Comment fonctionnent les capteurs de distance laser ?
Les capteurs laser font partie des capteurs optoélectroniques et se prêtent à la détection d’objets, à la mesure de déplacement, de position et de distance grâce à leur principe de mesure sans contact et à leur grande précision. Les capteurs de distance laser de wenglor fonctionnent selon le principe de la mesure du temps de parcours de la lumière et le procédé de triangulation laser. Dans les deux cas, les distances sont mesurées à l’aide d’une lumière laser, puis transmises sous forme de valeur de distance.
Quand utilise-t-on un capteur à triangulation et quand utilise-t-on un capteur à temps de transit ?
Capteurs à triangulation pour la zone proche
Capteurs à temps de transit pour grandes distances
Possibilités d’utilisation des capteurs laser pour la mesure de distance
Contrôle de présence
Mesure de l’épaisseur
Contrôle du diamètre
Comptage des bords
Positionnement
Positionnement du robot
Surveillance de la hauteur d’empilement
Mesure des pièces
Mesure différentielle
Détection de contrastes
Contrôle des doubles couches
Lazer mesafe sensörlerin kullanıldığı sektörler ve endüstriler
Triangülasyon sensörleri
Sensores de distancia láser
El principio de triangulación
Con esta tecnología, los sensores de distancia pueden detectar detalles muy pequeños. El principio de triangulación se utiliza en los sensores de distancia CP, OCP, YP, serie P3 y PNBC.
¿Tienen los sensores de triangulación una zona ciega?
Los sensores que funcionan según el principio de triangulación disponen de lo que se conoce como zona ciega. Esta depende de la distancia a la que se representa la luz reflejada sobre el elemento de recepción (línea CMOS ). Si la luz reflejada no incide en la línea CMOS, no se puede realizar la medición. La zona ciega está por debajo del área de trabajo y hace que los objetos que se encuentran en esta zona no se detecten y no se emitan valores de medición.
Zona de trabajo: 40…160 mm
Zona ciega: 0…40 mm
La línea de recepción CMOS
La línea CMOS es un elemento de recepción sensible a la luz con un gran número de píxeles. A través de esta se evalúa en qué posición alcanza la luz láser la línea. La carga eléctrica en los píxeles de los sensores CMOS (semiconductores de óxido metálico complementario) se transforma en una tensión. Mediante la distribución de luz en la línea CMOS se puede determinar la posición del objeto.
Esto debe tenerse en cuenta al instalar los sensores de triangulación
Objetos redondos, brillantes y reflectantes
Si se miden superficies brillantes o redondas, durante el montaje del sensor se debe tener en cuenta que no se produzcan reflexiones directas sobre el elemento receptor.
Consejo: Orientar el sensor de forma que quede posicionado en un eje con el objeto redondo.
Escalones, cantos, hendiduras
En todos los sensores de distancia debe prestarse atención a que el haz de recepción sea visible directamente y no esté cubierto por un obstáculo, como, por ejemplo, un borde, escalón, orificios o rendijas.
Consejo: ¡Alinear el sensor ortogonalmente al recorrido de la hendidura!
Objetos en movimiento
Los objetos de medición móviles son, por ejemplo, cintas transportadoras. Es importante que el objeto se mueva ortogonalmente hacia el sensor. De este modo se evitan reflexiones directas hacia el receptor.
Consejo: Montar el sensor ortogonalmente.
Bordes de color
Al medir en objetos con transiciones de color, los llamados bordes de color, es importante que el borde de color sea ortogonal al sensor. De este modo, se evitan los errores de color.
Consejo: montar el sensor ortogonalmente.
Diferencia entre lentes esféricas y asféricas
Lente esférica
La lente tiene una superficie esférica
La luz incidente en la zona del borde se refracta más que en la zona central
La concentración de los rayos de luz provoca una pérdida de precisión
Lente asférica
La lente presenta una curvatura irregular
El haz de luz se refleja uniformemente en toda la superficie
La forma de la lente reduce los errores de imagen
El punto focal se representa con precisión en la línea
Precisión de medida muy alta
El principio de tiempo de tránsito (Time-of-Flight)
Los sensores láser para la medición de distancias a tiempo de vuelo (ToF o Time-of-Flight) combinan resultados de medición reproducibles, fiabilidad y un amplio rango de medición. De este modo, son adecuados para diferentes aplicaciones en distancias de hasta cien metros con reflectores o diez metros con objetos.
