Jste zde

Přesné laserové snímače optoNCDT 1402

Antonín Vojáček, 31. Prosinec 2011 - 13:38

V mnoha případech je potřeba přesně, ale jednoduše a nepříliš draze měřit vzdálenosti. Pro tento účel velmi dobře mohou posloužit laserové snímače optoNCDT 1402 měřící v rozsahu 20 až 800 mm s přesností již od 0,6 mikrometrů!

Pod názvem optoNCDT 1402 společnosti Micro-Epsilon se skrývá laserový snímač s integrovaným digitálním signálním procesorem a je koncipován pro měření vzdálenosti, odstupu a polohy. Snímač měří bezdotykově odstupy u širokého spektra materiálových povrchů. Přizpůsobí se úkolu měření díky otočné kabelové přípojce a komunikačnímu rozhraní RS-422. Variabilní doba osvitu se přizpůsobuje měřenému objektu.

Konkrétně řada optoNCDT 1402 se vyznačuje klasickým pouzdrem, zatímco provedení optoNCDT 1402SC využívá pouzdro z oceli V4A odolné proti korozi a odpovídá všem požadavkům potravinářského průmyslu. Snímač je díky tomu odolný proti čištění oceli vysokým tlakem a agresivním čistícím a dezinfekčním prostředkům, jako peroxidu vodíku a jiným alkalickým prostředkům, i čistícím přípravkům s obsahem chlóru. Ostatní funkční parametry jsou však stejné se základním modelem.

Základní vlastnosti řady optoNCDT 1402 a 1402SC:

Kompaktní provedení s integrovanou elektronikou
Nastavitelný přenosový výkon měření
Spoušťový obvod a funkce teach-in
Volba maxima
Technologie CMOS
Nastavitelný analogový výstup
Rozhraní RS-422
Rozsáhlá paleta měřících rozsahů

Princip měření

Uvedené snímače pro své přesné měření využívají jinou metodu než například klasické difusní optosnímače. Využívá se zde triangulace, tedy triangulačního principu měření vzdálenosti. Zde se 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 dopadnul. 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 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).

Podrobnější popis snímačů optoNCDT 1402

Celá tato řada snímačů je podle měřícího rozsahu (5 až 600 mm) rozdělena celkem do 8 typů, jejichž konkrétní označení právě obsahuje onu hodnotu rozsahu (Measuring range). Mimo to se s rostoucím rozsahem i mění parametr minimální měřící vzdálenosti (SMR parametr) a tím logicky i hodnota maximální měřitelné vzdálenosti (EMR parametr):

Měřící rozsahy a limity jednotlivých snímačů zástupců řady optoNCDT 1402 společnosti Micro-Epsilon.

Jak je z tabulky patrné samozřejmě s rostoucím měřícím rozsahem se naopak snižuje i hodnota linearity a rozlišení měření (resolution), které také závisí na tom, zda se zapne průměrování x naměřených hodnot do jedné výsledné hodnoty (averaging). To sice na jedné straně poskytuje výrazně přesnější výsledky (2 až 5x větší přesnost), ale na druhou stranu samozřejmě vyžaduje více času na získání hodnot a zpracování a tedy nelze jej použít pro velmi rychlá měření (dynamic). Tu je možné nastavit pomocí sériového komunikačního rozhraní a výrobcem poskytovaného freewaru z PC na frekvenci měření od 50 Hz až do 1,5 kHz (tedy s periodou 20 až cca 0,6 ms). Bezpečně tedy lze detekovat i velmi rychle se pohybující předměty, např. lahve na dopravním pásu, u nichž se kontrolují správně nasazená víčka. Případně lze ještě i provádět ruční spuštění měření.

Se snímačem je 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.

Nastavením výše rozhodovací úrovně lze definovat, jaké vrstvy objektu budou použity pro měřené vzdálenosti.

Jako zdroj světla se využívá polovodičová laserová dioda s výkonem 1 mW pracující na vlnové délce červeného světla 670 nm. Světelný výkon vysílače lze nastavit. Přijímač je již zmíněný CCD snímač. Již elektrický signál z CCD již zpracovává rychlý signálový procesor (DSP), který z pozice světelného budu na přijímači rychle spočítá skutečnou vzdálenost s rozlišením na 14 bitů a tuto hodnotu následně vyšle po sériové datové sběrnici nebo prostřednictvím standardního analogového signálu 4/20 mA nadřazenému systému (např. PLC) k dalšímu zpracování (každý snímač má současně oba tyto výstupy). Přesný výstupní rozsah snímače se pak dolaďuje pomocí samoučícího „teach-in“ režimu.

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

Mimo to je k dispozici jeden spínaný výstup tvořený tranzistorem s otevřeným kolektorem pro indikaci přítomnosti předmětu v měřícím dosahu či chybu snímače a jeden binární logický vstup při externí řízení / spouštění měření (triggering). To se například hodí pro potřeby zajištění odměření vzdálenosti pouze v případě, že je před snímačem požadovaný předmět a lze jej například generovat spínaným signálem jiného snímače. Všechny vstupy / výstupy snímače i připojení napájení 11 až 30 VDC je situováno na jednom 12pinovém eurokonektoru. Celá tato elektronika se pak ukrývá v kvádrovém pouzdru s rozměry 65 x 20 x 48 mm (bez konektoru), které je buď v celoplastovém nebo celokovovém provedení, podle potřeby odolnosti snímače (viz výše). Čelo snímače obsahující optické čočky je však vždy plastové.