Lazer mesafe sensörleri nasıl çalışır?
Lazer sensörleri optoelektronik sensörler grubuna aittir ve temassız ölçüm prensibi ve yüksek hassasiyet sayesinde obje algılama, yol, pozisyon ve mesafe ölçümü için uygundur. wenglor'un lazer mesafe sensörleri, gönder-al süresi ölçümü prensibine ve lazer triangülasyon yöntemine göre çalışır. Her iki yöntemde de uzaklıklar lazer ışığıyla ölçülür ve mesafe değeri olarak verilir.
Triangülasyon sensörü ne zaman kullanılır ve ışık hareket süresi sensörü ne zaman kullanılır?
Mesafe ölçümü için lazer sensörlerinin kullanım olanakları
Varlık kontrolü
Kalınlık ölçümü
Çap kontrolü
Kenar sayımı
Konumlandırma
Robot konumlandırması
İstif yüksekliği denetimi
Parça ölçümü
Fark ölçümü
Kontrast algılama
Çift katman kontrolü
Lazer mesafe sensörlerin kullanıldığı sektörler ve endüstriler
Triangülasyon sensörleri
Gönder-al süresi sensörleri
Triangülasyon prensibi
Bu teknolojiyle mesafe sensörleri çok küçük ayrıntıları algılayabilir. Triangülasyon prensibi CP, OCP, YP, P3 serileri ve PNBC mesafe sensörleri tarafından kullanılır.
Triangülasyon sensörlerinin kör alanı var mı?
Triangülasyon prensibine göre çalışan sensörler kör alana sahiptir. Bu, yansıtılan ışığın alıcı elemana (CMOS satırı) yansıtıldığı mesafeye bağlıdır. Yansıtılan ışık CMOS satırına gelmiyorsa, ölçüm yapılamaz. Kör alan çalışma aralığının altında bulunduğundan, bu alanda bulunan objelerin tanınmadığı ve ölçüm değerlerinin çıkmadığı anlamına gelir.
CMOS alıcı satırı
CMOS satırı, çok sayıda piksel içeren ışığa duyarlı bir alıcı elemandır. Bunun üzerinden lazer ışığının satıra hangi pozisyonda geldiği değerlendirilir. CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) sensörlerinin piksellerindeki elektrik yükü bir gerilime dönüştürülür. CMOS satırındaki ışık dağılımı yardımıyla objenin pozisyonu belirlenebilir.
Triangülasyon sensörlerinin montajında bu hususa dikkat edilmelidir
Yuvarlak, parlak, yansıtıcı objeler
Parlak veya yuvarlak yüzeyler ölçüldüğünde, sensörün montajı sırasında alıcı elemana doğrudan yansımalar oluşmamasına dikkat edilmelidir.
Öneri: Sensörü, yuvarlak objeyle aynı eksende konumlanacak şekilde hizalayın.
Basamaklar, kenarlar, girintiler
Tüm mesafe sensörlerinde alıcı ışınının doğrudan görülebilmesine ve kenar, basamak, delik veya boşluk gibi bir engelle kapatılmamasına dikkat edilmelidir.
Öneri: Sensörü boşluğun yönüne göre dikey hizalayın!
Hareketli objeler
Hareketli ölçüm objeleri örneğin taşıma bantlarıdır. Önemli olan, objenin sensöre dikey olarak hareket etmesidir. Böylece alıcıya doğrudan yansımalar önlenir.
Öneri: Sensörü dikey olarak kurun!
Renk kenarları
Renk kenarları olarak adlandırılan renk geçişleri olan objeleri ölçerken, renk kenarının sensöre dikey olarak uzanması önemlidir. Bu, renk hatalarını önler.
Öneri: Sensorü dikey olarak kurun!
