Come funzionano i sensori di distanza laser?
I sensori laser fanno parte dei sensori optoelettronici e, grazie al principio di misurazione senza contatto e all’elevata precisione, sono idonei per il rilevamento di oggetti, la misurazione della corsa, della posizione e della distanza. I sensori di distanza laser di wenglor funzionano secondo il principio della misurazione del tempo di volo e il procedimento della triangolazione laser. Entrambe le procedure misurano le distanze con la luce laser e le visualizzano come valori di distanza.
Quando viene utilizzato un sensore di triangolazione e quando un sensore a tempo di volo?
Sensori di triangolazione a corto raggio
Sensori a tempo di volo per grandi distanze
Possibilità di impiego di sensori laser per la misurazione della distanza
Controllo di presenza
Misurazione dello spessore
Controllo diametro
Calcolo del bordo
Posizionamento
Posizionamento dei robot
Monitoraggio altezza pile
Misurazione delle parti
Misurazione delle differenze
Riconoscimento contrasto
Controllo doppio strato
Settori e industrie in cui vengono utilizzati i sensori laser di distanza
Sensori di triangolazione
Sensori a tempo di volo
Il principio della triangolazione
Con questa tecnologia i sensori di distanza sono in grado di riconoscere piccoli dettagli. Il principio della triangolazione viene utilizzato dai sensori di distanza CP, OCP, YP, serie P3 e PNBC.
I sensori di triangolazione hanno una zona cieca?
I sensori che funzionano secondo il principio della triangolazione possiedono una cosiddetta zona cieca. Questo dipende dalla distanza dalla quale la luce riflessa viene riflessa sull’elemento di ricezione (riga CMOS ). Se la luce riflessa non colpisce la riga CMOS, non è possibile effettuare alcuna misurazione. La zona cieca si trova al di sotto dell’area di lavoro e fa sì che gli oggetti che si trovano in quest’area non vengano riconosciuti e non vengano emessi valori di misurazione.
Campo di lavoro: 40…160 mm
Zona cieca: 0…40 mm
Barra di ricezione CMOS
La riga CMOS è un ricevitore sensibile alla luce con un’ampia gamma di pixel che consente di valutare in quale posizione la luce laser colpisce la riga. La carica elettrica nei pixel dei sensori CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) viene convertita in tensione. La distribuzione della luce sulla riga CMOS consente di determinare la posizione dell’oggetto.
Questi aspetti devono essere considerati quando si montano i sensori di triangolazione
Oggetti rotondi, lucidi e riflettenti
Se si misurano superfici lucide o rotonde, durante l’installazione del sensore è necessario assicurarsi che non cadano riflessi diretti sull’elemento di ricezione.
Suggerimento: orientare il sensore in modo che sia posizionato in un asse con l’oggetto circolare.
Gradini, bordi, incavi
Per tutti i sensori di distanza è necessario prestare attenzione che il raggio di ricezione venga visto direttamente e non venga coperto da un ostacolo, come ad es. un bordo, un gradino, fori o fessure.
Suggerimento: orientare il sensore ortogonale rispetto all’andamento della fessura!
Elementi in movimento
Gli oggetti da misurare in movimento sono ad esempio i nastri trasportatori. È importante che l’oggetto si muova in direzione ortogonale rispetto al sensore. In questo modo si evitano riflessi diretti sul ricevitore.
Suggerimento: Montare il sensore in posizione ortogonale!
Bordi colorati
Quando si effettua la misurazione su oggetti con transizioni di colore, i cosiddetti bordi colorati, è importante che il bordo colorato sia ortogonale al sensore. In questo modo si evitano errori di colore.
Suggerimento: montare il sensore in posizione ortogonale!
Questa è la differenza tra lenti sferiche e asferiche
Lente sferica
La lente ha una superficie sferica
La luce che entra nella zona del bordo viene spezzata più intensamente che nella zona centrale
Il raggruppamento dei raggi di luce causa una perdita di precisione
Lente asferica
La lente ha una curvatura irregolare
Il fascio di luce viene spezzato in modo uniforme sull’intera superficie
La forma della lente riduce gli errori di immagine
Il punto focale viene rappresentato con precisione sulla riga
Elevata precisione di misurazione
Il principio del tempo di volo (time of flight)
I sensori laser per la misurazione della distanza a tempo di volo ToF (Time-of-Flight) combinano risultati di misurazione riproducibili, affidabilità e un ampio campo di misurazione. Sono quindi adatti per diverse applicazioni su distanze fino a cento metri con riflettori o dieci metri su oggetti.
