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
Secteurs et industries dans lesquels des capteurs de distance laser sont utilisés
Capteurs de triangulation
Capteurs à temps de transit
Le principe de triangulation
Cette technologie permet aux capteurs de distance de détecter de très petits détails. Le principe de triangulation est utilisé par les capteurs de distance CP, OCP, YP, P3 et PNBC.
Les capteurs à triangulation ont-ils une zone aveugle ?
Les capteurs fonctionnant selon le principe de la triangulation possèdent une zone dite aveugle, qui dépend de la distance à laquelle la lumière réfléchie est reproduite sur l’élément de réception (ligne CMOS). Si la lumière réfléchie n’atteint pas la ligne CMOS, aucune mesure ne peut être effectuée. La zone aveugle se situe en dessous de la plage de travail et a pour conséquence que les objets qui se trouvent dans cette zone ne sont pas détectés et qu’aucune valeur de mesure n’est émise.
Plage de travail : 40…160 mm
Zone aveugle : 0…40 mm
La ligne de réception CMOS
La ligne CMOS est un élément récepteur photosensible avec une multitude de pixels. Ces derniers permettent d’évaluer la position à laquelle la lumière laser frappe la ligne. La charge électrique dans les pixels des capteurs CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) est convertie en une tension. La position de l’objet peut être déterminée à partir de la répartition de la lumière sur la ligne CMOS.
Ce dont il faut tenir compte lors de l’installation de capteurs à triangulation
Objets ronds, brillants, réfléchissants
Si l’on mesure des surfaces brillantes ou rondes, il faut veiller, lors du montage du capteur, à ce qu’aucune réflexion directe ne tombe sur l’élément récepteur.
Conseil : Orienter le capteur de manière à ce qu’il soit positionné sur un axe avec l’objet rond.
Marches, arêtes, creux
Pour tous les capteurs de distance, il faut veiller à ce que le faisceau de réception soit vu directement et ne soit pas masqué par un obstacle tel qu’un bord, une marche, un trou ou une fente.
Conseil : Aligner le capteur orthogonalement au tracé de la fente !
Objets en mouvement
Les objets de mesure en mouvement sont par exemple des convoyeurs à bandes. Il est important que l’objet se déplace orthogonalement par rapport au capteur. Cela permet d’éviter les réflexions directes vers le récepteur.
Conseil : Monter le capteur de manière orthogonale !
Bords de couleur
Lors de la mesure d’objets présentant des transitions de couleur, appelées bords colorés, il est important que le bord coloré soit orthogonal au capteur. Cela permet d’éviter les erreurs de couleur.
Conseil : Installer le capteur de manière orthogonale !
La différence entre les lentilles sphériques et asphériques
Lentille sphérique
La lentille a une surface sphérique
La lumière incidente dans la zone périphérique est plus fortement réfractée que dans la zone centrale
La focalisation des rayons lumineux entraîne une perte de précision
Lentille asphérique
La lentille a une courbure irrégulière
Le faisceau lumineux est réfracté uniformément sur toute la surface
La forme de la lentille réduit les erreurs d’imagerie
Le point focal est reproduit avec précision sur la ligne
Très grande précision de mesure
Le principe du temps de vol de la lumière (Time-of-Flight)
Les capteurs laser pour la mesure de distance à temps de vol (ToF ou Time-of-Flight) allient résultats de mesure reproductibles, fiabilité et grande plage de mesure. Ils sont ainsi adaptés à différentes applications sur des distances allant jusqu’à cent mètres avec des réflecteurs ou dix mètres sur des objets.
Le principe de mesure à temps de vol, également appelé mesure du temps de parcours de la lumière, détermine la distance L par rapport à l’objet par des impulsions lumineuses. La diode du capteur émet des impulsions laser qui sont réfléchies par l’objet. L’intervalle de temps entre l’émission de l’impulsion lumineuse vers l’objet et son retour est mesuré. La distance correspondante à l’objet est alors calculée à partir du temps T et de la vitesse de la lumière C.