Sferik ve asferik mercekler arasındaki fark
Sferik mercek
Merceğin küre şeklinde yüzeyi vardır
Kenar alana gelen ışık, merkezi alana göre daha fazla kırılır
Işık hüzmelerinin demetlenmesi hassasiyet kaybına neden olur
Asferik mercek
Merceğin eğriliği düzensizdir
Işık hüzmesi tüm yüzey boyunca eşit şekilde kırılır
Mercek şekli görünüm hatalarını azaltır
Odak noktası tam olarak satırda gösterilir
Çok yüksek ölçüm hassasiyeti
Gönder-al süresi prensibi (Time-of-Flight)
ToF (Time-of-Flight) mesafe ölçümü için lazer sensörleri, tekrarlanabilir ölçüm sonuçlarını, güvenilirliği ve geniş bir ölçüm aralığını bir araya getirir. Bu sayede, reflektörlerle yüz metreye kadar mesafelerde veya objeler üzerinde on metreye kadar farklı uygulamalar için uygundurlar.
Gönder-al süresi ölçümü olarak da adlandırılan Time-of-Flight ölçüm prensibi, ışık darbeleri ile objeye olan L mesafesini belirler. Sensördeki diyot, obje tarafından yansıtılan lazer darbeleri gönderir. Işık darbesinin objeye gönderilmesinden ve tekrar geri dönüşü arasındaki zaman aralığı ölçülür. Bu durumda T süresinden ve C ışık hızından objeye karşılık gelen mesafe elde edilir.
Mesafeyi belirlemek için aşağıdaki fizik formülü kullanılır:
Time-of-Flight ölçüm prensibi P1PY, P2PY, P1KY ve OY mesafe sensörleri tarafından kullanılır.
Bir bakışta ışık hızı hakkında en önemli şey
ToF sensörlerinde kör alan var mı?
Gönder-al süresi sensörlerinin kör alanı yoktur. Ayar aralığının altındaki alanda objeler algılanabilir ve sensör devreye girer, ancak herhangi bir ölçüm sonucu veremez.
Işık noktasının hangi kapağında sensör devreye girer?
Örneğin güneş ışığı veya aydınlatma gibi ortam ışığı arttığında, obje sensör için daha koyu görünür. Bu gibi durumlarda, güvenilir bir algılama sağlamak için ışık noktasının daha geniş bir alanı objeye çarpmalıdır.
Sensörün optiği nedeniyle, asıl ışık noktasının dışında ortaya çıkan az miktarda dağınık ışık da vardır. Yüksek yansıtıcı, parlak yüzeylerde bu, objenin ışık noktası gerçekten ulaşmadan önce algılanmasına neden olabilir. Bu nedenle, ışık huzmesine yakın parlak yapılardan kaçınmak önemlidir.
Reflektörlü ışık hareket süresi sensörleri
Bu çalışma prensibi, arka plan objeleri nedeniyle hatalı ölçümlerin önlenmesi gerektiğinde özellikle avantajlıdır. Tipik bir uygulama örneği, önde giden araca olan mesafenin her zaman güvenilir bir şekilde tespit edilmesi gereken askılı konveyör sistemlerinin kontrolüdür. Özellikle virajlı sürüşlerde yanlışlıkla arka plandaki objeler üzerinde ölçümler yapılması önlenir, çünkü bunlar hatalı kumanda komutlarına yol açabilir.
Ayrıca, bu teknoloji geniş çalışma aralıkları gerektiren uygulamalar için idealdir.
Işık hareket süresi ve triangülasyon çalışma aralıklarının karşılaştırması
Lejantı
Kırmızı alan: Kör nokta (nesneler güvenli şekilde algılanmaz)
Yeşil alan: Çalışma aralığı (nesneler güvenli şekilde algılanır)
Sarı alan: Ayar aralığı/ölçüm aralığı (anahtarlama noktaları belirlenir/ölçüm değerleri yayınlanır)
Mesafe değerlerinin verilmesi
Dijital anahtarlama çıkışı
IO-Link
Hassasiyet nedir?
