Detaillierte Analyse: Prinzipien, Anwendungen und Auswahl der wichtigsten Punkte von Laser-Distanzsensoren und Laser-Wegsensoren
Aufstieg und Entwicklungstrends optischer Messsensoren
In Bereichen wie Fertigung, Präzisionsinstrumenten, Biomedizin und Luft- und Raumfahrt steigen die Anforderungen an Messgenauigkeit und -effizienz stetig. Berührungslose, digitale, hochpräzise und hochempfindliche optische Messsensoren, insbesondere Laser-Distanzsensoren und Laser-Wegsensoren, bieten präzisere, effizientere und intelligentere Messlösungen in verschiedenen Branchen.
Die Grundlagen und Klassifizierung von Laser-Entfernungsmessung Technologie
Basierend auf den Grundprinzipien der Lasermessung können die Methoden in die Time-of-Flight-Methode (ToF) und die Triangulationsmethode unterteilt werden. Die Time-of-Flight-Methode kann wiederum in die Pulsmethode (ToF) und die Phasenverschiebungsmethode unterteilt werden.
Wie im Diagramm unten gezeigt.
Pulsmethode (ToF): Die ideale Wahl für Messungen über große Entfernungen und im großen Maßstab
Prinzip:
Die Pulsmethode (ToF) basiert auf der Messung der Zeit, die ein Laserpuls vom Sender zum Ziel und zurück zum Empfänger benötigt. Ein Laserpuls wird ausgesendet, vom Ziel reflektiert und die Zeitdifferenz zwischen Aussendung und Empfang wird aufgezeichnet. Mit der Lichtgeschwindigkeit𝑐 und der Zeitunterschied𝑡,die Entfernung𝑑 zum Ziel kann mit der Formel berechnet werden:
Wo𝑑ist die Entfernung zum Ziel,𝑐ist die Lichtgeschwindigkeit (3 × 10^8 m/s) und𝑡ist die Roundtrip-Zeit. Die Division durch 2 berücksichtigt den Roundtrip-Charakter der Messung.
NOTIZ: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, üblicherweise mit c bezeichnet, ist eine universelle physikalische Konstante, die genau 299.792.458 Metern pro Sekunde (ungefähr 300.000 Kilometer pro Sekunde; 186.000 Meilen pro Sekunde; 671 Millionen Meilen pro Stunde) entspricht.
Die Impulsmethode (ToF) eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen große Entfernungen oder große Flächen gemessen werden müssen, wie etwa Drohnenkartierung, 3D-Kartenerstellung, Umweltüberwachung (z. B. die vertikale Verteilung von Schadstoffen in der Atmosphäre) sowie Hinderniserkennung und -vermeidung in autonomen Fahrzeugen.
LiDAR (Laser Detection and Ranging): In Bereichen wie autonomes Fahren, Roboternavigation, Geländekartierung und 3D-Modellierung von Gebäuden nutzen LiDAR-Systeme die Pulsmethode (ToF), um hochpräzise 3D-Rauminformationen zu erhalten und so wichtige Datenunterstützung für die Entscheidungsfindung zu liefern.
Luft- und Raumfahrt: Die Pulsmethode (ToF) wird auch zur präzisen Entfernungsmessung zwischen Raumfahrzeugen und dem Boden oder Zielobjekten verwendet und gewährleistet so die sichere Durchführung von Missionen wie der Landernavigation und der Erkundung des Mars durch Rover.
Phasenverschiebungsmethode: Zuverlässige Technologie für hochpräzise Messungen über mittlere und kurze Distanzen
Prinzip:
Bei der Phasenverschiebungsmethode wird der Laserstrahl moduliert und die Phasendifferenz zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen gemessen, um die Entfernung zu berechnen. Der Laserstrahl wird als Sinuswelle moduliert, und die PhasenverschiebungΔ𝜙zwischen den gesendeten und reflektierten Wellen gemessen. Diese Phasenverschiebung steht in direktem Zusammenhang mit der Entfernung zum Ziel und der Entfernung𝑑kann mit der Formel berechnet werden:
Wo𝑑ist die Entfernung zum Ziel,𝑐ist die Lichtgeschwindigkeit (3 × 10^8 m/s),Δ𝜙ist die Phasenverschiebung und𝑓ist die Modulationsfrequenz.
