Wie funktionieren Laser-Distanzsensoren?
Lasersensoren gehören zu den optoelektronischen Sensoren und eignen sich aufgrund des berührungslosen Messprinzips und der hohen Genauigkeit zur Objekterkennung, Weg-, Positions- und Abstandsmessung. Die Laser-Distanzsensoren von wenglor arbeiten nach dem Prinzip der Lichtlaufzeitmessung und dem Verfahren der Lasertriangulation. Bei beiden Verfahren werden Entfernungen mit Laserlicht gemessen und als Abstandswert ausgegeben.
Wann wird ein Triangulationssensor und wann ein Lichtlaufzeitsensor verwendet?
Triangulationssensoren für den Nahbereich
Einsatzmöglichkeiten von Lasersensoren zur Distanzmessung
Anwesenheitskontrolle
Dickenmessung
Durchmesserkontrolle
Kantenzählung
Positionierung
Roboterpositionierung
Stapelhöhenüberwachung
Teilevermessung
Differenzmessung
Kontrasterkennung
Doppellagenkontrolle
Branchen und Industrien, in denen Laserdistanzsensoren eingesetzt werden
Triangulationssensoren
Lichtlaufzeitsensoren
Das Triangulationsprinzip
Mit dieser Technologie können Distanzsensoren sehr kleine Details erkennen. Das Triangulationsprinzip wird von den Distanzsensoren CP, OCP, YP, P3-Serie und PNBC verwendet.
Haben Triangulationssensoren einen Blindbereich?
Sensoren, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten, besitzen einen sogenannten Blindbereich. Dieser ist abhängig von der Entfernung, aus der das reflektierte Licht auf das Empfangselement (CMOS-Zeile) abgebildet wird. Trifft das reflektierte Licht nicht auf die CMOS-Zeile, kann keine Messung erfolgen. Der Blindbereich liegt unterhalb des Arbeitsbereichs und führt dazu, dass Objekte, die sich in diesem Bereich befinden, nicht erkannt werden und keine Messwerte ausgegeben werden.
Arbeitsbereich: 40...160 mm
Blindbereich: 0...40 mm
Die CMOS-Empfangszeile
Die CMOS-Zeile ist ein lichtempfindliches Empfangselement mit einer Vielzahl von Pixeln. Über diese wird ausgewertet, an welcher Position das Laserlicht auf die Zeile auftrifft. Die elektrische Ladung in den Pixeln der CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) wird in eine Spannung umgewandelt. Anhand der Lichtverteilung auf der CMOS-Zeile kann die Position des Objekts bestimmt werden.
Das ist beim Einbau von Triangulationssensoren zu beachten
Runde, glänzende, spiegelnde Objekte
Werden glänzende oder runde Oberflächen gemessen, sollte beim Einbau des Sensors beachtet werden, dass keine direkten Reflexionen auf das Empfangselement fallen.
Tipp: Sensor so ausrichten, dass er in einer Achse mit dem runden Objekt positioniert ist.
Stufen, Kanten, Vertiefungen
Bei allen Abstandssensoren sollte darauf geachtet werden, dass der Empfangsstrahl direkt gesehen und nicht durch ein Hindernis wie bspw. eine Kante, Stufe, Löcher oder Spalte abgedeckt wird.
Tipp: Sensor orthogonal zum Spaltverlauf ausrichten!
Bewegte Objekte
Bewegte Messobjekte sind beispielsweise Förderbänder. Wichtig ist, dass sich das Objekt orthogonal zum Sensor bewegt. Dadurch werden direkte Reflexionen zum Empfänger vermieden.
Tipp: Sensor orthogonal einbauen!
Farbkanten
Bei der Messung an Objekten mit Farbübergängen, sogenannten Farbkanten, ist es wichtig, dass die Farbkante orthogonal zum Sensor verläuft. Dadurch werden Farbfehler vermieden.
Tipp: Sensor orthogonal einbauen!
