傳輸時(shí)間激光距離傳感器的工作原理及發(fā)展情況

一、傳輸時(shí)間激光距離傳感器的發(fā)展

激光在檢測領(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(shí)間來測量距離的基本原理是通過測量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來確定目標(biāo)距離。

傳輸時(shí)間激光測距雖然原理簡單、結(jié)構(gòu)簡單，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距離檢測場合最經(jīng)濟(jì)有效的檢測手段。

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。

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(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，即可測定目標(biāo)距離。傳輸時(shí)間激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時(shí)間，因?yàn)楣馑偬臁?/p>

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(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)聲速測量距離的，因此存在一些固有的缺點(diǎn)，不能用于以下場合。

①待測目標(biāo)與傳感器的換能器不相垂直的場合。因?yàn)槌暡z測的目標(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)的場合。

④多風(fēng)的場合。

⑤真空場合。

⑥溫度梯度較大的場合。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(dòng)化領(lǐng)域的廣泛用途

如今，自動(dòng)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(gè)能解決長距離測量和檢驗(yàn)的新方法—傳輸時(shí)間激光距離傳感器。它為各種不同場合提供了應(yīng)用的靈活性，這些場合可包括如下：

①設(shè)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(hù)高架起重機(jī)免于碰撞。

⑥無誤差檢查場合。

五、幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例

1、測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模@樣，每個(gè)傳感器都測量出自己與箱子的距離，設(shè)一個(gè)距離為L1，另一個(gè)為L2。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)間激光測距傳感器，反射性或多顏色的目標(biāo)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。