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Tecnologia dei sensori laser per la misurazione della distanza

I sensori di distanza laser misurano posizioni e distanze senza contatto con la luce laser. Sono precisi e possono essere utilizzati sia su grandi distanze che nelle distanze brevi. Questi sensori sono ideali per il rilevamento preciso della posizione e della distanza o per il rilevamento di oggetti indipendentemente dal colore e dalla superficie.

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?

Rappresentazione principio della triangolazione

Sensori di triangolazione a corto raggio

Rilevamento preciso di distanze a corto raggio fino a 1 m

Riconoscimento di oggetti molto piccoli o differenze di distanza

Differenza di linearità < 1 mm

Misurazioni molto rapide

Misurazione su diverse forme e superfici

Elevata precisione fino a micron

Sensori a tempo di volo per grandi distanze

Rilevamento di grandi distanze fino a 100 m con riflettori

Campo di lavoro fino a 10 m sull’oggetto

Differenza di linearità > 10 mm

Insensibili alle interferenze

Elevata sicurezza contro la luce estranea

Misura riproducibile a 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

Industria del legno

Nella produzione di pavimenti in parquet, i listoni devono essere fresati alla larghezza corretta. Le superfici in legno variano da chiare a scure e da lucide a opache. Per poter posare correttamente i listoni, è necessario rispettare la larghezza nominale.

Sensore di distanza laser Immagine dell’applicazione misurazione di tavole di parquet

industria ferroviaria

Le linee aeree delle reti ferroviarie devono essere sottoposte a regolare manutenzione. A tale scopo vengono utilizzati speciali veicoli per la manutenzione con piattaforme di sollevamento. Per proteggerli da un’inclinazione eccessiva o da un ribaltamento involontario con la piattaforma di lavoro estratta, quattro sensori di distanza laser a triangolazione misurano con precisione la distanza esatta dal veicolo alla testa della rotaia a pochi micron.

Industria delle batterie

Per la produzione di batterie vengono utilizzate pellicole rivestite e lucide. Per rilevare il livello di riempimento dei dispositivi di avvolgimento, i sensori di distanza laser a triangolazione misurano la distanza esatta, indipendentemente dalla forma, dal colore o dalla superficie.

Industria meccanica

Nella costruzione della carrozzeria vengono utilizzati dadi saldati che vengono saldati automaticamente alle parti in lamiera per avvitare i gruppi costruttivi. Vengono posizionati in un dispositivo di saldatura su un mandrino prima che un robot posizioni e centri la parte della carrozzeria.

Industria elettronica

Nell’industria elettronica, i circuiti stampati sono fissati lateralmente e trasportati in moduli di trasporto, il che può causare la loro flessione. Per consentire al robot di saldatura di compensare questa flessione e ottenere la distanza ideale tra piastra e testa di saldatura, è necessario misurare la flessione delle schede.

Sensore di distanza laser Immagine dell’applicazione misurazione piste conduttrici

Industria automobilistica

Quando si estraggono automaticamente lamiere piatte da una riserva da un robot, a causa della carica magnetica, più lamiere possono aderire l’una all’altra. Per afferrare una sola lamiera per ogni processo di montaggio, è necessario rilevare lo spessore delle lamiere.

Sensori a tempo di volo

Logistica

Nei centri logistici i sistemi shuttle devono consegnare automaticamente le merci dal magazzino alla produzione. I sensori di distanza laser a tempo di volo ToF con wintec integrati su ciascuna faccia terminale rilevano tempestivamente le posizioni finali o le navette che avanzano nel campo visivo fino a dieci metri, in modo che le navette possano rallentare o fermarsi.

Industria delle bevande

Nell’industria delle bevande, le singole bottiglie e i contenitori di bottiglie devono essere posizionati dai bracci di presa durante il processo di riempimento e confezionamento automatizzato nelle applicazioni pick & place.

Industria alimentare

Quando si producono formaggi stagionati, è importante assicurarsi che la lastra sagomata a blocchi sia posizionata esattamente sul nastro trasportatore. I sensori laser di distanza a tempo di volo di wintec sono in grado di rilevare i blocchi di formaggio nel loro stato fresco e ancora lucido, indipendentemente dalle posizioni inclinate.

Industria dell’imballaggio

Durante il riempimento e la sigillatura di vassoi per alimenti trasparenti, la loro posizione e presenza su un nastro trasportatore multilinea deve essere rilevata in modo affidabile.

Industria metallurgica

Nell’industria siderurgica, i tubi incandescenti vengono trasportati su linee di trasporto per raffreddarsi dopo essere stati prodotti nei forni di colata. Per controllarli, occorre rilevare in modo affidabile la presenza dei pezzi grezzi caldi da 700 a 1.000 °C

Industria dei materiali edili

Dopo la produzione, le piastrelle di argilla cotte e rivestite finite vengono temporaneamente stoccate in magazzini per il raffreddamento e l’asciugatura. Vengono quindi prelevate e sottoposte a un controllo di qualità prima di raggiungere la linea di confezionamento.

Il principio della triangolazione

Il principio della triangolazione è una procedura di misurazione geometrica che sfrutta la relazione triangolare. Questo metodo proietta un punto luminoso sull’oggetto da misurare. L’oggetto riflette la luce e colpisce un elemento di ricezione CMOS sensibile alla luce all’interno del sensore con un determinato angolo. A seconda della distanza dell’oggetto cambia la posizione del punto luce sulla riga CMOS. In questo modo è possibile determinare con precisione la distanza dall’oggetto da misurare anche a distanze minime.