Il principio di misurazione Time-of-Flight, detto anche misurazione del tempo di volo, rileva la distanza L dall’oggetto tramite impulsi luminosi. Il diodo nel sensore emette impulsi laser riflessi dall’oggetto. Viene misurato l’intervallo di tempo tra l’emissione dell’impulso luminoso e l’oggetto e viceversa. Dal tempo T e dalla velocità della luce C risulta quindi la distanza dall’oggetto corrispondente.
Per determinare la distanza viene utilizzata la seguente formula fisica:
Il principio di misurazione time-of-flight viene utilizzato dai sensori di distanza P1PY, P2PY, P1KY e OY .
L’essenziale in sintesi sulla velocità della luce
I sensori a tempo de volo ToF hanno una zona cieca?
I sensori a tempo di volo non hanno una zona cieca. Nell’area al di sotto del campo di impostazione è possibile riconoscere oggetti e il sensore commuta, ma non può fornire risultati di misurazione.
A quale copertura del punto luminoso commuta il sensore?
Con l’aumento della luce estranea, come ad es. la luce solare o l’illuminazione, l’oggetto diventa apparentemente più scuro per il sensore. In questi casi, un’area più ampia del punto luminoso deve colpire l’oggetto per garantire un rilevamento affidabile.
A causa dell’ottica del sensore, c’è anche una piccola quantità di luce diffusa che si verifica al di fuori del punto luce vero e proprio. In caso di superfici molto riflettenti e lucide, ciò può causare il riconoscimento dell’oggetto prima che il punto luce lo raggiunga effettivamente. Pertanto, è importante evitare strutture lucide fastidiose in prossimità del fascio di luce.
Sensori a tempo di volo con catarifrangente
Questo principio di funzionamento è particolarmente vantaggioso quando si devono evitare misurazioni errate dovute a oggetti sullo sfondo. Un tipico esempio di applicazione è il controllo di trasportatori aerei, in cui la distanza dal veicolo che precede deve essere sempre rilevata in modo affidabile. Soprattutto durante la marcia in curva si evita che le misurazioni vengano eseguite erroneamente su oggetti sullo sfondo, poiché questi potrebbero portare a comandi di comando errati.
Inoltre, questa tecnologia è ideale per applicazioni che richiedono un ampio campo di lavoro.
I campi di lavoro del tempo di volo e della triangolazione a confronto
Legenda
Zona rossa: Zona cieca (gli oggetti non vengono riconosciuti in modo sicuro)
Zona verde: Area di lavoro (gli oggetti vengono riconosciuti in modo sicuro)
Zona gialla: Campo di regolazione / campo di misurazione (impostazione dei punti d’intervento / emissione dei valori di misura)
Emissione di valori di distanza
Uscita di commutazione digitale
Tramite le uscite di commutazione digitali è possibile inizializzare le distanze con l’ausilio del teach-in. Non appena viene raggiunta la distanza inizializzata, il sensore emette un segnale di commutazione sull’uscita. In questo modo è possibile riconoscere oggetti e rilevare posizioni.
Uscita analogica
IO-Link
Industrial ethernet
Che cosa si intende per accuratezza?
Precisione | La precisione, detta anche ripetibilità, può essere determinata con misure consecutive in condizioni costanti. Un valore molto preciso fornisce pertanto misure pressoché costanti. La ripetibilità quantifica la precisione di un sensore. |
|---|---|
Esattezza | L’esattezza è un valore qualitativo. Viene definita dalla deviazione di linearità, dalla deriva termica, dalla deriva di commutazione e dalla deviazione della distanza di commutazione. |
L'immagine mostra come esattezza, precisione e accuratezza siano correlate tra loro. I punti rossi rappresentano le misure consecutive di un sensore, mentre il target indica il valore corretto. Se i valori misurati sono molto distanti e lontani dal target, la precisione e l'esattezza sono ridotte. Idealmente, le misure dovrebbero essere corrette e accurate, il che significa che sono vicine l’una all’altra all’interno dell’area target.
Riproducibilità e linearità a confronto: Quando viene utilizzato quale valore?
misurazione assoluta
compiti di posizionamento
Situazione di base
Viene eseguita una misurazione della distanza e viene determinato lo scostamento massimo possibile. Viene sempre misurato sullo stesso oggetto, in modo che non si verifichino errori di colore. La temperatura ambiente può variare di 10 °C.