Kesinlik | Tekrarlama hassasiyeti olarak da adlandırılan hassasiyet, sabit koşullar altında ardışık ölçümler yapılarak belirlenebilir. Bu nedenle, çok hassas bir değer hemen hemen sabit ölçümler sağlar. Bir sensörün hassasiyeti tekrarlanabilirliği ile ölçülür. |
|---|---|
Doğruluk | Doğruluk niteliksel bir değerdir. Doğrusallık sapması, sıcaklık kayması, devreye girme kayması ve anahtarlama mesafesi sapması ile tanımlanır. |
Şekil, doğruluk, kesinlik ve hassasiyetin nasıl ilişkili olduğunu göstermektedir. Kırmızı noktalar bir sensörün ardışık ölçümlerini temsil ederken, hedef, doğru değeri belirtir. Ölçülen değerler birbirinden uzakta ve hedefin çok uzağında ise, düşük hassasiyet ve doğruluk söz konusudur. İdeal olarak, ölçümler doğru ve hassas olmalıdır; bu da onların hedef aralıkta birbirine yakın olmaları anlamına gelir.
Tekrarlanabilirlik ve doğrusallık karşılaştırması: Hangi değer ne zaman kullanılır?
mutlak ölçüm
konumlandırma görevleri
Başlangıç noktası
Bir mesafe ölçümü gerçekleştirilir ve olası maksimum sapma belirlenir. Renk hatası olmaması için her zaman aynı objede ölçüm yapılır. Ortam sıcaklığı 10 °C değişiklik gösterebilir.
Veri sayfasındaki değerler:
- Tekrarlanabilirlik: 3 mm
- Doğrusallık sapması: 10 mm
- Sıcaklık kayması: 0,4 mm/K
Hesaplama
Hassasiyet (tekrarlanabilirlik) + doğruluk (doğrusallık sapması, sıcaklık kayması) = Doğruluk
3 mm + 10 mm + (0,4 mm * 10 °C) = 17 mm
Ölçüm sonuçlarının doğruluğu neye bağlıdır?
Time-of-Flight lazer mesafe sensörleri objeler üzerinde 10 m'ye kadar ve reflektörler üzerinde 100 m'ye kadar yüksek ölçüm aralıklarına ulaşır. Buna karşın lazer mesafe sensörleri üçgenleme prensipli çok hassastır. Ancak ölçüm aralığı maksimum 1.000 mm ile sınırlıdır. Mesafe ölçümü sensörlerinin hassasiyetini optimize etmek için uygulama durumuna bağlı olarak farklı ayarlar yapılabilir. Bu şekilde, hassasiyet filtre fonksiyonları ile daha da arttırılabilir.
Lazer sınıfları ve çalışma modları
Lazer sınıfları, lazerin insanlara yönelik potansiyel tehlike durumu hakkında bilgi verir. Lazer ışığına sahip sensörler, EN 60825-1 uyarınca tehlike derecesine göre çeşitli lazer sınıflarına ayrılır. Yaygın lazer sınıfları 1, 2, 2M, 3R ve 3B arasında bir ayrım yapılır. wenglor'un lazer mesafe sensörlerinde sadece insan gözüne zarar vermeyen lazer sınıfları 1 ve 2 kullanılır.
| Açıklama | |
|---|---|
| Lazer sınıfı 1 | Lazer sınıfı 1 olan cihazlar, insan gözü için tamamen güvenlidir ve koruyucu önlemlere gerek yoktur. |
| Lazer sınıfı 2 | Lazer sınıfı 2 olan cihazlar daha yüksek güce sahiptir, ancak kısa süreli ışınımda da güvenlidir. Bununla birlikte, uyarı işaretleri eklenmelidir. |
| Lazer sınıfı 2M | Lazer sınıfı 2M olan cihazlar da kısa süreli ışınlamada tehlike oluşturmaz. Lazer sınıfı 2'den farkı, optik cihazlarla, örneğin bir büyüteç ile tehlike oluşabilir. |
| Lazer sınıfı 3R | Lazer sınıfı 3R olan cihazlar, lazer ışınına doğrudan bakıldığında tehlikeli olabilir. Bundan dolayı koruyucu önlemler alınmalıdır. |
| Lazer sınıfı 3B | Lazer sınıfı 3B olan cihazlar gözler ve çoğu zaman cilt için tehlikelidir. Bundan dolayı uygun koruyucu önlemler alınmalıdır. |
Lazer sınıfları, lazerin insanlara yönelik potansiyel tehlike durumu hakkında bilgi verir. Lazer ışığına sahip sensörler, EN 60825-1 uyarınca tehlike derecesine göre çeşitli lazer sınıflarına ayrılır. Yaygın lazer sınıfları 1, 2, 2M, 3R ve 3B arasında bir ayrım yapılır. wenglor'un lazer mesafe sensörlerinde sadece insan gözüne zarar vermeyen lazer sınıfları 1 ve 2 kullanılır.
