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激光測距傳感器的原理和應(yīng)用

發(fā)表時間:2022-07-27 22:13作者:興玄物聯(lián)科技

01 激光測距的特點

激光


英文名稱為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(簡稱LASER),意思為原子受激輻射的光,故稱激光,激光的產(chǎn)生原理,是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級,再從高能級回落到低能級的時候,所釋放的能量以光子的形式放出,被引誘(激發(fā))出來的光子束(激光)。

激光與普通光源相比,具有單色性、高亮度、方向性等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研實驗等各個領(lǐng)域,激光測距便是其中應(yīng)用較為廣泛的一項技術(shù)。


特點


激光測距技術(shù)是一項非接觸式的工業(yè)測量技術(shù),與傳統(tǒng)的接觸式測距技術(shù)相比具有以下的特點:

  1. 激光測距時,無需與測量表面進(jìn)行接觸,物體的表面不會產(chǎn)生形變

  2. 激光測距時被測物體表面不會發(fā)生磨損,降低了額外的損失

  3. 在很多特殊的環(huán)境下,沒有條件用常規(guī)測量工具接觸測量,只能使用激光測距技術(shù)

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02 三種常見的激光測距原理

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(1)激光脈沖測距法


激光脈沖測距法工作時,先由激光發(fā)射二極管對準(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,并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。通過測量光脈沖往返待測點的時間,乘以光速并除以2,計算出被測目標(biāo)的距離,計算公式如下:

D = ct/2

其中,D:測量點A、B間的距離,c:光速,t:光脈沖往返A(chǔ)B兩點間1次所需時間


(2)激光相位測距


激光相位測距的原理,是將一低頻調(diào)制信號對發(fā)射光波的光強進(jìn)行調(diào)制, 利用測定“調(diào)制光波”往返于被測距離的相位差, 間接求得待測距離D。其距離的一般計算公式為:

D = ct / 2 = c/2 * ?/2πf

其中,?:調(diào)制光在距離為 2D 上的相位差, c : 調(diào)制光的傳播速度, t : 調(diào)制光在待測距離往返一次所需要的時間,   f : 調(diào)制光的頻率。

如下圖所示, A 表示調(diào)制光波的發(fā)射點, B 表示安置反射器的地點, A′表示所發(fā)出的調(diào)制光波經(jīng)反射器反射后的接收地點。AA′兩點間的距離即是待測距離D的2倍。故: ? =N1·2π+Δ?1 , 由于N1并不是一個定值, 所以這可能引起多值解。為解決這一問題, 我們常采用多個頻率的調(diào)制信號來測定同一距離。該頻率在相位測距中也稱為測尺頻率,測尺頻率的波長稱為測尺長度,當(dāng)被測距離小于測尺長度時, 則不存在多值解,由于測尺長度越大,測量精度就越低,所以出于精度的考慮,我們需要將測尺長度控制在合適的范圍內(nèi)。

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(3)激光三角法測距

使一束激光以特定角度照射到待測物體的參考位置上,然后激光在待測物體上會發(fā)生散射、漫反射,將光敏傳感器件放置在另一特定位置接收經(jīng)透鏡匯聚后的散射光、漫反射光。待測物體發(fā)生位移后,再使一束激光以特定角度照射到待測物體的待測位置上,將光敏傳感器期間放置在同一特定位置接收此時的散射光、漫反射光,因為待測物體位移前后激光散射漫反射后的光路不同,光敏傳感器件上光斑中心位置也不同,將前后兩次光斑中心位置代入幾何三角關(guān)系中,從而計算出物體的位移距離。

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03 相位式激光測距的應(yīng)用


相位式激光測距傳感器的應(yīng)用非常廣泛,其測量距離從幾十米到幾百米不等,精度一般在毫米級,與工業(yè)中大多數(shù)的應(yīng)用需求相符合,相位式激光測距傳感器的用途包括尺寸測量、位置測量、液位測量、形變監(jiān)測、海嘯/泥石流等自然災(zāi)害監(jiān)測、定位等,根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和工況,其作用也不同:



(1)金屬工業(yè)

例如金屬切割應(yīng)用中,我們常常需要切割指定規(guī)格指定長度的金屬,通過將激光測距設(shè)備安裝在切割設(shè)備上,對切割長度進(jìn)行監(jiān)測,準(zhǔn)確進(jìn)行切割。此外還包括鋼鐵的鍛造和灌裝等,由于金屬鍛造時溫度很高,激光測距傳感器可以無接觸的對金屬的鍛造工藝過程進(jìn)行監(jiān)測和控制,提高了工藝生產(chǎn)的效率。

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(2)橋梁建筑

通過激光測距傳感器對橋梁的上下橋面進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測桁架傾斜和變形;此外如歷史建筑,包括教堂建筑等,對其進(jìn)行保護不僅符合業(yè)主的利益,而且也是對業(yè)主的尊重。通過我們的激光測距傳感器,我們可以監(jiān)測這些建筑物的微小“移動”,以并對它們進(jìn)行細(xì)致的監(jiān)測和保護。

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(3)軌道鐵路

鐵路的軌道監(jiān)測包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測,鐵路隧道形變監(jiān)測,山區(qū)鐵路巖層的泥石流監(jiān)測等

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(4)倉儲物流

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