Das ist der Unterschied zwischen sphärischen und asphärischen Linsen
Sphärische Linse
Linse hat eine kugelförmige Oberfläche
Einfallendes Licht am Randbereich wird stärker gebrochen als im zentralen Bereich
Bündelung der Lichtstrahlen führt zu Präzisionsverlust
Asphärische Linse
Linse hat eine ungleichmäßige Krümmung
Lichtstrahl wird über die gesamte Fläche gleichmäßig gebrochen
Linsenform reduziert Abbildungsfehler
Fokuspunkt wird präzise auf der Zeile abgebildet
Sehr hohe Messgenauigkeit
Das Lichtlaufzeitprinzip (Time-of-Flight)
Die Lasersensoren zur Distanzmessung ToF (Time-of-Flight) verbinden reproduzierbare Messergebnisse, Zuverlässigkeit und einen großen Messbereich. Dadurch sind sie für verschiedene Anwendungen auf Distanzen bis zu hundert Meter mit Reflektoren bzw. zehn Meter auf Objekte geeignet.
Das Time-of-Flight-Messprinzip, auch Lichtlaufzeitmessung genannt, ermittelt den Abstand L zum Objekt durch Lichtimpulse. Die Diode im Sensor sendet Laserimpulse aus, die vom Objekt reflektiert werden. Gemessen wird das Zeitintervall vom Aussenden des Lichtimpulses zum Objekt und wieder zurück. Aus der Zeit T und der Lichtgeschwindigkeit C ergibt sich dann der entsprechende Abstand zum Objekt.
Um den Abstand zu bestimmen, wird folgende physikalische Formel verwendet:
Das Time-of-Flight-Messprinzip wird von den Distanzsensoren P1PY, P2PY, P1KY und OY verwendet.
Das Wichtigste über die Lichtgeschwindigkeit auf einen Blick
Haben ToF-Sensoren einen Blindbereich?
Lichtlaufzeit-Sensoren haben keinen Blindbereich. Im Bereich unterhalb des Einstellbereiches können Objekte erkannt werden und der Sensor schaltet, kann aber keine Messergebnisse liefern.
Bei welcher Abdeckung des Lichtflecks schaltet der Sensor?
Bei zunehmendem Fremdlicht, wie z.B. Sonnenlicht oder Beleuchtung, wird das Objekt für den Sensor scheinbar dunkler. In solchen Fällen muss ein größerer Bereich des Lichtflecks das Objekt treffen, um eine zuverlässige Erkennung zu gewährleisten.
Aufgrund der Optik des Sensors gibt es auch einen kleinen Anteil an Streulicht, das außerhalb des eigentlichen Lichtflecks auftritt. Bei stark reflektierenden, glänzenden Oberflächen kann dies dazu führen, dass das Objekt bereits erkannt wird, bevor der Lichtfleck es tatsächlich erreicht. Deshalb ist es wichtig, störende, glänzende Strukturen in der Nähe des Lichtstrahls zu vermeiden.
Lichtlaufzeitsensoren mit Reflektor
Dieses Funktionsprinzip ist besonders vorteilhaft, wenn Fehlmessungen durch Hintergrundobjekte vermieden werden sollen. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Steuerung von Hängeförderanlagen, bei der der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug stets zuverlässig erfasst werden muss. Insbesondere bei Kurvenfahrten wird verhindert, dass Messungen fälschlicherweise auf Objekte im Hintergrund erfolgen, da diese zu fehlerhaften Steuerbefehlen führen könnten.
Darüber hinaus eignet sich diese Technologie ideal für Anwendungen, die große Arbeitsbereiche erfordern.
Die Arbeitsbereiche von Lichtlaufzeit und Triangulation im Vergleich
Legende
Roter Bereich: Blindbereich (Objekte werden nicht sicher erkannt)
Grüner Bereich: Arbeitsbereich (Objekte werden sicher erkannt)
Gelber Bereich: Einstellbereich / Messbereich (Schaltpunkte setzen / Messwerte werden ausgegeben)
Ausgabe von Distanzwerten
Digitaler Schaltausgang
IO-Link
Was versteht man unter Genauigkeit?