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.

Esempio CP24MHT80 Sensore di distanza laser a triangolazione:
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.

La riga CMOS consente una misurazione della distanza ad alta precisione e viene generalmente utilizzata nei sensori di distanza laser che si basano sul procedimento di triangolazione.

Questi aspetti devono essere considerati quando si montano i sensori di triangolazione

Per garantire un rilevamento e una misurazione il più stabili possibile, durante la taratura del sensore si devono osservare le seguenti avvertenze.

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:

L = ½ × C × T

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

La velocità della luce è una costante fondamentale della fisica. Nel vuoto è di 299.792.458 m/s. Non c'è nulla che si muova così velocemente come la 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.

I campi di lavoro del tempo di volo e della triangolazione a confronto

Il sensore nella parte superiore dell’immagine è un sensore a tempo di volo, mentre il sensore al di sotto funziona secondo il principio della triangolazione.

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

Tramite un’uscita analogica il valore della distanza viene emesso come corrente proporzionale lineare (4…20 mA) o valore di tensione (0…10 V). All’interno dell’intero campo di misurazione la curva caratteristica può essere impostata tramite Teach-in.

IO-Link

La tecnologia IO-Link viene utilizzata in tutto il mondo per la comunicazione standardizzata con sensori e attuatori. Si tratta di una comunicazione punto a punto.

Industrial ethernet

Industrial Ethernet è un termine generico per tutti gli standard Ethernet per la trasmissione di dati in tempo reale tra il controllo e il sensore. I protocolli appartenenti a Industrial Ethernet sono, ad esempio, EtherCAT, Ethernet/IP o PROFINET.

Che cosa si intende per accuratezza?

Un’elevata accuratezza significa che i risultati di misura attesi vengono raggiunti. Questo termine viene utilizzato solo per affermazioni qualitative. Pertanto non è una grandezza tecnica. L’accuratezza è data dalla precisione e dall’esattezza. Fondamentalmente l’accuratezza dipende dal principio di misurazione utilizzato.

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

I valori di linearità e riproducibilità sono importanti per le misure assolute, come ad esempio la determinazione della distanza effettiva di un oggetto o di un diametro. Un buon valore di riproducibilità fornisce valori ripetibili. L’elevata linearità garantisce i valori di misura corretti. Nel complesso, sia la linearità che la riproducibilità sono fattori importanti per ottenere valori di misura corretti e precisi nelle misure assolute.

compiti di posizionamento

In caso di misure ripetute, il sensore fornisce valori di misura riproducibili. In questo caso incontra sempre lo stesso punto o la stessa posizione, ovvero è ripetibile. Questo è fondamentale per garantire un posizionamento preciso e affidabile di un oggetto. L’obiettivo principale è posizionare sempre l’oggetto nello stesso punto. La precisione di ripetizione è molto importante, mentre la linearità è meno importante nelle attività di posizionamento. In questo caso è fondamentale un’elevata precisione, la correttezza può essere trascurata.

Esempio di calcolo della precisione con il sensore di distanza laser a tempo di volo P1PY101

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.

Classe laser 1
Descrizione I dispositivi con classe laser 1 sono assolutamente sicuri per l’occhio umano e non richiedono alcuna protezione.
Classe laser 2
Descrizione 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
Descrizione 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
Descrizione 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
Descrizione 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

Fascio di luce divergente con ampio diametro del punto luce

Luce laser

Le onde luminose sono fortemente orientate

Composto da una lunghezza d’onda (monocromaticità)

Oscillazione alberi sincrona

-> Un forte raggruppamento consente di ottenere piccoli diametri di punto luce a grande distanza.

Perché esiste una luce laser rossa e blu?

Lo spettro luminoso è composto da diverse lunghezze d’onda. Ognuno ha un colore diverso. Nello spettro cromatico è possibile assegnare un colore a ogni onda. La luce rossa differisce dalla luce blu per la lunghezza d’onda e la densità di energia.

Lunghezza d’onda colore blu: 380 – 500 nm
Lunghezza d’onda colore rosso: 640 – 675 nm

Cos’è la luce

La luce è la parte della radiazione elettromagnetica visibile all’occhio umano. La radiazione si diffonde in diverse lunghezze d’onda quando viene emessa da una fonte di luce, ad esempio una lampadina. L’intervallo di lunghezza d’onda è compreso tra i raggi UV (le lunghezze d’onda più corte) e i raggi infrarossi (le lunghezze d’onda più lunghe).

Questo è il colore

Il colore degli oggetti è un’impressione soggettiva che deriva dal fatto che gli oggetti assorbono lunghezze d’onda diverse e riflettono altre. Queste lunghezze d’onda rappresentano colori diversi. Il colore riflesso dall’oggetto può essere percepito dall’occhio umano.

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

I sensori di distanza e i sensori ad ultrasuoni si differenziano per le dimensioni del campo di rilevamento
I sensori a ultrasuoni funzionano con un ampio cono acustico
I sensori di distanza laser lavorano con un raggio laser fine

Confronto dei prodotti

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6/4