在远距离也能提供准确的数值。

这样一个传感器的内部由众多组件组成(见图2) :带有激光二极管和超快速驱动器的光发射器，带有透镜、滤波器和模数转换器的接收器，高性能数字信号处理、存储器、输入和显示元件，以及大量数字和模拟工业接口。所有这些都装在一个专为工业用途而设计的紧凑型外壳中。此外，还设计了具有加热功能的传感器型号，因此激光传感器也可以在寒冷的室外环境中运行，无需外部加热。

▎图2 Dimetix激光测距传感器内部组件

由于其长度为140mm，宽度为78mm，高度为48mm的小尺寸，这些轻量级(350g)的传感器可以很容易地集成到各种应用中。在ASRS穿梭系统中也可以找到类似的应用，该系统被用于许多配送中心的订单处理和存储。在传感器的帮助下，梭子可以以毫米精度放置在需要装载或卸载产品的位置。坚固的外壳符合IP65的要求，因此它也可以用于恶劣的工业环境和户外使用，例如用于隧道钻孔或建筑机械，甚至在钢铁行业等高温环境下在热表面上进行测量(图3)。

▎图3 即使在高的环境温度下，这些传感器也能快速、可靠地提供准确的测量结果。

01测试类型设置

虹科Dimetix传感器支持不同类型的测量。根据应用程序，可以在以下测量类型之间进行选择:

单距离测量:使用sNg命令(N表示传感器的ID，例如ID 0 => s0g)触发单个距离测量。测量结果立即发送到所有输出接口。这一过程可以在收到传感器响应后立即重复。在监测应用中，常用的是单距离测量方式。

单传感器跟踪:可以使用sNh命令触发连续测量。根据应用程序的不同，传感器可以根据设定的时间连续输出测量距离。所需的采样时间可以用命令sNh+x (x可以在0到8,5 40 ,000毫秒之间自由设定)。这种类型的测量被用于各个领域(木材工业，钢铁工业，监测，物流等)。

使用缓冲跟踪:如果几个传感器连接到一个串行接口(例如RS-485)时，通常某一个传感器不可能长时间占用数据传输通道，这时该传感器采用了跟踪缓冲模式sNf (sNf+x, x in ms)，使该传感器可以独立于其他传感器进行测量，测量结果缓冲在传感器中，只有通过当PLC发送sNq命令，传感器才会返回结果。这意味着数据线只需要占用很短的时间。这种测量方法主要应用于有多个传感器连接在同一个总线上的监测领域。

02桥梁监测应用方案

使用边缘计算的桥梁监测，经常受到天气、重载荷和运动的影响。为了检测可能的变形，同时不因测试而造成交通的中断，建议采用连续测量并报告桥梁变化的方法。基于激光测距传感器，虹科与Dimetix提供了一个合适的解决方案。由于其精度+-1mm和高达250Hz的高测量速率，该传感器甚至可以检测桥梁最小的运动。由于其测量距离长，该传感器可以在桥梁附近灵活安装。传感器收集的数据由Welotec传输到边缘网关并进行处理。网关在Azure I0T Hub和Azure Edge完全云集成，实现了分散数据处理和应用程序配置。软件环境和集成防火墙也最大程度上确保了安全性；用户可以安全的进行远程访问。存储在云端的数据，显示在仪表板上，并与警报系统相连。因此，如果在桥上出现明显的测量异常，操作员可以立即行动并采取必要措施。