Präzision | Die Präzision, auch Wiederholgenauigkeit genannt, lässt sich durch aufeinanderfolgende Messungen unter gleichbleibenden Bedingungen ermitteln. Ein sehr präziser Wert liefert daher nahezu gleichbleibende Messungen. Die Präzision eines Sensors wird durch die Reproduzierbarkeit quantifiziert. |
|---|---|
Richtigkeit | Die Richtigkeit ist ein qualitativer Wert. Sie wird durch Linearitätsabweichung, Temperaturdrift, Einschaltdrift und Schaltabstandsabweichung definiert. |
Die Abbildung verdeutlicht, wie Richtigkeit, Präzision und Genauigkeit miteinander in Zusammenhang stehen. Die roten Punkte stellen aufeinanderfolgende Messungen eines Sensors dar, während die Zielscheibe den richtigen Wert angibt. Wenn die Messwerte weit auseinander und weit vom Ziel entfernt liegen, bedeutet dies eine geringe Präzision und Richtigkeit. Im Idealfall sollten die Messungen richtig und genau sein, was bedeutet, dass sie innerhalb des Zielbereichs dicht beieinander liegen.
Reproduzierbarkeit und Linearität im Vergleich: Wann wird welcher Wert verwendet?
Absolute Messung
Positionieraufgaben
Ausgangslage
Es wird eine Abstandsmessung durchgeführt und die maximal mögliche Abweichung bestimmt. Es wird immer am gleichen Objekt gemessen, sodass keine Farbfehler auftreten. Die Umgebungstemperatur kann um 10 °C abweichen.
Werte aus dem Datenblatt:
- Reproduzierbarkeit: 3 mm
- Linearitätsabweichung: 10 mm
- Temperaturdrift: 0,4 mm/K
Berechnung
Präzision (Reproduzierbarkeit) + Richtigkeit (Linearitätsabweichung, Temperaturdrift) = Genauigkeit
3 mm + 10 mm + (0,4 mm * 10 °C) = 17 mm
Von was hängt die Genauigkeit der Messergebnisse ab?
Laserdistanzsensoren Time-of-Flight erreichen hohe Messbereiche bis zu 10 m auf Objekte und 100 m auf Reflektoren. Laser-Distanzsensoren Triangulation sind dagegen sehr genau. Der Messbereich ist jedoch auf maximal 1.000 mm begrenzt. Um die Genauigkeit der Sensoren zur Distanzmessung zu optimieren, gibt es verschiedene Einstellungen, die je nach Anwendungsfall vorgenommen werden können. So kann die Genauigkeit durch Filterfunktionen weiter erhöht werden.
Laserklassen und ihre Wirkungsweisen
Laserklassen geben Auskunft über die potenzielle Gefährdung des Lasers für den Menschen. Sensoren mit Laserlicht werden nach EN 60825-1 je nach Gefährdungsgrad in verschiedene Laserklassen eingeteilt. Man unterscheidet die gängigen Laserklassen 1, 2, 2M, 3R und 3B. Bei den Laser-Distanzsensoren von wenglor kommen nur die für das menschliche Auge ungefährlichen Laserklassen 1 und 2 zum Einsatz.