Pour déterminer la distance, on utilise la formule physique suivante :
Le principe de mesure du temps de vol est utilisé par les capteurs de distance P1PY, P2PY, P1KY et OY.
L’essentiel sur la vitesse de la lumière en un coup d’œil
Les capteurs à temps de vol ont-ils une zone aveugle ?
Les capteurs de temps de vol n’ont pas de zone aveugle. Dans la zone située en dessous de la plage de réglage, des objets peuvent être détectés et le capteur commute, mais ne peut pas fournir de résultats de mesure.
À quel niveau de couverture du spot lumineux le capteur commute-t-il ?
En cas d’augmentation de la lumière parasite, telle que la lumière du soleil ou l’éclairage, l’objet devient apparemment plus sombre pour le capteur. Dans de tels cas, une plus grande zone du spot lumineux doit toucher l’objet pour garantir une détection fiable.
En raison de l’optique du capteur, une petite quantité de lumière diffusée apparaît également en dehors du spot lumineux. En cas de surfaces très réfléchissantes et brillantes, cela risque d’entraîner la détection de l’objet avant même que le spot lumineux n’atteigne ce dernier. Il est donc important d’éviter la présence de structures brillantes gênantes à proximité du spot lumineux.
Capteurs à temps de vol avec réflecteur
Ce mode de fonctionnement est particulièrement avantageux lorsqu’il s’agit d’éviter les mesures erronées dues à des objets situés en arrière-plan. La commande de convoyeurs aériens fait partie des exemples d’application types dans lesquelles la distance par rapport au véhicule qui précède doit toujours être détectée avec fiabilité. En particulier dans les virages, cela permet d’éviter que des mesures soient effectuées sur des objets en arrière-plan par erreur, ces dernières risquant également d’entraîner des ordres de commande erronés.
Cette technologie est également idéale pour les applications nécessitant de grandes plages de travail.
Comparaison des plages de travail entre temps de transit et triangulation
Légendes
Zone rouge : Zone aveugle (les objets ne sont pas reconnus de manière fiable)
Zone verte : Plage de travail (les objets sont reconnus de manière fiable)
Zone jaune : Plage de réglage/plage de mesure (fixer les points de commutation/les valeurs de mesure sont émises)
Édition de valeurs de distance
Sortie de commutation numérique
Sortie analogique
IO-Link
Ethernet industriel
Qu’entend-on par exactitude?
Précision | La précision, également appelée répétabilité, peut être déterminée par des mesures successives dans des conditions constantes. Une valeur très précise fournit donc des mesures presque constantes. La précision d’un capteur est quantifiée par sa reproductibilité. |
|---|---|
Justesse | La justesse est une valeur qualitative. Elle est définie par l’écart de linéarité, la dérive en température, la dérive au démarrage et l’écart de distance de commutation. |
Le graphique illustre la manière dont la justesse, la précision et l’exactitude sont liées. Les points rouges représentent les mesures successives d’un capteur, tandis que la cible indique la valeur correcte. Si les valeurs mesurées sont très espacées et éloignées de la cible, cela signifie que la précision et l’exactitude sont faibles. Idéalement, les mesures devraient être correctes et précises, ce qui signifie qu’elles devraient être proches les unes des autres dans la fourchette cible.
Tableau comparatif des valeurs de reproductibilité et de linéarité : Quand utiliser quelle valeur ?
mesure absolue
tâches de positionnement
Situation de départ
Une mesure de distance est effectuée et l’écart maximal possible est déterminé. La mesure est toujours effectuée sur le même objet, de sorte qu’il n’y a pas d’erreur de couleur. La température ambiante peut varier de 10 °C.
Valeurs tirées de la fiche technique :
- Reproductibilité : 3 mm
- Écart de linéarité : 10 mm
- Dérive en température : 0,4 mm/K
Calcul
Précision (reproductibilité) + justesse (écart de linéarité, dérive en température) = exactitude
3 mm + 10 mm + (0,4 mm * 10 °C) = 17 mm
De quoi dépend la précision des résultats de mesure ?
