Jste zde

Princip laserových snímačů vzdálenosti s triangulačním principem měření

Antonín Vojáček, 13. Červenec 2015 - 0:00

Jak pracují optické laserové snímače vzdálenosti s triangulačním principem měření? To si můžete připomenout v následujícím článku...

V posledních měsících bylo možné si na stránkách serveru http://automatizace.hw.cz přečíst několik recenzí k novinkám na poli laserových snímačů pro přesné měření či spolehlivou detekci vzdálenosti pohybujících se předmětů - viz např. články Novinka - Nerezový snímač měření vzdálenosti a detekce předmětů Banner Q4X nebo Optické snímače pro přesné měření vzdálenosti – Leuze ODSL 9.

Uvedené snímače pro své přesné měření využívají jinou metodu než například klasické difuzní optosnímače. Využívá se zde triangulace, tedy triangulačního principu měření vzdálenosti. Pojďme si tedy připomenout, jak takový princip měření u snímačů funguje.

Triangulační princip měření

Triangulační princip měření moderních laserových snímačů vychází ze situace, že pokud se paprsek odráží od detekovaného předmětu pod konstantním úhlem, je vzdálenost dopadu odraženého paprsku na čelo senzoru úměrná vzdálenosti detekovaného předmětu od čela senzoru. Prakticky se tak nevyhodnocuje intenzita dopadajícího paprsku či doba jeho letu, ale místo, kam zpět odražený paprsek dopadl. Díky tomu je detekce výrazně spolehlivější a odolnější proti rušení, protože podmínka detekovatelnosti je dána pouze schopnosti optického přijímače senzoru zaznamenat dopad odraženého paprsku, ať již má jakoukoliv intenzitu větší než minimální detekovatelnou.

Konkrétně zde se u snímače vysílá z polovodičového laseru světelný paprsek, který vytváří na cílovém objektu světelný bod. Z něho odražené světlo pak dopadá na vstupní čočku optického přijímače pod určitým úhlem, který závisí na vzdálenosti cílového předmětu od čela snímače. Tento úhel dopadu na čočku se pak za čočkou opět vyhodnocuje jako vzdálenost světelného bodu na dopadové světlocitlivé ploše přijímače tvořené známým CCD senzorem, která ve výsledku odpovídá vzdálenosti snímaného objektu od snímače.

Protože snímací plocha CCD senzoru přijímače má limitované rozměry, je i měřící rozsah vždy limitován v rozsahu od … do. Konkrétní rozsah je pak dán optikou snímače a velikostí plochy CCD senzoru. Navíc tento princip umožňuje použít snímač i univerzálněji, než jen pro měření vzdálenosti k předmětu. Umožňuje totiž provozovat jak režim s potlačeným pozadím, tak s potlačeným popředím a měřit i tloušťku průhledných či průsvitných homogenních předmětů a ploch. V tomto případě se totiž na přijímači (na jeho CCD senzoru) vytvoří prostě jen dvě světelné stopy (část odraženého světla od horní vrstvy a část světla odražena od 2. vrstvy = podkladu). Dvě detekční místa totiž umožňují detekovat a rozlišit jak požadovaný předmět, tak například dopravní pás či podložku, na které jsou položeny.

Trigonometrický princip funkce snímače Micro-Epsilon optoNCDT 1402 - v závislosti na vzdálenosti snímaného předmětu od čela snímače se mění vzdálenost odraženého světelného bodu na přijímači v rozmezí hodnot A až B (dané optikou snímače).

Obecné vlastnosti měření snímačů s triangulačním principem

U snímačů s triangulačním principem obecně platí, že s rostoucím měřícím rozsahem se snižuje hodnota linearity a rozlišení měření. Proto také dost často mají takové snímače uváděny ve svých parametrech dvě či více hodnot rozlišení pro různé rozsahy vzdáleností měřícího rozsahu. Čím větší vzdálenost, tím menší je rozlišení. Je to dáno jednak nastavením optiky přijímače daného snímače, ale pak hlavně faktem, že stejná změna vzdálenosti (např. 10 mm) generuje blíže k čelu snímače větší změnu úhlu odraženého paprsku, než daleko od čela snímače. Protože samotné rozlišení přijímače je pevně definované (přijímač je schopen rozlišit jen nějakou minimální změnu úhlu odraženého světelného paprsku), je na větších vzdálenostech možné rozlišit jen větší rozdíly.

Graficky znázorněná celá funkce snímače a reakce výstupů při měření vzdálenosti předmětu.

Jako zdroj světla se obvykle využívá polovodičová laserová dioda s výkonem 1 mW pracující na vlnové délce červeného světla cca 650 - 670 nm. Přijímač obvykle je již zmíněný CCD snímač, jehož elektrický signál zpracovává rychlý signálový procesor (DSP). Ten z pozice světelného budu na přijímači rychle spočítá skutečnou vzdálenost. Ta je pak následně v řídícím procesoru buď převedena na výstupní analogový signál nebo digitální hodnotu pro vyslání po sběrnici pro vyslání nadřazenému systému (např. PLC) k dalšímu zpracování, nebo je aktuální vzdálenost porovnána s nastavenými spínacími hranicemi a následně jsou aktivovány či deaktivovány spínané výstupy snímače. Přesný výstupní rozsah snímače a nastavení výstupů se obvykle dolaďuje pomocí samoučícího „teach-in“ režimu ovládaného prostřednictvím tlačítek a indikačních LED nebo malého displeje na snímači.

U některých snímačů pak je dokonce možné provádět i měření tloušťky průsvitných / průhledných vrstev objektů, kdy do přijímače přichází více než jeden odražený paprsek. Pro tento účel je zde možnost určit rozhodovací úroveň signálů vzniklých na senzoru přijímače a tím tedy určit jaké odrazy budou registrovány, a které již nikoliv.

Příklad snímače Micro-Epsilon optoNCDT 1402, u kterého lze nastavením rozhodovací úrovně definovat, jaké vrstvy průhledného objektu budou použity pro měřené vzdálenosti.

Závěr

Výše uvedená metoda triangulace je všeobecně mezi výrobci snímačů stále oblíbenější. Náklady na výrobu takových snímačů totiž poklesly do té míry, že se pomalu začínají blížit cenám kvalitních difuzních optických snímačů, přičemž poskytují nesrovnatelně lepší detekční schopnosti, hlavně z hlediska spolehlivosti.

Zatímco klasické difuzní snímače mají velkou nectnost v odlišné citlivosti na předměty různých barev a ve snadném ošálení velmi dobře odrazným pozadím, u snímačů využívajících triangulačního principu nic takového prakticky nehrozí, protože detekce objektu se provádí na úrovni přesného zjištění jeho vzdálenosti a ne přes vyhodnocení intenzity (množství) odraženého světla. V budoucnu se tak možná dočkáme situace, že cenový rozdíl mezi dnes "klasickými difuzními závorami" a snímači s triangulací bude tak nízký, že již klasické jednoduché "difuzáky", jak je známe dnes, nebude mít smysl používat.