Valori della scheda tecnica:
- Riproducibilità: 3 mm
- Differenza di linearità: 10 mm
- Deriva termica: 0,4 mm/K
Calcolo
Precisione (riproducibilità) + esattezza (deviazione linearità, deriva termica) = precisione
3 mm + 10 mm + (0,4 mm * 10 °C) = 17 mm
Da cosa dipende la precisione dei risultati di misurazione?
I sensori di distanza laser a tempo di volo (ToF) raggiungono elevati campi di misura fino a 10 m su oggetti e 100 m su riflettori. I sensori di distanza laser a triangolazione sono invece molto precisi. Il campo di misurazione è tuttavia limitato a max. 1.000 mm. Per ottimizzare la precisione dei sensori per la misurazione della distanza, esistono diverse impostazioni che possono essere effettuate a seconda dell’applicazione. In questo modo è possibile aumentare ulteriormente l’accuratezza grazie alle funzioni di filtraggio.
Classi laser e loro modalità di azione
Le classi laser forniscono informazioni sui potenziali pericoli del laser per l’uomo. I sensori con luce laser sono suddivisi in diverse classi laser secondo la norma EN 60825-1 a seconda del grado di pericolo. Si distinguono le classi laser 1, 2, 2M, 3R e 3B più comuni. Per i sensori di distanza laser di wenglor vengono utilizzate solo le classi laser 1 e 2 non pericolose per l’occhio umano.
| Descrizione | |
|---|---|
| Classe laser 1 | I dispositivi con classe laser 1 sono assolutamente sicuri per l’occhio umano e non richiedono alcuna protezione. |
| Classe laser 2 | Gli apparecchi con classe laser 2 hanno una potenza maggiore, ma sono sicuri anche in caso di irradiazione breve. Tuttavia, è necessario apporre avvertenze. |
| Classe laser 2M | Anche gli apparecchi con classe laser 2M non sono pericolosi in caso di irraggiamento breve. La differenza rispetto alla classe laser 2 è che con dispositivi ottici, come ad esempio una lente d’ingrandimento che potrebbe costituire un pericolo. |
| Classe laser 3R | Le macchine con classe laser 3R possono essere pericolose se viste direttamente nel raggio laser. Per questo motivo sono necessarie misure di protezione. |
| Classe laser 3B | Gli apparecchi con classe laser 3B sono pericolosi per gli occhi e spesso anche per la pelle. Per questo motivo sono necessarie misure di protezione adeguate. |
Uso previsto dei laser rossi e blu
I sensori di distanza laser di wenglor funzionano con luce laser rossa o blu. L’utilizzo della luce rossa o blu dipende dall’applicazione. La luce laser rossa ha una lunghezza d’onda di 650 nm. I laser blu lavorano con una lunghezza d’onda di 405 nm e hanno quindi una lunghezza d’onda più corta. Di conseguenza, il raggio laser blu penetra meno in profondità nell’oggetto da misurare e fornisce risultati precisi e stabili. In particolare le superfici incandescenti non sono influenzate dal laser blu. I sensori di distanza laser con diodo blu sono particolarmente adatti per superfici organiche, metalli lucidati, superfici in plastica lucida o vernici scure.
Qual è la differenza tra luce normale e luce laser?
Luce normale
| Direzione di propagazione | Le onde luminose diffondono in tutte le direzioni |
|---|---|
| Lunghezze d’onda | Composto da molte lunghezze d’onda diverse |
| Uguaglianza di fase | Onde oscillano fuori fase |
Luce laser
| Le onde luminose sono fortemente orientate |
| Composto da una lunghezza d’onda (monocromaticità) |
| Oscillazione alberi sincrona |
Perché esiste una luce laser rossa e blu?
Lunghezza d’onda colore rosso: 640 – 675 nm
Cos’è la luce
Questo è il colore
Questo è il laser
Il termine “laser” sta per “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (amplificazione della luce attraverso l’emissione stimolata di radiazioni). Un fascio laser può essere generato in un’ampia gamma dello spettro ottico. In parole povere, ciò significa che le onde luminose equidistanti vengono concentrate ad alta concentrazione in un unico raggio.
Differenze tra sensori di distanza laser e sensori a ultrasuoni
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