Les capteurs de distance laser à temps de vol atteignent des plages de mesure élevées allant jusqu’à 10 m sur des objets et 100 m sur des réflecteurs. Les capteurs de distance laser à triangulation sont en revanche très précis. La plage de mesure est toutefois limitée à 1 000 mm maximum. Afin d’optimiser la précision des capteurs pour la mesure de la distance, il existe différents réglages qui peuvent être effectués en fonction de l’application. Ainsi, la précision peut encore être améliorée grâce à des fonctions de filtre.
Les classes de laser et leurs modes d’action
Les classes de laser donnent des informations sur le danger potentiel du laser pour l’homme. Les capteurs à lumière laser sont répartis en différentes classes de laser selon le degré de dangerosité, conformément à la norme EN 60825-1. On distingue les classes de laser courantes 1, 2, 2M, 3R et 3B. Les capteurs de distance laser de wenglor n’utilisent que des lasers de classe 1 et 2, inoffensifs pour l’œil humain.
| Description | |
|---|---|
| Laser de classe 1 | Les appareils de classe laser 1 sont absolument inoffensifs pour l’œil humain et aucune mesure de protection n’est nécessaire. |
| Laser de classe 2 | Les appareils de classe laser 2 disposent d’une puissance plus élevée, mais sont également sûrs en cas d’exposition de courte durée. Des avertissements doivent toutefois être apposés. |
| Laser de classe 2M | Les appareils de classe laser 2M sont également inoffensifs en cas d’exposition de courte durée. La différence avec la classe laser 2 réside dans le fait qu’un danger peut survenir avec des appareils optiques tels qu’une loupe. |
| Laser der classe 3R | Les appareils de classe laser 3R peuvent être dangereux si l’on regarde directement dans le faisceau laser. Des mesures de protection sont donc nécessaires à cet effet. |
| Laser de classe 3B | Les appareils de classe laser 3B sont dangereux pour les yeux et souvent aussi pour la peau. Des mesures de protection appropriées sont donc nécessaires. |
Utilisations des lasers rouges et bleus
Les capteurs de distance laser de wenglor fonctionnent avec une lumière laser rouge ou bleue. L’utilisation de la lumière rouge ou bleue dépend de l’application. La lumière laser rouge a une longueur d’onde de 650 nm. Les lasers bleus fonctionnent avec une longueur d’onde de 405 nm et ont donc une longueur d’onde plus courte. Par conséquent, le faisceau laser bleu pénètre moins profondément dans l’objet mesuré, ce qui permet d’obtenir des résultats précis et stables. Les surfaces incandescentes, en particulier, ne sont pas affectées par le laser bleu. Les capteurs de distance laser à diode bleue sont très bien adaptés aux surfaces organiques, aux métaux polis, aux surfaces plastiques brillantes ou aux peintures foncées.
Quelle est la différence entre la lumière ordinaire et la lumière laser ?
Lumière ordinaire
| Direction de la propagation | Les ondes lumineuses se dispersent dans toutes les directions |
|---|---|
| Longueurs d’onde | Composées de nombreuses longueurs d’onde différentes |
| Égalité de phase | Les ondes vibrent en déphasage |
Lumière laser
| Les ondes lumineuses sont fortement dirigées |
| Consiste en une longueur d’onde (monochromaticité) |
| Les ondes vibrent de manière synchrone |
Pourquoi existe-t-il une lumière laser rouge et une lumière laser bleue ?
Longueur d’onde Couleur rouge : 640 – 675 nm
C’est de la lumière
C’est la couleur
C’est du laser
Le terme « laser » signifie « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). Un faisceau laser peut être généré dans une large partie du spectre optique. Pour simplifier, cela signifie que des ondes lumineuses de même direction sont concentrées en un seul faisceau.
Différences entre les capteurs de distance laser et les capteurs à ultrasons
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