| Beschreibung | |
|---|---|
| Laserklasse 1 | Geräte mit Laserklasse 1 sind absolut unbedenklich für das menschliche Auge und es sind keine Schutzmaßnahmen erforderlich. |
| Laserklasse 2 | Geräte mit Laserklasse 2 verfügen über eine höhere Leistung, sind jedoch bei kurzzeitiger Bestrahlung ebenfalls sicher. Es müssen allerdings Warnhinweise angebracht werden. |
| Laserklasse 2M | Geräte mit Laserklasse 2M sind bei kurzzeitiger Bestrahlung ebenfalls ungefährlich. Der Unterschied zur Laserklasse 2 besteht darin, dass mit optischen Geräten, wie z. B. einer Lupe, eine Gefährdung entstehen kann. |
| Laserklasse 3R | Geräte mit Laserklasse 3R können bei direktem Blick in den Laserstrahl gefährlich sein. Aufgrund dessen sind hierfür Schutzmaßnahmen erforderlich. |
| Laserklasse 3B | Geräte mit Laserklasse 3B sind für die Augen und häufig auch für die Haut gefährlich. Aufgrund dessen sind entsprechende Schutzmaßnahmen erforderlich. |
Laserklassen geben Auskunft über die potenzielle Gefährdung des Lasers für den Menschen. Sensoren mit Laserlicht werden nach EN 60825-1 je nach Gefährdungsgrad in verschiedene Laserklassen eingeteilt. Man unterscheidet die gängigen Laserklassen 1, 2, 2M, 3R und 3B. Bei den Laser-Distanzsensoren von wenglor kommen nur die für das menschliche Auge ungefährlichen Laserklassen 1 und 2 zum Einsatz.
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Laserklasse 1
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Beschreibung
Geräte mit Laserklasse 1 sind absolut unbedenklich für das menschliche Auge und es sind keine Schutzmaßnahmen erforderlich.
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Laserklasse 2
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Beschreibung
Geräte mit Laserklasse 2 verfügen über eine höhere Leistung, sind jedoch bei kurzzeitiger Bestrahlung ebenfalls sicher. Es müssen allerdings Warnhinweise angebracht werden.
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Laserklasse 2M
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Beschreibung
Geräte mit Laserklasse 2M sind bei kurzzeitiger Bestrahlung ebenfalls ungefährlich. Der Unterschied zur Laserklasse 2 besteht darin, dass mit optischen Geräten, wie z. B. einer Lupe, eine Gefährdung entstehen kann.
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Laserklasse 3R
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Beschreibung
Geräte mit Laserklasse 3R können bei direktem Blick in den Laserstrahl gefährlich sein. Aufgrund dessen sind hierfür Schutzmaßnahmen erforderlich.
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Laserklasse 3B
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Beschreibung
Geräte mit Laserklasse 3B sind für die Augen und häufig auch für die Haut gefährlich. Aufgrund dessen sind entsprechende Schutzmaßnahmen erforderlich.
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Einsatzzwecke von roten und blauen Lasern
Die Laser-Distanzsensoren von wenglor arbeiten mit rotem oder blauem Laserlicht. Ob rotes oder blaues Licht verwendet wird, hängt von der Anwendung ab. Rotes Laserlicht hat eine Wellenlänge von 650 nm. Blaue Laser arbeiten mit einer Wellenlänge von 405 nm und haben somit eine kürzere Wellenlänge. Daher dringt der blaue Laserstrahl weniger tief in das Messobjekt ein und liefert präzise und stabile Ergebnisse. Insbesondere glühende Oberflächen werden durch den blauen Laser nicht beeinflusst. Laser-Distanzsensoren mit blauer Diode eignen sich sehr gut für organische Oberflächen, polierte Metalle, glänzende Kunststoffoberflächen oder dunkle Lacke.
Was ist der Unterschied zwischen gewöhnlichem Licht und Laserlicht?
Gewöhnliches Licht
| Ausbreitungsrichtung | Lichtwellen streuen in alle Richtungen |
|---|---|
| Wellenlängen | Bestehen aus vielen verschiedene Wellenlängen |
| Phasengleichheit | Wellen schwingen phasenverschoben |
Laserlicht
| Lichtwellen sind stark gerichtet |
| Besteht aus einer Wellenlänge (Monochromatizität) |
| Wellen schwingen synchron |
Warum gibt es rotes und blaues Laserlicht?
Wellenlänge Farbe Rot: 640 - 675 nm
Das ist Licht
Das ist Farbe
Das ist Laser
Der Begriff „Laser“ steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Ein Laserstrahl kann in einem weiten Bereich des optischen Spektrums erzeugt werden. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass gleichgerichtete Lichtwellen in hoher Konzentration zu einem Strahl gebündelt werden.