Das Phasenverschiebungsverfahren bietet bei mittleren und kurzen Distanzen eine höhere Messgenauigkeit als das Impulsverfahren (ToF) und ist daher ein unverzichtbares Werkzeug in der industriellen Automatisierung. Beispielsweise spielen Phasenverschiebungs-Lasersensoren eine entscheidende Rolle bei der präzisen Positionierung von Roboterarmen, der Ausrichtung von Teilen an automatisierten Montagelinien und der Präzisionsbearbeitung in CNC-Maschinen.
Qualitätskontrolle: In der Fertigung werden Phasenverschiebungs-Lasersensoren verwendet, um die Oberflächenebenheit, Dicke und kleine Maßänderungen von Produkten zu messen und so die Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung zu unterstützen.
Wissenschaftliche Forschung: In Bereichen wie der Physik und den Materialwissenschaften wird die Phasenverschiebungsmethode verwendet, um die mikroskopische Struktur und Eigenschaften von Materialien zu untersuchen, beispielsweise um die Dicke dünner Filme zu messen und die Oberflächenrauheit zu analysieren.
Triangulationsmethode: Ein Präzisionswerkzeug für die Messung ultrakurzer Distanzen
Prinzip:
Die Triangulationsmethode basiert auf der geometrischen Triangulation, bei der die bekannten Positionen von Lasersender und -empfänger sowie der reflektierte Laserstrahl ein Dreieck bilden. Der Laserstrahl wird zum Ziel gesendet und zum Empfänger zurückreflektiert. Durch Messung der Winkeldifferenz𝜃zwischen den emittierten und reflektierten Strahlen und unter Verwendung der bekannten Basislinienentfernung𝐿zwischen Sender und Empfänger, der Abstand𝑑zum Ziel kann mit der Formel berechnet werden:
Wo𝐿ist der bekannte Basislinienabstand zwischen Sender und Empfänger und𝜃ist der Winkel des reflektierten Strahls.
Triangulation ist ein geometrisches Messverfahren, das auf Dreiecksbeziehungen basiert. Dabei wird ein Laserpunkt auf das zu messende Objekt projiziert und das vom Objekt reflektierte Licht in einem bestimmten Winkel auf das CMOS-Sensorelement gerichtet. Die Position des Lichtpunkts auf der CMOS-Zeile ändert sich je nach Entfernung des Objekts. So lässt sich auch bei sehr geringen Abständen die Entfernung zum Objekt präzise bestimmen.
Hochpräzise Messung auf ultrakurze Distanz: Das Triangulationsverfahren, bekannt für seine extrem hohe Messgenauigkeit und Stabilität, wird häufig in Bereichen wie der Verarbeitung elektronischer Komponenten, der Halbleiterherstellung und der Präzisionsbearbeitung eingesetzt. Es ermöglicht die präzise Messung kleiner Maßänderungen, wie etwa der Linienbreite auf Chips und der Maßtoleranzen von Komponenten.
Automobilherstellung: Im Automobilherstellungsprozess werden Triangulationslasersensoren zur präzisen Ausrichtung beim Karosserieschweißen, zur Oberflächenqualitätsprüfung vor dem Lackieren und zur Kontrolle der Montagegenauigkeit von Teilen verwendet.
Robotik und Automatisierung: In Roboter-Vision-Systemen werden Lasersensoren auf Basis des Triangulationsprinzips zur 3D-Rekonstruktion, Haltungsschätzung und Pfadplanung eingesetzt, wodurch die Intelligenz von Robotern gesteigert wird.
Solarphotovoltaik: In der Solarphotovoltaikindustrie werden Triangulationslasersensoren verwendet, um Oberflächenebenheiten, Risse und Flecken auf Photovoltaikmodulen zu erkennen und so die Produktqualität und die Effizienz der Stromerzeugung sicherzustellen.