El principio de medición del tiempo de vuelo, también conocido como medición del tiempo de tránsito, determina la distancia L al objeto mediante impulsos de luz. El diodo del sensor emite impulsos láser reflejados por el objeto. El intervalo de tiempo se mide desde la emisión del pulso de luz al objeto y de vuelta. A partir del tiempo T y de la velocidad de la luz C resulta la distancia correspondiente al objeto.
Para calcular la distancia se utiliza la siguiente fórmula física:
Los sensores de distancia P1PY, P2PY, P1KY y OY utilizan el principio de medición del tiempo de vuelo.
Lo más importante sobre la velocidad de la luz de un vistazo
¿Tienen los sensores ToF una zona ciega?
Los sensores de distancia láser no tienen zona ciega. En el área por debajo del rango de ajuste se pueden detectar objetos y el sensor conmuta, pero no puede proporcionar ningún resultado de medición.
¿Con qué cobertura del punto luminoso conmuta el sensor?
Si aumenta la luz externa, p. ej., la luz solar o la iluminación, el objeto se oscurece aparentemente para el sensor. En estos casos, debe incidir un área más grande del punto de luz sobre el objeto para garantizar una detección fiable.
Debido a la óptica del sensor, también hay una pequeña cantidad de luz difusa que se produce fuera del punto de luz real. En el caso de superficies muy reflectantes y brillantes, esto puede provocar que el objeto ya se reconozca antes de que el punto luminoso llegue a él. Por lo tanto, es importante evitar estructuras brillantes molestas cerca del haz de luz.
Sensores de tiempo de tránsito con espejo
Este principio de funcionamiento es especialmente ventajoso cuando se deben evitar mediciones erróneas por objetos de fondo. Un ejemplo de aplicación típico es el control de transportadores suspendidos, donde la distancia respecto del vehículo precedente debe registrarse siempre de forma fiable. Especialmente en recorridos con curvas, se evita que las mediciones se realicen erróneamente sobre objetos en segundo plano, ya que estos podrían provocar órdenes de control erróneas.
Además, esta tecnología es ideal para aplicaciones que requieren amplios rangos de trabajo.
Comparación de los rangos del tiempo de propagación de la luz y la triangulación
Legende
Roter Bereich: Blindbereich (Objekte werden nicht sicher erkannt)
Grüner Bereich: Arbeitsbereich (Objekte werden sicher erkannt)
Gelber Bereich: Einstellbereich / Messbereich (Schaltpunkte setzen / Messwerte werden ausgegeben)
Ausgabe von Distanzwerten
Digitaler Schaltausgang
IO-Link
Was versteht man unter Genauigkeit?
Präzision | Die Präzision, auch Wiederholgenauigkeit genannt, lässt sich durch aufeinanderfolgende Messungen unter gleichbleibenden Bedingungen ermitteln. Ein sehr präziser Wert liefert daher nahezu gleichbleibende Messungen. Die Präzision eines Sensors wird durch die Reproduzierbarkeit quantifiziert. |
|---|---|
Richtigkeit | Die Richtigkeit ist ein qualitativer Wert. Sie wird durch Linearitätsabweichung, Temperaturdrift, Einschaltdrift und Schaltabstandsabweichung definiert. |
Die Abbildung verdeutlicht, wie Richtigkeit, Präzision und Genauigkeit miteinander in Zusammenhang stehen. Die roten Punkte stellen aufeinanderfolgende Messungen eines Sensors dar, während die Zielscheibe den richtigen Wert angibt. Wenn die Messwerte weit auseinander und weit vom Ziel entfernt liegen, bedeutet dies eine geringe Präzision und Richtigkeit. Im Idealfall sollten die Messungen richtig und genau sein, was bedeutet, dass sie innerhalb des Zielbereichs dicht beieinander liegen.
Reproduzierbarkeit und Linearität im Vergleich: Wann wird welcher Wert verwendet?
Absolute Messung
Positionieraufgaben
Ausgangslage
Es wird eine Abstandsmessung durchgeführt und die maximal mögliche Abweichung bestimmt. Es wird immer am gleichen Objekt gemessen, sodass keine Farbfehler auftreten. Die Umgebungstemperatur kann um 10 °C abweichen.
Werte aus dem Datenblatt:
- Reproduzierbarkeit: 3 mm
- Linearitätsabweichung: 10 mm
- Temperaturdrift: 0,4 mm/K
Berechnung
Präzision (Reproduzierbarkeit) + Richtigkeit (Linearitätsabweichung, Temperaturdrift) = Genauigkeit
3 mm + 10 mm + (0,4 mm * 10 °C) = 17 mm
Von was hängt die Genauigkeit der Messergebnisse ab?