|
Lazer sınıfı 1
|
|---|
|
Açıklama
Lazer sınıfı 1 olan cihazlar, insan gözü için tamamen güvenlidir ve koruyucu önlemlere gerek yoktur.
|
|
Lazer sınıfı 2
|
|
Açıklama
Lazer sınıfı 2 olan cihazlar daha yüksek güce sahiptir, ancak kısa süreli ışınımda da güvenlidir. Bununla birlikte, uyarı işaretleri eklenmelidir.
|
|
Lazer sınıfı 2M
|
|
Açıklama
Lazer sınıfı 2M olan cihazlar da kısa süreli ışınlamada tehlike oluşturmaz. Lazer sınıfı 2'den farkı, optik cihazlarla, örneğin bir büyüteç ile tehlike oluşabilir.
|
|
Lazer sınıfı 3R
|
|
Açıklama
Lazer sınıfı 3R olan cihazlar, lazer ışınına doğrudan bakıldığında tehlikeli olabilir. Bundan dolayı koruyucu önlemler alınmalıdır.
|
|
Lazer sınıfı 3B
|
|
Açıklama
Lazer sınıfı 3B olan cihazlar gözler ve çoğu zaman cilt için tehlikelidir. Bundan dolayı uygun koruyucu önlemler alınmalıdır.
|
Kırmızı ve mavi lazerlerin kullanım amaçları
wenglor’un lazer mesafe sensörleri kırmızı veya mavi lazer ışığı ile çalışır. Kırmızı veya mavi ışık kullanılması uygulamaya bağlıdır. Kırmızı lazer ışığı 650 nm dalga boyuna sahiptir. Mavi lazerler 405 nm dalga boyunda çalışır ve böylece daha kısa dalga boyuna sahiptir. Bu nedenle mavi lazer ışını, ölçüm objesinin derinliklerine daha az nüfus eder ve hassas ve stabil sonuçlar verir. Özellikle parlayan yüzeyler mavi lazerden etkilenmez. Mavi diyotlu lazer mesafe sensörleri organik yüzeyler, parlatılmış metaller, parlak plastik yüzeyler veya koyu renk boyalar için çok uygundur.
Normal ışık ile lazer ışığı arasındaki fark nedir?
Normal ışık
| Yayılma yönü | Işık dalgaları her yöne dağılır |
|---|---|
| Dalga boyları | Birçok farklı dalga boyundan oluşur |
| Faz eşitliği | Dalgalar faz dışında sallanıyor |
Lazer ışığı
| Işık dalgaları güçlü şekilde yönlendirilmiştir |
| Bir dalga boyundan oluşur (monokromatiklik) |
| Dalgalar senkronize sallanıyor |
Neden kırmızı ve mavi lazer ışığı var?
Dalga boyu kırmızı renginde: 640 – 675 nm
Işık budur
Renk budur
Lazer budur
“Lazer” terimi, “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (Işığın uyarılmış ışıma ile yükseltilmesi) anlamına gelir. Lazer ışını geniş bir optik spektrum aralığında oluşturulabilir. Basitçe ifade etmek gerekirse, tekdüze ışık dalgaları yüksek yoğunlukta bir ışın şeklinde demetlenir.