Auswahlkriterien für Laser-Distanzsensoren und Wegsensoren
Produkt | Laser-Wegsensor | Laser-Distanzsensor | ||
Serie | GFL-G-Serie | GFL-Z-Serie | GFL-Y-Serie | DA-Y- und DB-Y-Serie |
Messtechnik | Triangulationsmethode | Flugzeit: Phasenverschiebungsmethode | ||
Messbereich | 30 mm (±4); 50 mm (±10); 85 mm (±20); 120 mm (±60); 250 mm (±150) | 30 mm (±5); 50 mm (±15); 100 mm (±35); 200 mm (±80); 400 mm (±200); | 0,1 - 1 m; 0,1 - 2 m; 0,1 - 5 m; 0,1 - 10 m; 0,1 - 20 m; 0,1 - 50 m; | 0,2 - 10 m; 0,2 - 20 m; 0,2 - 30 m; 0,2 - 50 m; 0,2 - 100 m; |
Auflösung | Min. 2 μm; Max. 75 μm | — | 1 mm | 1 mm |
Wiederholbarkeit | — | Min. 10 μm, Max. 800 μm | — | — |
Lasertyp | Klasse II, Wellenlänge: 655 nm | Klasse II, Wellenlänge: 655 nm | Klasse II, Wellenlänge: 655 + 10 nm | Klasse II, Wellenlänge: 660±15 nm |
Schutzklasse: | IP64 | IP60 | IP67 | IP67 |
Unterstützte Schnittstellen | RS485 / Schaltausgang / Analog (4 bis 20 mA oder 0 bis 5 V) | RS485 / Schaltausgang / Analog (4 bis 20 mA oder 0 bis 5 V) | RS232 / RS485 / Schaltausgang / Analog (4 bis 20 mA oder 0 bis 5 V) | |
Funktion | Wird hauptsächlich zur Messung kleiner Verschiebungsänderungen oder Abweichungen der Oberflächenposition eines Objekts verwendet. Der Schwerpunkt liegt typischerweise auf hochpräzisen dynamischen oder statischen Verschiebungen relativ zu einem Referenzpunkt (z. B. Vibration, Verformung, Ebenheit usw.). | Konzentriert sich auf die Messung der absoluten Entfernung zwischen zwei Punkten (z. B. die Luftlinie vom Sensor zu einem Objekt). Es eignet sich für statische Szenarien mittlerer bis großer Reichweite oder für langsame dynamische Szenarien. | ||
Typische Anwendungen | Industrielle Inspektion: • Messung der Dicke, Ebenheit und Rundheit von Bauteilen (zB Lager, Späne). • Echtzeit-Qualitätskontrolle an Produktionslinien (z. B. Erkennen von Maßabweichungen bei Produkten). | Vermessung und Bau: • Geländekartierung, Gebäudehöhenmessung. • Räumliche Distanzkalibrierung bei Innenrenovierungen. | ||
Dynamische Überwachung: • Mechanische Schwingungsanalyse (zB Betriebszustand von Motoren, Turbinen). • Materialverformungsprüfungen (zB Mikrobewegungen in Brücken und Gebäudestrukturen). | Robotik und autonome Navigation: • Hindernisvermeidung und Navigation (z. B. Roboterstaubsauger, Drohnen). • Überwachung des Sicherheitsabstands zwischen den Fahrzeugen. | |||
Präzisionsbearbeitung: • Überwachung des Werkzeugverschleißes in Werkzeugmaschinen. • 3D-Scannen und Rekonstruktion des Oberflächenprofils. | Sicherheit und Überwachung: • Perimeterschutz (Erkennung der Eindringlingsdistanz). • Geschwindigkeitsmessung bei Sportveranstaltungen (zB Leichtathletik, Rennen). | |||
Messziel | Relative Verschiebungsänderungen (Minute, dynamisch) | Absolute Distanz (statisch oder langsam dynamisch) | ||
Genauigkeit | Mikrometer- bis Nanometerebene | Millimeter- bis Zentimeterebene | ||
Messbereich | Kurz (typischerweise wenige Millimeter bis mehrere Meter) | Groß (mehrere Meter bis Kilometer) | ||
Typische Szenarien | Industrielle Inspektion, Schwingungsanalyse | Vermessung, Roboternavigation, Sicherheit | ||
Unterlagen
Technisches Datenblatt
Bedienungsanleitung