Laserdistanzsensoren Time-of-Flight erreichen hohe Messbereiche bis zu 10 m auf Objekte und 100 m auf Reflektoren. Laser-Distanzsensoren Triangulation sind dagegen sehr genau. Der Messbereich ist jedoch auf maximal 1.000 mm begrenzt. Um die Genauigkeit der Sensoren zur Distanzmessung zu optimieren, gibt es verschiedene Einstellungen, die je nach Anwendungsfall vorgenommen werden können. So kann die Genauigkeit durch Filterfunktionen weiter erhöht werden.
Laserklassen und ihre Wirkungsweisen
Laserklassen geben Auskunft über die potenzielle Gefährdung des Lasers für den Menschen. Sensoren mit Laserlicht werden nach EN 60825-1 je nach Gefährdungsgrad in verschiedene Laserklassen eingeteilt. Man unterscheidet die gängigen Laserklassen 1, 2, 2M, 3R und 3B. Bei den Laser-Distanzsensoren von wenglor kommen nur die für das menschliche Auge ungefährlichen Laserklassen 1 und 2 zum Einsatz.
| Beschreibung | |
|---|---|
| Laserklasse 1 | Geräte mit Laserklasse 1 sind absolut unbedenklich für das menschliche Auge und es sind keine Schutzmaßnahmen erforderlich. |
| Laserklasse 2 | Geräte mit Laserklasse 2 verfügen über eine höhere Leistung, sind jedoch bei kurzzeitiger Bestrahlung ebenfalls sicher. Es müssen allerdings Warnhinweise angebracht werden. |
| Laserklasse 2M | Geräte mit Laserklasse 2M sind bei kurzzeitiger Bestrahlung ebenfalls ungefährlich. Der Unterschied zur Laserklasse 2 besteht darin, dass mit optischen Geräten, wie z. B. einer Lupe, eine Gefährdung entstehen kann. |
| Laserklasse 3R | Geräte mit Laserklasse 3R können bei direktem Blick in den Laserstrahl gefährlich sein. Aufgrund dessen sind hierfür Schutzmaßnahmen erforderlich. |
| Laserklasse 3B | Geräte mit Laserklasse 3B sind für die Augen und häufig auch für die Haut gefährlich. Aufgrund dessen sind entsprechende Schutzmaßnahmen erforderlich. |
Einsatzzwecke von roten und blauen Lasern
Die Laser-Distanzsensoren von wenglor arbeiten mit rotem oder blauem Laserlicht. Ob rotes oder blaues Licht verwendet wird, hängt von der Anwendung ab. Rotes Laserlicht hat eine Wellenlänge von 650 nm. Blaue Laser arbeiten mit einer Wellenlänge von 405 nm und haben somit eine kürzere Wellenlänge. Daher dringt der blaue Laserstrahl weniger tief in das Messobjekt ein und liefert präzise und stabile Ergebnisse. Insbesondere glühende Oberflächen werden durch den blauen Laser nicht beeinflusst. Laser-Distanzsensoren mit blauer Diode eignen sich sehr gut für organische Oberflächen, polierte Metalle, glänzende Kunststoffoberflächen oder dunkle Lacke.
Was ist der Unterschied zwischen gewöhnlichem Licht und Laserlicht?
Gewöhnliches Licht
| Ausbreitungsrichtung | Lichtwellen streuen in alle Richtungen |
|---|---|
| Wellenlängen | Bestehen aus vielen verschiedene Wellenlängen |
| Phasengleichheit | Wellen schwingen phasenverschoben |
Laserlicht
| Lichtwellen sind stark gerichtet |
| Besteht aus einer Wellenlänge (Monochromatizität) |
| Wellen schwingen synchron |
Warum gibt es rotes und blaues Laserlicht?
Wellenlänge Farbe Rot: 640 - 675 nm
Das ist Licht
Das ist Farbe
Das ist Laser
Der Begriff „Laser“ steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Ein Laserstrahl kann in einem weiten Bereich des optischen Spektrums erzeugt werden. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass gleichgerichtete Lichtwellen in hoher Konzentration zu einem Strahl gebündelt werden.
Unterschiede zwischen Laserdistanzsensoren und Ultraschallsensoren
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